武汉绿地中心总建筑面积72.86万m², 主楼高636m, 钢结构用钢量约10万t, 结构形式为核心筒+巨型柱+伸臂桁架+环带桁架结构。武汉绿地中心建筑效果如图1所示。

工程首级控制网采用四点闭合导线形式布设于项目外围, 采用观测墩+强制对中模式, 观测精度达到国家四等平面控制网精度标准, 内部控制网采用导线网形式将塔楼内部与外部连接, 采用角钢观测架+强制对中模式。

主塔楼环带桁架共10道, 每道桁架均在平面呈曲线状、空间呈倾斜状态, 现以首道环带桁架为例。

F2～F4层环带桁架为本工程首道环带桁架 (见图2) , 桁架全长约230m, 高9m, 总重约3 000t, 单榀桁架构件重10～30t, 平面呈S形曲线分布, 竖向以2.2°向外倾斜。桁架与巨柱间焊接连接, 桁架与桁架间以高强螺栓连接, 螺栓孔允许偏差1mm, 对安装精度控制要求较严格。

环带桁架是超高层建筑中最重要的结构组成部分, 这种巨型外框结构系统与巨型柱防屈曲支撑及核心筒共同组成多道防护体系, 具有充分利用建筑空间优化受力分布、抵抗侧向荷载等作用, 同时能为超高层的安全可靠提供有力保障, 固其安装精度尤为重要。通过借鉴其他项目类似经验, 结合本项目的实际施工情况, 形成一套完整的施工测量控制方案。

为提高吊装效率及高空测量定位效率, 桁架首先进行两两之间预拼装, 预拼装采用卷尺线锤法与空间坐标法相结合。

在CAD图形中量取尺寸 (1) , (2) , (3) , (4) 作为拼装依据 (见图3) 。

1) 2榀桁架端点的水平间距 (1) (用于校核拼装后平面尺寸是否正确) 。

2) 2榀桁架接口处与端点之间连线的垂直距离 (2) (用于校核拼装后平面角度是否正确) 。

3) 重力柱水平面投影距离 (3) (用于校核拼装后中心重力柱块竖向倾斜度是否正确) 。

4) 桁架立面板平面投影距离 (4) (用于校核拼装后靠巨柱块竖向倾斜度是否正确) 。

拼装场地采用工字钢 (或其他可代替胎架) 作为拼装胎架, 将工字钢布设于拼装场地, 采用水准仪严密抄平后加固, 桁架立于工字钢上部, 同样使用水准仪将桁架下弦梁严密抄平, 以保证桁架在绝对水平状态下拼装调整。

根据CAD桁架模型提取的数据在现场依次进行复核。

1) 如图3所示, 拼装单元下弦两端水平距离理论数据为12 077mm, 则在拼装现场采用50m钢尺量取两端尺寸, 尺寸与理论数据对比误差应在±3mm, 若超出误差范围, 则需采用千斤顶架设于2榀桁架接口处, 根据数据偏差方向将两端间距调整至数据误差允许范围内。

2) 将2榀桁架下弦两端点用粉线连接并拉直, 然后在桁架接口处使用5m钢卷尺量取接口点与粉线之间的垂直距离 (粉线处采用角尺配合) , 量取数据与理论数据误差应在±3mm, 如超出误差范围, 则依然采用千斤顶架设于2榀桁架接口处, 根据数据偏差方向纵向调整至垂直距离在允许误差范围内。

3) 取重力柱顶端一角点, 在该角点处放下线锤, 使线锤圆锥体稍微低于桁架下弦底面, 待圆锥体静止后, 使用5m钢卷尺水平量取垂直粉线与重力柱底端垂直距离, 量取距离与理论距离误差在±3mm, 若超出误差范围, 则在重力柱顶端挂设>5t的导链葫芦, 葫芦底端连接至地面, 按偏差方向使用导链葫芦调整桁架垂直度, 直至在允许误差范围内。

4) 在图3所示桁架左端上部端点吊线锤, 方法同第3) 步重力柱垂直度调整方式, 将另一榀桁架垂直度调整就位。

数据全部合格后, 即完成直尺线锤法拼装。

直尺线锤法完成后, 采用空间坐标测量法检查拼装成果。在CAD模型中将拼装对应的2榀桁架整体复制到新建CAD文件, 在此新建CAD图形中以桁架下弦左端角点为坐标原点 (0, 0, 0) , 以下弦水平面长边为x轴、短边为y轴, 以垂直方向为z轴, 使用UCS命令建立空间独立直角坐标系, 坐标系建立后分别提取特征点位空间坐标作为检核依据 (见图4) , 提取特征点位, 包括:下弦各端点与交接点、巨柱连接处端点、斜腹件连接处各牛腿上下翼缘板中点、重力柱上口两翼缘板中点等。

