超长大截面型钢混凝土斜柱施工创新技术

在有限场地下尽可能地实现建筑面积最大化是建筑设计者一直以来追求的设计理念之一。在建筑设计上采用上放下收的建筑造型，即考虑在首层设计时通过借用城市道路，满足消防环路需求，而上部最大限度向外延伸的建筑设计，充分利用上部临空空间，以达到节约土地、综合利用城市设施的目的。为了实现建筑设计“上放下收”的造型效果，通常在结构设计上采用传力良好的型钢混凝土斜柱转换体系。通过设置斜交转换柱与上下层框支柱相连，使结构受力传递比较明确，减小了梁的剪力，大幅降低梁的剪压比；使斜交转换柱承受竖向荷载的同时承受水平力，成为重要的抗侧力构件，有利于结构抗震。因此，研究型钢混凝土斜柱浇筑技术，对确保实现工程高质量水平尤为重要。

1?工程概况

某大学教学科研楼等4项东南区综合楼、集体宿舍楼项目总建筑面积10.259万m2，建筑物最高点81?m，地下3层。其中某教学科研楼单体工程，地上18层，总建筑面积6.6万m 2 ，地上建筑面积4.8万m 2 ，地下面积1.8万m 2 ，整体采用钢筋混凝土框架－核心筒剪力墙结构。

为了充分利用中关村南大街一侧上部的建筑空间，在某大学教学科研楼东侧借用首层地面城市道路作为项目的消防环路，而上部向道路一侧延伸。为了实现上下部不垂直贯通，在结构上通过2层以下的独立柱内退，并利用3~5层高度做1∶6斜柱，形成2层与6层之间的下竖向结构连接，斜柱总长度达17.6?m。

其中斜柱及其相邻框架柱和拉梁抗震等级为特一级，结构安全性要求极高。3~5层中每层每排6根大截面尺寸的斜柱，斜柱1?200?mm×1?200?mm，内置十字形型钢柱600?mm×600?mm×40?mm×40?mm，材质Q345GJC，型钢斜柱通过型钢斜梁与内部核心筒剪力墙结构形成有效的拉结，避免了竖向构件不连续，采取加强措施避免结构超限现象。

2?型钢混凝土斜柱施工技术难点

型钢混凝土斜柱的浇筑施工作业工序是斜柱施工过程中的关键环节，也是保证混凝土施工质量的最后环节。综合考虑斜柱因本身大截面和超长的异型、柱内包十字形型钢、加劲板及抗剪栓钉及焊接钢筋套筒等特殊造型，在混凝土过程中主要具有以下技术难点。

型钢混凝土斜柱建筑饰面做法为木挂板饰面，属于精装区域。对斜柱混凝土结构成型后的平整度和阳角方正要求极高，要求斜柱方正，整体平整度±3?mm，满足直接装饰装修的标准。

型钢混凝土斜柱规格尺寸1?200?mm×1?200?mm，属于大截面和大体积混凝土构件。对混凝土配合比、混凝土的振捣、浇筑时间和浇筑方法有严格的技术标准要求。由于斜柱内置十字形型钢柱且型钢柱具有一定的倾斜角，配筋较多。常规的对拉螺栓式模板加固体系不适用，必须提出新的模板加固技术措施，并且技术可靠，以确保混凝土浇筑成型后的外观质量。

在型钢混凝土斜柱结构中，型钢柱与型钢梁相交，钢筋交错分布密集且节点空间布局复杂，现场钢筋的下料和钢筋安装技术难度高。钢筋安装质量差，柱底面成斜面，容易造成在斜柱内流动过程中，粗粒料易被分布密集钢筋骨架挡住，造成斜柱底部混凝土配合比严重不合理，造成严重的离析现象，影响斜柱混凝土施工质量。

斜柱内置十字形型钢结构，型钢斜柱受力主筋方向与斜柱平行。在斜柱混凝土浇筑时，振捣棒以垂直上下的操作伸入型钢混凝土斜柱内振捣，混凝土下落难度大，振捣棒难以插入或直接伸至型钢斜柱底部极其困难，易造成斜柱底部混凝土施工质量难以保证。

综上所述，按照现行的混凝土浇筑斜柱的施工工艺，在短时间内完成型钢斜柱混凝土浇筑，施工质量很难保障。

3?型钢混凝土斜柱施工创新技术应用

3.1?创新技术应用思路

对型钢混凝土斜柱浇筑施工工艺（图1）进行分析。针对型钢斜柱的型钢斜柱结构深化、钢筋深化优化设计、斜柱模板优化设计、混凝土浇筑辅助技术措施等方面。

图1?斜柱施工工艺流程

经研究总结，创新性地提出采用一种组拼扣件咬合式模板，完成模板的支设，同时在型钢斜柱结构内部创新应用一种振捣引导器，为振捣棒沿着与斜柱平行方向上下振捣的通道。严格控制大体积构件混凝土浇筑技术操作要点，有效解决型钢混凝土斜柱中模板支设难题和振捣棒难以插至底部，导致斜柱混凝土梁底部浇筑质量难以保证的技术难题。

