基于偏置核心筒条件下的斜交网格结构体系施工技术及安 装精度控制研究

基于偏置核心筒条件下的斜交网格结构体系施工技术及安 装精度控制研究

陈凯,1,严中山,1,林天宇,1,刘磊,1,马鑫淼,1,邵光辉,2,,华学松,2,赵影,2

1.,中国建筑一局,(集团),有限公司，北京,100071,2.深圳市海科达咨询有限公司，广东深圳,518000

摘要：本文以海能达全球总部大厦主体工程项目为例，介绍了斜交网格结构体系的施工技术，并结合工程 实际对精度控制措施进行了分析研究，有效保证项目顺利实施。

关键词：斜交网格结构；施工技术；精度控制

Researchonconstructiontechnologyandinstallationprecision controlofskewgridstructuresystembasedonoffsetcoretube

CHENKai1YANZhongshan1LINTianyu1LIUlei1MAxinmiao1SHAOGuanghui2HUAXuesong2ZHAOYing2

Abstract：ThispapertakesthemainprojectofHainengdaGlobalHeadquartersbuildingasan example,introducestheconstructiontechnologyofobliquegridstructuresystem,andanalyzes theprecisioncontrolmeasurescombinedwiththeengineeringpractice,soastoeffectively ensurethesmoothimplementationoftheproject.

Keywords：skewlatticestructure;constructiontechnology;precisioncontrol

随着当前经济的蓬勃发展以及土地的稀缺的现实问题，超高层建筑成为当前建筑的主流， 其中钢结构以其自身高强度、稳定性好同时造型美观，几何塑造性强等优势在一众材料中脱 颖而出，逐渐成为主流的建筑结构。本文以深圳市海能达全球总部大厦项目钢结构工程为例， 浅谈斜交网格施工技术及精度控制措施。

1工程概况

海能达全球总部大厦项目分为塔楼及裙楼南北两个部分，其中塔楼地上43层，建筑高 度211.080m，含塔尖总高度257.5m；裙楼地上9层建筑，建筑高度46.7m。塔楼采用斜交 网格钢筒—钢筋混凝土单侧双角筒结构体系，楼面梁采用钢梁，楼盖采用钢筋桁架楼承板。 裙房为框架－剪力墙结构体系。主体钢结构重量达26000吨，斜交网格框架结构存在大量的 “X”型空间节点，节点多达五个对接口，节点复杂，现场安装精度要求高，同时还存在架 空层、大悬挑桁架布置，转换桁架节点构造复杂单件超重，节点最重50.7t，构件多为高强、 厚板(100mm、Q390GJ)，见图1~图3。

图1 建筑效果图

图2整体结构模型

2斜交网格钢结构施工重难点分析

图3主要节点形式

1)节点构造复杂，质量大，数量多

根据结构设计图纸，地上构件最大板厚为100mm，焊接量巨大，且部分角柱节点牛腿

多达13个。同时节点构造复杂，以“X”型为主，节点多达五个对接口，尺寸大小不一，

最大尺寸为7.20m×3.4m×2.0m，最小尺寸为4.00m×3.00m×2.60m，单件超重，节点最重50.7t， 吊装及安装难度较大。

2)斜交网格钢结构构件焊接质量要求高

工程采用了Q355B、Q390GJ等钢材，强度等级高，板厚较厚，Q390GJ钢最厚达100mm， 厚板比例大，为结构重要传力、受力部位，其焊接质量极为重要，尤其是节点区域焊缝密集， 在焊接过程中易产生层状撕裂、冷裂纹；焊接效率低、焊接残余应力大等问题，不仅对现场 的施工进度产生影响，同时还附带着后期结构主体整体受力超出预期值而导致结构坍塌的风 险。

3)斜交网格钢结构安装精度要求高

斜交网格结构自身的结构形式较为复杂，安装精度要求高，整体结构高度超200m，结 构楼层的层高变化以及构件自身应力变化而导致着结构成型后会向悬挑方向偏位，这无疑给 安装带来较大难度。

4)施工安全管理要求高，难度大

结构立面施工关键路线为“地下室结构施工(插入拆撑)→塔楼混凝土核心筒施工→斜 交网格钢筒施工→悬挑桁架施工→钢框架施工→楼承板施工。总体思路是:混凝土单侧双角 筒及裙楼核心筒先行施工,领先斜交网格钢筒4-6层,悬挑桁架及钢框架施工滞后斜交网格