在拼装场地架设全站仪, 采取后方交会定向, 在特征点位处依次放置小棱镜或激光反射片观测其空间坐标, 并与检核依据对比, 对比误差≤5mm为合格, 若误差>5mm则需根据偏差方向适当调整。

图4中, 拼装桁架接口处中点理论坐标为 (x=577mm, y=3 982mm, z=600mm) , 则全站仪观测其坐标应为 (0.572m≤x≤0.582m, 3.977m≤y≤3.987m, 0.595m≤z≤0.605m) 。若观测坐标不在偏差范围内, 则需架设千斤顶 (或导链葫芦) 调整:x坐标偏差值取正时, 向假设坐标系南方向调整, 取负时, 向假设坐标系北方向调整;y坐标偏差取正时, 向西调整, 取负时, 向东调整;z坐标偏差取正时, 则垂直向下调整, 取负时, 向上调整。

当所有数据均合格后, 即完成拼装块桁架横向曲度及竖向倾斜度定位与检查, 由螺栓施工人员将桁架接口处高强螺栓终拧, 并由焊接施工人员将接口处施焊 (焊接应考虑变形措施) , 即完成单次桁架预拼装。

将Tekla空间模型转换为CAD空间模型, 以CAD模型中其中一轴线交点为基点, 将桁架CAD模型复制于项目规划轴线网内, 以另外一轴线交点为旋转方向将模型旋转, 重合于项目规划轴线网, 即可完成坐标转换, 然后在空间模型下提取安装特征点位空间三维坐标 (x, y, z) (特征点位如同拼装点位) , 作为设计坐标。

如图5所示, 坐标系xOy为施工坐标系, 坐标系AO'B为未转换前模型图所在坐标系。

P点为坐标系AO'B中任意一点, X_O', Y_O', α已知, 则:

设计坐标如图6所示。

地上结构开工初期, 测量专业技术人员在楼层内部地面设有12个内部控制点, 控制点沿核心筒周边均匀分布 (见图7) , 采用∟70×5焊接成钢支架, 钢支架上部设强制对中平台 (见图8) , 下部4个腿固定于地面预埋件上, 形成控制点永久支架。控制网参照国家四等平面控制网精度标准观测, 使用平差软件严密平差。

因控制点位于地面而桁架安装位于高空, 无法直接使用控制点观测, 需将控制点使用激光铅垂仪垂直投射至桁架安装层面。

控制点垂直方向上部每个楼层板均留有预留洞口, 洞口尺寸为200mm×200mm, 作为控制点垂直投射通道, 使用精度为1/100 000以上的激光铅垂仪将控制点投射至施工楼层面, 楼层面使用钢板焊接作为接收平台, 将铅垂仪转动4个角度 (0°, 90°, 180°, 270°) 取其连线交点, 即为投射控制点。

在投射控制点上架设全站仪定向 (或施工后方交会方法任意设站) , 在塔式起重机保持挂钩状态下, 由测量人员持mini小棱镜将特征点位依次测量 (或粘贴反射片等, 视情况而定) , 读取三维坐标, 按控制坐标数据使用千斤顶或导链葫芦将桁架调整就位, 如该特征点位设计坐标为x=385 168.301, y=530 404.206, z=414.700, 现场实测三维坐标为x=385 168.281, y=530 404.226, z=414.670, 则将该特征点位向北调整20mm、向西调整20mm、向上调整30mm, 即完成该特征点位空间位置的定位校正, 所有特征点位依次按此方式调整, 而后完成整榀桁架空间定位。

也可采用全站仪放样方式校正:将该特征点位设计坐标输入全站仪, 按全站仪内部计算显示的纵横坐标差值及标高差值将桁架调整就位。

桁架所有特征点位空间三维坐标均调整至设计坐标限差范围内后, 整榀桁架的空间曲面、倾斜度即达到设计要求。

由焊接人员进行加固, 即完成曲面桁架高空测量就位。

当巨柱与巨柱间所有桁架均安装测量校正完成后, 即可将所有螺栓终拧, 并由焊接人员将所有对接口施焊, 焊接工艺应严格参照测量数据进行, 充分考虑预变形措施, 焊接过程中, 测量人员实时监控其变形状态。当变形误差超大时, 应及时预警并考虑补救措施, 焊接完成后还应将桁架焊后数据复测, 复测数据存档保存, 以便后道工序参考使用。

武汉绿地中心项目根据桁架的结构特点和施工工艺, 并考虑与其他专业之间的相互影响。首先从深化设计的源头对桁架安装进行合理优化, 其次, 充分采取预变形等相关施工工艺, 有效解决了环带桁架测量、变形等技术问题, 为超高层建筑、大跨度建筑等复杂桁架的安装提供了解决方案, 并取得了良好的经济与社会效益。