西安丝绸之路国际会展中心位于西安市东北部浐灞生态区欧亚经济综合园区核心区世园板块, 总建筑面积207 112m², 地下部分采用钢筋混凝土-框架结构, 地上部分采用钢框架结构, 建筑高度58.8m。幕墙吊柱采用箱形柱结构, 两端及中间均用销轴连接, 2根幕墙钢吊柱间用箱形横梁连接, 部分区域有拉条牵拉 (见图1) 。建筑结构四角位置幕墙吊柱最长44.0m, 最短26.0m。平面呈弧形布置, 吊柱原材料为20, 30, 40mm厚度Q345B钢板。幕墙吊柱共计268根。

1) 立柱采用截面高度分别为300～700mm的钢板焊接箱形结构, 单根立柱长26～44m, 重7～34t, 加工及吊装难度非常大。

2) 不同于常规幕墙系统, 通常主体结构已经完工的情况下再安装幕墙龙骨, 而钢吊柱在安装过程中, 部分区域主体钢结构仍在施工, 整个施工过程中荷载是变化的, 导致结构变形量难以控制, 需要精确分析出每根幕墙钢吊柱的变形量, 控制好测量精度、构件制作变形及现场拼装变形。确保钢吊柱安装完成后既满足主体结构的承载要求, 也满足幕墙结构的功能需求。

幕墙钢结构对安装精度要求高:结构立面平整度、结构水平平整度、构件制作变形、构件安装垂直度的设计要求控制在5mm内。

根据结构特点及预估可能遇到的施工难题, 对幕墙钢吊柱安装步骤进行有限元仿真施工模拟, 模拟过程共定义84个施工步, 并将幕墙钢吊柱按所在部位分成12组, 采用结构分析软件SAP2000, 进行仿真施工过程的模拟计算。施工步骤如下: (1) 内部钢结构安装, 进行仿真计算→ (2) 东南西北同时进行第1组悬挑桁架安装, 设胎架支撑→ (3) 卸载, 拆除胎架支撑→ (4) 安装悬挑间连接桁架→ (5) 安装悬挑末端幕墙吊柱→ (6) 安装600×14圆吊柱→ (7) ～ (11) 重复第2组的安装及卸载→ (12) 第1组中间幕墙吊柱安装→ (13) ～ (25) 重复第 (3) ～ (4) 组的安装及中间幕墙吊柱交叉施工→ (26) 63m下月牙安装 (设胎架) 及1～4组柱下后补段安装→ (27) 63m下月牙卸载→ (28) ～ (57) 重复 (2) ～ (6) 进行第5～9组悬挑桁架与柱和连接桁架的安装、胎架卸载及交叉施工→ (58) 核心筒距离的下月牙安装 (设胎架) 及5～9组柱下后补段安装→ (59) 核心筒距第2段下月牙卸载→ (60) ～ (77) 重复第10～12组悬挑桁架与柱和连接桁架的安装、胎架卸载及交叉施工→ (78) 4个角端的下月牙安装 (设胎架) 及第10～12组柱下后补段安装→ (79) 角端距第3段下月牙卸载→ (80) D₁恒载加载→ (81) D₂上月牙金属屋面恒载加载→ (82) D₃幕墙玻璃恒载加载→ (83) D₂下月牙金属板恒载加载→ (84) D₄恒载加载, 屋面面层和屋面吊挂质量及其他后加的荷载, 不同区域有所差别。

通过计算, 得出各组柱的竖向位移, 并根据竖向位移调整柱的长度;如第1组柱的竖向位移及调整后长度如表1所示。

将钢吊柱根据仿真模拟得到的数据, 对每组钢吊柱的加工图进行深化设计, 深化设计确认合格后报相关单位审批, 并及时发送到加工厂进行构件加工。由于钢吊柱长度大, 无法运输, 将其进行分段加工, 再运到现场拼装, 质量要点为控制现场拼装焊接过程中的变形。

根据工况分析, 将所有幕墙吊柱在地面拼装成整榀后再吊装。根据吊柱工厂分段的长度, 在水泥地面上放线、抄平。将H型钢用化学锚栓固定在水泥地面上 (见图2) 。H型钢在两端头和2根钢柱的对接处各布置1根。