钢筒2-4 层,钢筋桁架楼板施工滞后钢框架结构 4 层。 整体形成同步错层施工(图 4、图 5)。

图4立面施工工序图

图5各施工工序领先顺序关系

斜交网格钢结构构件安装施工面较大，所处位置高度较高，安全措施大部分依附在后 方的核心筒上，其余三处临空面范围大，且节点构件形式复杂，现场焊接点位多，导致安装 难度增大，高空作业风险极大。

3斜交网格结构施工技术

3.1立面分段方案

斜交网格钢结构节点构件形式复杂多样，牛腿数量及节点接口多的同时节点单件超重， 为了减少高空作业量，提高斜交网格构件焊接质量和几何尺寸的准确性，尽可能将斜交网格 构件拼装成人字形吊装单元吊装，现场主要有8种吊装单元，详见表1。

表1吊装单元分类图

通过先将网架分成若干个区段，先在地面组装成段状单元，然后分别用起重机将单元抬 升至高空设计位置，再就位搁置，最终由人工焊接来连接各结构分段和嵌补分段并拼装成整 体结构的施工方法，不仅大大减少了高空作业的难度和时间，还有效保证了施工质量，进而 推进工程的整体施工进度。

3.2现场吊机选型及布置

在满足现场施工工期的条件下，综合考虑钢结构构件分段、吊重、吊频、吊次、经济效 益等众多因素，最终现场施工采用两台外爬动臂塔吊ZSL850(一台臂长45米，一台50米)。 根据该两台塔吊的起重性能，最终确定钢构件竖向分段及整体吊装方案，见表2、图6。

综合图6和表2，塔吊距离斜交网格结构中心距离分别为 20.6m、18.3m，同时 3#ZSL850 塔吊在45m 吊装半径范围内最大吊重为 50t (R19.3m 内) ，末端吊重 16.8t；4#ZSL850 塔吊

在50m吊装半径范围内最大吊重为50t(R19.3m内)，末端吊重13.8t,满足斜交网格结构 构件的吊装需求。

表2ZSL850塔吊起重性能表

图63#、4#塔吊布置图

3.3临时支撑设置及卸载

在合适的桁架层节点下方布置临时支撑胎架，胎架之间根据其整体的布置形式，共同组 成一个对钢结构的临时支撑体系，作为整个钢结构高空安装的主要受力支点。临时支撑胎架

的底部通过预埋件与转换梁的共同作用固定在钢梁上，同时胎架顶部设置定位校正装置，保

证整体结构的稳定性及受力点的准确性。

其卸载是利用大型通用有限元软件Midas/Gen进行建模计算。通过分析计算模型按照设 计图纸进行建模，考虑临时支撑胎架底部为固定铰支座，胎架立杆为刚接，胎架水平杆及腹 杆为铰接，支撑胎架顶部与主体结构的连接为铰接的节点连接形式和边界条件，以及临时支 撑体系的卸载过诚，并按照实际施工中的具体胎架结构形式进行精细化建模，将其与整体结 构模型一同进行卸载模拟分析计算，保证卸载过程中结构变形与应力变化情况处于可控状态。

3.4构件吊装

整体拼装单元或单根构件利用已有的ZSL850塔吊进行吊装，吊到就位上方200m时，应 停机稳定，对准下段构件截面后，缓慢下落，使其四边中心线与下段构件基本对齐，采用夹 板和螺栓临时固定。吊装就位后，用大六角头高强螺栓通过连接板固定上下耳板，但连接板 不夹紧，通过钢契块和千斤顶调节柱间间隙，通过上下构件的标高控制线之间的距离与设计 标高值进行对比，并考虑到焊缝收缩及压缩变形量。将标高偏差调整至5mm以内。符合 要求后打入钢楔，点焊限制构件下落。

当构件吊装就位固定好后,进行测量校正。节点安装定位与校正测量关系着整个斜交网 格钢结构的精度,鉴于每个节点上有多个分支,各分支的位置处于三维空间状态,采用全站仪 捕捉三维坐标,进行安装测量控制,实现复杂节点的安装定位与校正工作。所有构件在测量校 正完成后讲行最终的焊接。

3.5现场焊接

为了避免在现场焊接过程中钢结构焊缝部位温度变化产生收缩变形和应力变化，进而对 安装精度产生一定的影响，故而对现场焊接顺序进行制定，焊接时采取整体对称焊接与单根 构件对接焊相结合的方式进行，遵循“统一对称、分区进行；单杆双焊、双杆单焊”原则， 确保高精度完成钢结构构件的安装。