3.2?创新技术应用实施过程

3.2.1?型钢斜柱和钢筋三维综合深化

为了使用振捣引导器顺利能插入到斜柱底部，基于BIM三维可视化技术将十字形型钢柱、栓钉，锚板和焊接的钢筋套筒，斜柱受力主筋、箍筋及拉钩在三维模型上进行统一深化优化设计。在满足设计标准的前提下，优化型钢斜柱骨架和钢筋的空间位置关系，保持箍筋对角开口，满足振捣引导器能自由从斜柱平行与斜柱方向直插到斜柱底部，以便于施工。

通过分析钢筋整体空间排布和节点钢筋交叉分层错开布置的情况，并基于BIM三维模型对交叉碰撞的型钢结构和钢筋进行优化调整，实现型钢斜柱和钢筋的最优化排布，型钢斜柱梁节点综合BIM深化效果如图2所示。

图2?型钢斜柱梁节点综合BIM三维深化效果

在十字形型钢混凝土斜柱和钢筋的三维综合的深化设计过程中，需注意以下深化技术要点。

考虑斜柱所在的3个楼层高（6.8?m、5.4?m、5.4?m）及十字形型钢每米重量和塔式起重机的起重量标准，深化设计完成每节吊装钢柱的长度，并经设计单位核算确认，实现深化优化设计要求和施工组织的进度安排相结合。

型钢斜柱和钢筋结构穿插施工，在满足施工图集和验收规范前提下，既要方便钢筋穿插安装施工，又要考虑钢筋的安装、钢筋与套筒连接和焊接作业和锚固的合理工作面，保证连接质量和施工简便。型钢柱钢筋的箍筋对角开口的调整优化，是在原设计的基础上调整钢筋的排布，必须经原设计单位结构受力核算确认。

深化优化型钢斜柱、型钢梁钢筋交叉节点位置，锚板与钢筋焊接锚固，明确钢筋伸入型钢柱锚板的焊接长度及焊接质量要求，以及钢筋与锚板上直螺纹套筒的连接质量、套丝外露的长度及外露的丝扣数量要求，特别注意钢筋直螺纹套筒的焊接位置与梁纵向受力钢筋的高度及空间位置相互协调。 型钢梁、柱节点核心区的开孔、锚板、套筒的位置应准确、合理且方便钢筋安装。

3.2.2?振捣引导器深化设计预制加工一体化

基于型钢斜柱骨架及其锚板、栓钉，钢筋套筒和钢筋的空间位置关系优化深化完成后，通过应用BIM的三维可视化技术，针对1?200?mm×1?200?mm规格的型钢斜柱，模拟钢筋的空间排布、振捣棒规格尺寸与引导器之间的规格、大小匹配关系，将振捣引导器深化设计成每根引导器由6根竖向钢丝和直径100?mm的钢圈构成，竖向钢丝通过点焊与外围钢圈牢固连接，外围钢圈直径100?mm，钢圈间距250?mm。振捣引导器安装位置及深化如图3所示。

基于BIM三维深化设计模型，导出振捣引导器材料加工明细清单，并由BIM管理技术人员向加工操作人员进行加工技术交底，突出强调振捣引导器规格尺寸、焊接点位置及焊接质量，辅助指导加工作业人 员进行工厂预制加工，保证辅助振捣器的加工质量。 加工完成，在运输装卸过程中必须保证振捣引导器横平竖直放置，放置挤压变形会影响现场的安装质量。

（a）          （b）

图3?振捣引导器安装位置及深化

（a）振捣引导器安装位置；（b）深化示意

3.2.3?型钢斜柱定位安装

基于BIM技术三维深化图，根据斜柱的1∶6倾斜比例关系以及斜柱与轴线的位置关系，依据BIM软件导出的斜柱与轴线的大样和剖面图，采用全站仪完成现场斜柱中心点就位，实现斜柱吊装的高精确定位。现场采用大型的塔式起重机将分节斜柱缓缓吊起，调整斜柱轴线位置、倾斜度，实现斜柱对接焊接，整体上实行驻厂监管、进场材料检验和进场后统一存放、现场吊装高精准的对接安装的管理流程。

3.2.4?钢筋安装与振捣引导器穿插安装

基于BIM技术的钢筋三维深化和优化模型，可视化地展示钢筋的加工成型后的特点以及自动导出具体详细的钢筋现场用量清单，实现钢筋厂外精细化集中加工，有效保证钢筋质量。型钢斜柱外圈箍筋开口方向设置在柱的两个对角。

