结构工程师配合施工的若干案例

结构工程师配合施工的若干案例

古今强

Kingckong按：本文发表于2013年3月《建筑结构——技术通讯》的“建闻天下”栏目

0 引言
按《建设工程勘察设计管理条例》第三十条，设计单位应当及时解决施工中出现的设计问题，设计单位有责任配合施工。在工程项目土建施工阶段，结构工程师是设计单位配合施工的主要实施者。本文收集了结构工程师配合施工的若干案例，期望读者能从中得到启发，从而更好地完成配合施工的工作。
1 结构设计的可施工性
配合施工应该从结构设计阶段就开始。结构设计的成果是结构施工图，结构工程师的构想必须经过施工过程、由施工单位建造出结构工程师想象中的实际房屋结构。在目前我国的建筑市场尚不完全规范，一定范围内存在着围标串标、非法转包、肢解发包等违规现象，施工单位水平参差不齐，施工现场大量使用不熟练的农民工。设计时结构工程师需要顾及这些现实情况，结构方案、选型和构件设计、细部构造都要兼顾施工可行性，越是容易施工，工程质量就越容易保证，越不容易出问题，这点笔者在博文[1]中已论述，下面再举个例子。
例HRB335钢筋、对梁纵筋采用HRB400钢筋。这样处理的话施工现场就存在直径相同而强度不同的两种变形钢筋，仅从外观难以分辨这两种钢筋，只有从刻在钢筋上的标号以及出厂铭牌才能区分，施工现场管理混乱的话就有可能发生混淆错用。在设计阶段施工单位还没有确定，施工单位的技术能力和管理水平如何还是个未知数，因此笔者建议对某些施工单位管理水平普遍较低的地区不要轻易这样处理。
2 设计交底
按《建设工程勘察设计管理条例》第三十条，设计单位应当在建设工程施工前，向施工单位和监理单位说明设计意图，解释设计文件。结构设计交底不能只拿着结构总说明照本宣科，应该有针对性地向施工单位重点解释结构关键部位的设计意图及新技术、新材料、新工艺的施工注意事项。

例2[2]：某地下室长94.5m，宽72.5m，底板、顶板和侧壁均采用膨胀混凝土作为应对超长地下室混凝土收缩开裂的技术措施，其中底板采用连续式膨胀加强带，但完工后出现比较严重的渗漏。调查后发现，实际施工没有按设计要求连续浇捣膨胀混凝土，而是采用后浇式膨胀加强带施工：先浇捣膨胀加强带以外的膨胀混凝土，隔数天后再浇捣膨胀加强带，而且没有在两者之间施工缝处设置钢板止水带。混凝土的膨胀只有在限制条件下才能产生预压应力，该工程没有按设计要求连续浇捣膨胀混凝土，先浇捣的大面积底板混凝土，由于缺少了相邻单元的约束而在一定程度上可以自由膨胀，预压应力的效果大打折扣，而且留下了施工缝；浇捣膨胀加强带时又麻痹大意、马虎处理，没有按后浇式膨胀加强带的要求设置钢板止水带，终于留下了渗漏的后患。事故的直接原因是施工单位没有执行设计要求，间接原因可能是结构工程师在设计交底时没有强调连续浇捣的重要性。
例3：在某工程结构标准层（图1）中，3C轴处梁悬挑达3.5m，为了满足建筑的净空要求，在该挑梁的端部增设了连接柱，形成悬臂空腹桁架，有效地减少了结构高度、增加刚度。为免施工单位误会此部位仅是普通的框架梁柱而疏于控制施工荷载，在设计交底时对此做了针对性说明，并要求“悬挑空腹桁架的支撑系统必须在桁架所在的全部楼层混凝土达到设计强度要求后方可拆除”，避免了该部位施工荷载超出设计荷载而危及结构安全、出现施工安全隐患的风险。