同时通过信息化施工手段，优化焊接顺序，控制结构变形。在整个焊接过程中，随时用 测量仪器进行变形监控。当某个点处偏差可能超控时，调控焊接顺序，及时加以纠偏。结构 变形控制贯穿于整个焊接全过程，通过焊接过程中的跟踪监测，摸索相应规律，指导后续施 工。

4斜交网格结构精度控制措施

4.1深化设计

根据以往经验，深化设计往往只是停留在现场施工阶段的问题导向解决，而忽略了钢结 构从制作加工、检测、运输、安装等全方位、全周期的深化设计。

1)总体思路的深化

项目主体结构采用的是斜交网格钢筒—钢筋混凝土单侧双角筒结构体系，斜交网格钢结 构在其扮演着重要角色，同时斜交网格钢构的体量大，整体施工高度高，不仅对现场施工安 装充满挑战，而且整体受力分析也是一大难点。

通过利用相关模型软件，对结构整体受力、传力特点进行分析，根据实际钢结构情况， 分别从下层桁架预起拱值确定、核心筒、钢框架变形差分析、钢框架变形对混凝土楼板开裂 影响分析等方面进行分析，着重加强对斜交网格框架的竖向变形及补偿考虑。同时还采用

ABAQUS软件对斜交网格节点进行有限元分析以及弹塑性分析来加强对钢构受力稳定性起到

较大的作用(图 7，图 8) 。

图7整体结构施工受力分析

图8复杂节点有限元分析

2)制作工艺的深化

加工厂的制作工艺水平是直接影响钢结构加工制作质量以及现场实际安装精度的制约 因素，这是必须在加工厂能力范围内(设备能力、预拼装场地、工艺水平、工人素质等)考 虑问题。通过对构件的加工方法、组装顺序、工厂设备能力、特殊工艺处理方法、工人技术 水平等情况深入了解，结合原设计意图及方案方法，做出切实可行的深化设计方案，并在工 厂进行工艺试验评定后，方最后定稿。

3)现场安装的深化

通过对现场钢构安装过程的了解，充分考虑各构件的受力特点、组装顺序，对节点构件 单元进行合理划分，根据项目实际情况，将其主要分成8钟吊装单元。同时考虑了焊缝的形 式，规定了构件焊接坡口的大小、方向，并且确保了现场施焊空间满足操作要求。

4)配合其他专业工作的深化

在斜交网格钢结构的施工过程钟，离不开与土建、机电、幕墙等多专业的交叉配合。在 深化过程中也应积极做好与各专业的联动，建立项目整体BIM模型分析核对，同时做好预埋 件平面定位与标高定位图、及时检查预埋件的位置与土建混凝土构件钢筋的位置有无矛盾； 在劲性钢骨结构中，钢筋与钢构件之间的交叉矛盾比较突出，与土建单位密切配合协商钢筋 与钢骨连接问题，根据现场施工需要，选择在钢骨构件上直接开设穿筋孔。还有幕墙连接板

的挂设、机电开孔、补强等都是需要配合其他专业进行深化，图9，图10。

图9钢筋与钢骨的连接图10机电开孔、补强

4.2构件加工质量控制

对构件原材料的把控，优先对钢厂生产任务情况进行调查，然后分别按热轧型钢、常规 厚度钢板、常规材质厚钢板和高强材质厚钢板4个主要类别分别选择产能空余最多、质量最 稳定的钢厂作为供货单位，并对每一类钢板增加一家备选钢厂，以备在紧急情况下确保供货。 同时根据项目钢构材质种类多、钢板厚度类别多的特点，设立原材料专用仓库，配备专人进 行管理，避免造成与其他工程的混用。原材料在入库前，除对外观质量、性能检测外，还应 对质量证明书、数量、规格进行核对，经检查员、仓库保管员检查到达要求后才能办理入库 手续。

对构件加工质量的把控，工厂所加工的构件尺寸精确与否，直接影响现场的安装精度。 安排人员驻厂，跟踪了解构件的加工情况，监督把控构件尺寸、质量。驻厂人员要准确把握 好钢柱、钢梁的垂直度，钢柱、钢梁连接孔的加工精度、钢柱上的支撑连接板相对于柱本身

的位置尺寸、檩托板的位置尺寸、腹板和内隔板的位置尺寸及垂直度、钢柱、钢梁本身的尺 寸等。目前在构件的设计中，钢梁、钢柱由H型钢加工或采用钢板焊接而成的，如果是现成 的H型钢，则其加工质量容易控制；如果是通过多块钢板连接而成，则在组装、焊接后注意 对柱、梁进行整形，以确保其垂直度要求并防止扭曲。