重新将H型钢胎架上表面进行抄平, 用墨线弹出通长轴线。用槽钢或H型钢的余料贴墨线焊上“靠山” (见图3) 。

将钢吊柱的分段杆件依次用起重机摆放到胎架上, 并使用撬棍贴紧“靠山” (见图4) 。

使用经纬仪测量拼装好的吊柱整体平整度, 同时使用50m钢卷尺复核构件的整体长度, 若存在误差则进行调整。

幕墙钢吊柱上端挂在主钢结构外挑桁架下端, 坐落于支撑桁架上表面。由于桁架的下挠变形, 为了保证横杆在同一水平面上, 故幕墙钢柱根据实测数据进行生产。出于工期考虑, 需将实测生产工序放至现场执行, 具体如下。

钢吊柱上端在工厂生产时均加长300mm, 并从上端头向下1 000mm处截断 (即截成1m长的1个独立单元) , 然后根据实测数据换算出与设计数据的差值ΔL。在1m长的构件下口进行切割加工处理, 切割长度为1 000-300±ΔL (当桁架上挠时+ΔL, 当桁架下挠时-ΔL) 。处理好切割坡口后重新焊接 (见图5) 。

下端在工厂生产时均加长100mm, 且在底口向上1m处截断, 其他工序工艺与上端相同。

根据本工程结构特点及其他单位移交工作面划分, 为方便施工管理, 幕墙钢吊柱施工划分4个施工区, 如图6所示。

遵循主体结构施工顺序, 各立面自中间向两侧进行延伸安装, 每面设置2支安装队伍, 4个立面同时施工。

对幕墙各组钢吊柱的参数进行统计, 通过稳定性分析选用起重机规格, 幕墙吊柱上部存在超出结构面的挑檐, 故选用起重机时需同时考虑起重量和起重高度2个条件。根据现场实际情况进行吊距和起重分析, 校核每个面钢吊柱吊距与吊装高度变化对履带式起重机的大臂长度需求, 最终选用180t履带式起重机固定在大臂52m处, 理论起重量有20%～30%保险系数。

吊柱上檐口有钢结构挑檐结构 (呈半月状) , 向外延伸吊柱安装轴线5～20m。不能采用传统自上而下的就位方式安装。现场采用180t履带式起重机从侧面塞入进行安装。

由于吊柱采用倾斜塞入的方式安装, 所以吊耳在保证安全的情况下需采取不平衡布置, 并保证起吊后柱顶高度高于起重机顶部高度。同时构件起吊后需要在空中呈60°～70°的水平夹角, 并且空中任意2根钢丝绳间的夹角须≤60°。根据构件长度分析, 吊耳位置设置如下: (1) 当L≤35 000mm时, 吊耳设置在构件重心两侧各6 000mm处; (2) 当L>35 000mm时, 吊耳设置在构件重心两侧各8 000mm处。因运输条件限制, 吊耳须在现场进行焊接、安装。

根据测量时的定位线, 在吊柱底侧的端部焊接1块定位板并装上一侧的耳板加筋板, 当钢吊柱紧贴定位板时即代表钢柱在前后方向已经到位, 左右方向通过手拉葫芦进行调节。过程中使用2台经纬仪检测控制钢柱垂直度。钢吊柱就位调校后临时点焊固定, 然后测量销轴孔到底面的实际尺寸, 根据测量数据放样切割耳板然后安装就位, 穿上销轴后再进行焊接 (见图7) 。

西安丝绸之路国际会展中心项目幕墙钢吊柱主体荷载发生变化, 钢吊柱的变形也发生变化, 最终采用结构分析软件SAP2000进行施工步仿真模拟, 计算出每根钢吊柱位置处的主体结构沉降量, 然后结合沉降量制定钢吊柱加工方案, 最后结合现场施工安装工艺, 解决钢吊柱变形的不可控技术难题, 并在施工条件受到制约的情况下, 利用履带式起重机和吊篮将钢吊柱顺利安装, 且整体结构变形仍在设计时考虑的沉降变形许可范围内, 同时大大减少了人工投入和材料浪费。