图1 某工程标准层结构平面

3 试打（压、钻、挖）桩和地基验槽
这个环节是为了普遍探明基槽的土层与和特殊土情况，验证勘察报告对场地地质情况评价是否符合实际情况，检查持力层的选择是否合适，检验工程桩施工方法是否可行，判断工程桩收锤或终孔标准是否恰当。在此过程中如遇到特殊情况，应因地制宜、冷静分析，必要时补充施工勘察、甚至是修改基础设计；切忌墨守成规、固执己见，这样只会激化矛盾。
例4[3，4]：湖南某住宅小区共有37栋高层住宅，其中21#楼、22#楼和23~24#楼采用了人工挖孔灌注桩基础、以中风化灰岩为桩端持力层。开工前进行了超前钻补充勘察，发现与详勘报告对地质情况的描述出入很大，是否能按原基础方案实施存疑。为此曾在23~24#楼选2根Ф1000桩进行试挖，挖至超过20米仍未到达原设计要求的中风化岩层，施工遇到很大困难。原设计单位曾尝试按照补勘报告的设计参数将基础修改为冲（钻）孔灌注桩，仍以中风化岩为持力层。施工单位在21#楼选3根Ф800桩试冲，结果并不成功：3根桩在施工过程中都出现不同程度的塌孔现象，耗时7~15天才完成1根桩，灌注桩身混凝土充盈系数达2.1~2.7。有关各方对桩终孔原则、施工进度、工程量结算等事宜产生了很大的分歧，工程被迫停顿下来。
建设单位只好向外咨询处理方案，咨询方经研究分析认为补勘报告设计参数偏于保守后，相应补充了基桩静载试验和浅层平板载荷试验，取得了比较准确的基础设计参数提交给原设计单位。但原设计单位认为施工困难是施工单位的问题，不愿继续跟进。最后由咨询方继续基础优化设计的工作，23~24#楼仍采用人工挖孔灌注桩基础，考虑了桩侧阻力对竖向抗压承载力的贡献，变更了桩端持力层；21#楼、22#楼则充分利用了浅层地基土承载力、将原设计的冲（钻）孔灌注桩优化为筏形基础。通过基础优化设计使该工程恢复正常施工，优化设计的具体情况见文[3]和[4]。
4 对施工方案的配合
在设计阶段结构工程师注意力往往只集中在如何满足受力需要。到施工阶段施工单位更多的是考虑如何把施工图的设想变成实体。两种不同出发点的思路有时难免会有冲突。对施工单位提出的施工方案，结构工程师需要评估其结构合理性，既不能认为事不关己、一推了之，又不能一味盲目迁就、遗留结构安全隐患。
例5：图2为某工程第5层结构转换层，转换梁最大截面尺寸为1950×2200，首层至四层的层高较大。施工单位在编制转换层高支模专项施工方案时发现最大施工线荷载设计值达到137.6kN/m，觉得支模系统的施工荷载偏大，存在相当大的施工难度，向设计单位建议转换梁分两次浇筑混凝土，第一次从梁底浇筑至离板面标高800mm，第二次浇筑至板面，以便将高支模系统所需考虑的施工荷载大致减少一半。
为了配合施工，对此进行了专门的分析，用叠合梁的概念复核了施工阶段工况，确认满足要求后同意了施工单位的建议，并提出如下施工要求：1）两次浇筑的界面需要作专门处理，清除干净浮渣，用界面剂处理，植竖向短钢筋Φ16@200x200（锚入上下界面各15d）；2）对转换梁第一次浇筑部分，需要留同条件养护混凝土试块，确认强度达到设计强度70%后方可浇筑第二层；3）落实措施控制大体积混凝土内外温差不超过规范要求。

图2 某工程第五层结构转换层平面

（注：转换层下面各层均在结构平面边缘设有钢支撑以增加其层刚度，上下层刚度比满足规范要求）

5 如何处理明显违反设计意图、存在严重安全隐患的施工操作
在土建施工阶段，结构工程师经常要到施工现场参加隐蔽验收、基础验收、主体验收等，在此过程有时难免遇见野蛮施工或明显违反设计意图、存在严重安全隐患的施工操作。对这些事情该不该发表意见，下面这个案例或许能说明一点问题。
例6[5]：某厂房为单层门式刚架钢结构，建筑面积约2600平方米，填充墙为高10.8m厚180mm砖砌体，设计图纸要求“先做主体后砌筑填充墙体”，并有钢柱与填充墙的连接大样。该厂房在施工过程中突然发生填充墙倒塌事故，倒塌墙体面积约1500平方米，造成5名民工死亡，22人受伤。这是当地新中国成立以来伤亡人数最多的一次建筑工程安全事故，在社会上引起强烈反响，引起各级领导的高度重视。事故主要原因是：施工单位没有按照设计要求进行施工，既没有先安装钢柱，也没有另外加墙体支撑系统，砌起了一幅长达140m，高10.8m的大墙，而墙体（包括构造柱和圈梁）厚度仅180mm，稳定性明显不满足要求，最终导致大面积填充墙整体倒塌，酿成惨剧。事后除施工单位、监理单位受到相应处罚外，设计单位、负责该工程的注册结构工程师和具体设计人也受到处罚，处罚理由是：施工进行很长一段时间，设计人也多次到现场参加验收并签字，对如此明显违反设计意图的施工方案、存在严重安全隐患的施工流程未加制止。

有鉴于此，建议结构工程师发现存在严重安全隐患的施工操作时要向施工单位和监理单位发函要求整改，并留下签收的书面记录，不要认为这是多管闲事。如遇拒绝签收的，应视乎问题的严重程度酌情考虑向建设行政主管部门（如工程安全监督站等）反映汇报。
6 处理施工质量问题的几个案例
施工中出现的质量问题往往五花八门，很难都用同一种方式来解决，结构工程师要因地制宜，灵活处理，需要扎实的理论基础，充分了解规范条文的背景和意图。
例7[6]：折板楼梯在图3(a)中的内折角A点处于受拉区时，为避免内折角A点处混凝土开裂，通常需要将钢筋断开，如图3(a)所示。实际在实际工程中，若施工现场已按图3(b)所示把钢筋连起来，结构工程师在隐蔽验收时当然可以要求按图3(a) 返工。但对某些工期非常紧张的项目，死板地要求返工有时会引起施工单位甚至甲方代表的抵触情绪，甚至激化矛盾。在满足负弯矩承载力要求的情况下其实可以适当地变通，在图3(b)的上层钢筋与下层钢筋之间加设拉筋，拉筋应能承受纵向受拉钢筋的合力，具体计算可参照混凝土规范[7] 第9.2.12条，这样处理对工程进度影响相对小，容易被各方接受。