4.3采用虚拟预拼装技术

根据设计图纸以及钢结构施工方案等内容，利用三维设计软件，在构件分段与临时支撑 胎架设置等安装措施可保证自重受力变形不至于影响安装精度的前提下，建立拼装工艺三维 几何模型，并通过模型导出分段构件和相关零件的加工制作详图。在构件完成加工后再利用 MetraSCAN210-工业级光学三坐标三维扫描仪采集相关控制点三维坐标数据，并在计算机中 模拟拼装形成分段构件的轮廓模型。

相较于传统的预拼装技术，其对场地需求较小，仅需要构件最大尺寸所能放置的场地， 同时在人员上不再需要多工种人员配合，起重人员以及专业技术人员即可完成全部流程，并

且大大节约了操作时间，图11。

图11虚拟预拼装技术全流程

4.4焊接全过程的控制

无论是从构件排产还是现场安装的来说，都离不开焊接这道工序。过程的中的焊接不当， 会导致构件外观产生变形，而且一定程度上将构件的承载能力降低。

焊接前的准备工作。对于焊工的选拔，必须是持有特种作业证和技术等级证的焊工，并 根据其个人资料筛选出焊接经验丰富有类似工程施工经验的焊工。上岗前的培训也比不可少， 分别从针对工程结构特点对焊接要点、焊接注意事项、对高空焊接、高强厚板焊接工艺、焊 接要点、对节点区域对接焊接要点等多个方面进行培训。按照《钢结构焊接规范》中的相关

规定，对焊工进行考核。考试可根据工程现场焊接条件下的操作能力及高强厚板焊接技术， 焊接完成48h后进行超声波检测并出具报告。过程中可邀请业主、监理参加，共同对焊缝外 观、探伤报告进行检查。

焊接过程中的控制措施。在钢结构焊接过程中，主要是通过确定合理的焊接顺序，焊接 程序、焊接方式、焊接工艺参数、焊接热处理等对焊接变形以及焊接应力进行有效的控制。 合理的焊接方式和焊接工艺参数的把控能够减少焊缝收缩问题进而防止钢结构中出现焊接 变形的问题。合理的焊接程序对焊接应力与焊接变形的影响较大，对控制收缩量与应力有着 明显的效能。焊接顺序对应力的分布规律产生影响,使其发生改变,但是却对应力的整体幅值 的作用不大,降低不太明显,对钢结构制作中的焊接变形有较为明显的作用。

4.5加强现场的综合管理力度

1)对现场构件的安装质量的把控力度。管理人员需要保证钢柱、钢梁、节点安装的规 范性，做好过程中检查以及质量检验，熟悉了解安装全过程，保证构件安装位置的准确性， 符合图纸要求，在垂直度方面保证精准不偏移，同时还需要按照要求拧紧螺栓，保证现场实 施技术的合规性，避免出现返工情况。同时管理人员在现场埋设螺栓时候，提前与专业分包 检查好螺栓状态，保证螺栓质量安全，安装前还需要保持螺栓表面的清洁度和平整度。

2)对现场构件的施工进度的管理力度。管理人员需要明确施工过程中存在的问题，加 强对现场施工人员的管理，保证钢结构的施工进度在稳步前进，在保证安装质量不会降低的 前提下，尽量加快现场的安装进度，缩短整体施工工期。如在施工过程中发现问题，应及时 沟通解决，尽量不延误工期。

5结论

斜交网格结构体系安装在项目施工过程中属于重难点施工环节，应该加大过程中的监管 力度。以海能达全球总部大厦主体工程为例，通过对施工过程中的重难点进行分析，通过深 化设计、构件加工质量控制、采用虚拟预拼装技术、焊接全过程的控制、加强现场的综合管 理力度的方法，有效的实现了对斜交网格结构的精度控制，减少了现场施工质量问题，为其 他类似工程提供参考。

参考文献

[1]王校,赵会贤,潘功赟等.超高层网格式钢结构安装技术浅析[C]//中国建筑金属结构协会钢结构专家委员会.钢结构与绿色 建筑技术应用.中国建筑工业出版社,2019:610-616. [2]范应中.大跨度空间钢结构施工技术与施工质量问题探索[J].建材与装饰,2017(02):35-36. [3]孟卓.探究建筑钢结构施工技术与质量控制的措施[J].中国建筑金属结构,2021(12):20-22. [4]卢元凯,王作亮.超高层建筑钢结构施工关键技术研究[J].建材发展导向,2021,19(20).