在振捣引导器安装前，必须检查振捣引导器半成品的质量情况，对于变形和破损严重、焊接损坏部位难以修复的，严禁安装使用。

基于BIM三维型钢和钢筋的空间位置关系，在调整后的斜柱四周角部钢筋间隙内统一放置振捣引导器成品。综合考虑振捣引导器位于斜柱角筋、最外圈箍筋和内圈箍筋之间位置，须先完成内圈箍筋的绑扎，再将振捣引导器的临时固定在邻近的内圈箍筋 上，然后完成外圈箍筋的绑扎，并在每1次绑扎完成0.5?m高度的外圈箍筋时，及时将振捣引导器与外圈箍筋可靠固定。

对钢筋进行隐蔽工程验收时，特别检查振捣引导器的施工质量，可先借助机电专业的预埋的塑料管在振捣器内进行上下抽插，以检验振捣引导器的安装的施工质量。若出现振捣引导器与斜柱不平行或折断等现象，须调整振捣引导器至与斜柱平行或重换。

3.2.5?型钢斜柱模板安装

根据型钢混凝土斜柱成倾斜角度的结构设计特点，难以直接采用对拉螺栓进行模板加固安装。因此，提出采用一种组拼扣件咬合式模板体系。

该体系的特点为：无须采用对拉螺栓穿型钢斜柱进行模板的紧固加固，而是通过组拼扣件之间相互咬合产生紧固受力的状态，并借助斜向落地支撑体系从侧面支撑进一步稳固，满足型钢斜柱整体模板的稳定性及可靠性。斜柱模板BIM深化和现场安装效果如图4所示。

（a）          （b）

图4?斜柱模板BIM深化和现场安装效果

（a）斜柱模板BIM深化模型；（b）现场安装效果

施工流程：板及构配件加工制作→放线定位→模板加工→组拼扣件与模板结合→模板及加固件吊装→合模→加固件咬合→安装楔形→安装完成→检查及紧固→测量垂直度→验收合格。

3.2.6?型钢斜柱混凝土浇筑及养护

运用BIM三维模型可视化特性，对型钢斜柱混凝土浇筑顺序和施工注意要点进行模拟动态演示，特别是对振捣棒插入振捣引导器的操作要点进行详细的模拟研究分析。

采用三段分层浇筑，使斜柱的模板在混凝土浇筑过程中支撑体系受力均衡。混凝土浇筑和养护的技术要点如下。

（1）型钢斜柱浇筑的混凝土采用C60自密实预拌混凝土，结合现场施工条件，采用塔式起重机吊装料斗进行布料浇筑施工。

（2）分段浇筑时，按照预先确定的每段1?m的施工高度所需要混凝土容量倾倒混凝土，并严格控制料斗内混凝土承载量。

（3）按照事先的混凝土技术交底操作要点，将振动棒插入预先安装好的振捣引导器，快插慢拔，实现底部混凝土振捣均匀，有效避免烂根的质量 通病。

（4）严格控制斜柱混凝土振捣时间和深度，保证振捣技术操作要点合理。

（5）在浇筑斜柱混凝土过程中，必须由专人负责观察振捣引导器施工的状况，并随时观察斜柱尺

寸、位置变形以及组拼扣件的模板支撑体系的变形情况，发现问题及时检查分析原因并随时解决。

（6）在架体上进行浇筑作业，须实时监控架体的整体稳定性，以实现安全浇筑作业。

（7）拆模后及时做好斜柱阳角防护，同时加强对成型的斜柱混凝土覆膜洒水养护等工作。

3.3?混凝土施工质量效果

通过对型钢斜柱混凝土浇筑过程的精细化管控，并应用BIM技术实现斜柱混凝土浇筑的三维可视化技术交底，注意混凝土浇筑和养护的技术要点。最终混凝土内坚外美，外观斜柱方正、表面平整、尺寸准确且棱角清晰可见，实现了清水混凝土的施工质量效果，超长大截面型钢斜柱混凝土构件工程整体达到精品质量效果。

4?结束语

在超长大截面型钢混凝土斜柱中应用一种振捣引导器辅助装置和一种组拼扣件咬合式模板体系，主要具有以下几方面的技术优势。

（1）结合BIM技术，在型钢混凝土斜柱浇筑中创新性地应用一种振捣引导器辅助振捣棒完成混凝土浇筑，成功地解决了复杂异形转换层型钢混凝土斜柱底部混凝土振捣不密实的施工问题。

（2）采用一种组拼扣件咬合式模板体系，完成模板的支设，避免因采用对拉螺栓模板而造成钢结构上开洞的现象。

（3）振捣引导器在型钢斜柱混凝土施工中创新应用，也同样适用于超长超深的曲线型钢梁结构和预应力混凝土的浇筑，该技术值得大力推广和应用。