（a）正常配筋

（b）现场处理的配筋模式

图3 折板楼梯两种配筋模式[6]

例8：某工程地表以下3米左右是杂填土和粉质粘土，3~30m左右全部是灰色、流塑状、高压缩性的淤泥质粉质粘土，下一层土是粉质粘土，标贯击数为10击/30cm。设计采用了勘察报告建议的水泥搅拌桩复合地基，设计桩长12米，施工采用三轴搅拌机。开始施工后施工单位反映，水泥搅拌桩打到8米左右打不下去。通过对比邻近工程的勘察资料，可以断定实际地质情况与该工程勘察报告描述相同。经办的结构工程师按8米桩长复核，复合地基的地基承载力不能满足设计要求，但又找不出原因，对如何处理更是一筹莫展。他与笔者交流此事时，笔者提醒他：施工单位声称水泥搅拌桩打不下去，可能不是技术问题，而是因为单价太低，故意给甲方出难题，并建议他稍安勿躁、静观其变，先跟现场监理或甲方代表沟通摸底。后来甲方同意现场签证增加工程，施工单位声称打不下的搅拌桩又可以顺利地打下去了。这个案例充分说明，处理施工问题时思路要开阔，有时候不能仅在技术的层面钻牛角尖，还需要有一定的情商。
例9[8]：某厂房为钢筋混凝土框架，二层和天面预应力混凝土框架梁跨度16.4米，两跨，设计混凝土强度C40，采用回弹法对二层和天面预应力混凝土框架梁进行抽检，发现有3根预应力框架梁混凝土强度实测值低于设计要求，最小值为36.9Mpa。设计单位认为规范要求预应力梁的最低强度为C40，因实测强度未达到设计值C40，必须采取补强措施。最后参建各方决定采用粘碳纤维布进行加固。
在上述例9中，设计单位没有很好了解规范条文，造成了不必要的加固量。混凝土规范[7]第4.1.3条条文说明指出：“考虑到结构中混凝土的实体强度与立方体试件混凝土强度之间的差异，根据以往的经验，结合试验数据分析并参考其他国家的有关规定，对试件混凝土强度的修正系数取为0.88”。混凝土强度等级是按标准养护下立方体试件抗压强度标准值（fcuk）确定，实测混凝土强度结果属于结构中混凝土实体强度，修正为标准养护试件混凝土强度时，可除以修正系数0.88。按实测最小值36.9Mpa换算成强度等级为41.9Mpa。可见该3根梁虽然实测混凝土强度未达设计强度等级，但即使不作加固其承载力已完全满足要求，顶多考虑耐久性做适当处理即可。
例10：例5的结构转换层（图2）中多根非正交转换梁交汇于同一个梁柱节点，而且有2层甚至3层支座负筋，造成梁柱节点钢筋非常密集。施工单位采取了很多技术措施来解决混凝土浇捣的难题。在该层钢筋隐蔽验收时，有施工单位技术人员指着图4所示的梁柱节点提出：梁柱节点处多层钢筋重叠会减少了钢筋受力的有效高度，建议设计复核各转换梁支座截面的抗弯承载力是否有问题。对此进行了复核，考虑了转换梁截面抗压钢筋的贡献，再加上转换梁截面高度很大，多层钢筋重叠的不利影响相对较少，各转换梁支座截面的抗弯承载力都满足要求。

图4 钢筋密集的梁柱节点

类似图4的情况在施工现场是比较常见的。对此文献[9]提出了如图5所示的布筋解决方案，笔者认为这是一个很好的思路，值得进一步研究和推广。按混凝土规范[7]第5.2.4条，现浇楼盖和装配整体式楼盖的楼板可以作为梁的有效翼缘，与梁一起形成T形截面，把部分框架梁支座负筋放置在其有效翼缘中是合情合理的。这样布置钢筋避免了把框架梁负筋局限在梁宽范围内而造成多层钢筋重叠，从而降低了钢筋受力有效高度减少的不利影响，在梁柱节点也不会因钢筋密集而造成混凝土浇捣质量不能保证。

图5 文献[9]建议的框架梁负筋布筋方式

7 结语
在国外很多结构工程师本身具备丰富的施工经验，如英国结构工程师学会前主席John Nolan先生曾自称他本人搬过砖、打过桩[10]。而我国实行工程建设的勘察、设计和施工三个阶段的体制，分别由勘察、设计和施工等三种不同类型的单位实施，结构工程师多数是直接从学校到设计单位工作，缺乏实际施工经验。文献[11]是关于“结构工程师配合施工”难得一见的参考书，本文列举的案例只是配合施工环节中的某些侧面，期望让读者能从中吸取成功经验和失败教训，做好配合施工的工作。

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