徐 挺 顾洪才

江苏南通三建集团股份有限公司 江苏 海门 226100

1 工程概况

背景工程位于江苏省海门市狮山路131号，建筑面积2 700 m2，结构跨度80 m，建筑高度28.1 m，单层，结构全拱分38个标准节现场拼接组装而成。主要功能为展览、会议、演出等大型活动用房，采用装配式预应力钢结构弓式结构形式（图1）。工程于2018年1月13日开工，2月8日结构完成，2月14日竣工。

图1 弓式建筑结构安装示意

2 工程特点

1）空间结构跨度大。由于结构是由若干预制钢构件（拱片、檩片）通过榫卯相互插接而形成的一个拱体，在拱片上下设置钢弦筋张拉，使其产生预应力，结构受力合理，空间结构跨度大，此种结构可安装500 m以上单跨空间结构建筑，技术国内领先，世界先进。

2）施工速度快。由于单根杆件和组合构件（拱片、檩片）均在工厂内制作完成，现场拼装，属预制装配式钢结构施工。所以结构安装施工速度快，质量有保证。一座2 000 m2的单层弓式建筑，结构安装7 d可完成。

3）建造成本低。由于结构的独特性，拱片与拱片连接和拱片与檩片连接均采用榫卯插接方式，在标准节点四角承插完成，节点现场无需焊接；结构安装始终在近地面进行，每安装一节，采用倒链葫芦或吊车提升就位，无需大型起重设备和高空脚手架；弓式钢结构属轻钢预应力结构范畴，结构自重轻，用钢量少，一般1 m2建筑面积其结构用钢量在45 kg左右，建造成本低。

4）安全度高。结构施工无需搭设高空脚手架或其他支撑，无高空作业，所有预制构件均在近地面插接安装完成，并采用多组倒链葫芦随施工进度逐渐整体提升，安全度高。

5）结构自重轻。预应力弓式钢结构的最大优点是空间受力合理，尤其是大跨度及超大跨度的预应力弓式钢结构，与其他空间钢结构相比，用钢量少，自重轻。

6）装拆简便，可重复使用。此结构安装施工是采用预制钢构件榫卯插接方式，安拆简便，既可以作为永久性建筑使用，又可以作为临时性建筑周转使用。

3 工艺原理

在工厂内采用钢预制杆件有机拼装、组合，形成预制拱片、檩片和节点体等小型结构单元，现场通过插接组装成空间结构体系。安装由若干组机械提升设备，从拱脚一端开始，将拱身整体随安装进度逐渐提升至设计高度，无需高空脚手架，整个提升过程在近地面完成[1-4]。

4 施工操作要点

施工工艺流程整体按“施工准备→基础施工→钢结构安装→其他安装→验收”进行，操作要点详述如下[5-7]。

4.1 操作过程

在具备施工条件的场地上，通过人工或机械设备将钢预制标准节点移至设计要求位置。将檩片插入标准节点左右边凸榫内，形成第1道通长檩片。将拱片插入通长檩片标准节点凸榫内，并采用倒链葫芦收紧、铁锤敲打配合，按设计要求安装到位。然后在地面上组装第2道通长檩片，用人工或机械将通长檩片提升到需要高度，承插到拱片端部凹榫内。在拱片上下安装钢弦筋，采用松紧螺栓将其绞紧，形成预应力钢弓。第1节整体拼装完成后，在一端采用倒链葫芦或起重设备将其提升到设计要求高度后搁置在距地面0.5～2.6 m高处的专用钢凳上，以此方法安装第2节、第3节……，直至安装完毕。

4.2 施工准备

4.2.1 组织准备

组建钢结构安装施工项目部，建立其管理体系，按规定配备项目部主要管理人员，持证上岗。挑选安装专业的建造师担任项目经理和参加过类似工程施工技术管理的技术人员担任本项目技术负责人，选择有类似工程业绩的钢结构安装专业队伍施工。

4.2.2 技术准备

施工前应熟悉钢结构相关的规范、规程和规定，掌握相关技术，准备施工资料，提前熟悉施工图纸，参加施工图会审，做好施工组织设计或钢结构安装施工专项方案，并准备书面技术交底资料，对参加施工专业性极强工种的管理人员和作业人员提前对其进行业务培训。参加BIM技术管理的人员应提前做好软件、标准等准备。

4.2.3 资源准备

1）人员准备。按照施工组织设计要求，提前将项目管理班子人员和钢结构安装施工作业班子人员及其他施工人员选择好，尤其对规定持证上岗的管理人员和作业人员应提前择优录用。

2）材料准备。按照施工组织设计主要材料清单表内容，尤其对使用量较多的方钢管，应按照设计要求，提前到钢厂或销售市场预订。对需用量不多的配套材料和零星部件应做市场调研并预订。对预制标准节点、檩片、拱片等在工厂加工完成的结构单元体，应从原材料选购、加工制作到半成品完成以及成品检测等每个环节均严控质量。

3）机械设备准备。对在安装过程中需要各种规格的倒链葫芦应提前准备，并进行试验使用。对在结构整体提升中使用的提升设备或移动式吊车（汽车吊）应提前办理租赁手续或购置，并进行试验使用。对在安装过程中需要的各种工机具应提前做好清点、保养和维护，尤其对搁置结构的钢凳或钢架要提前根据工程实际情况做好调直、整修和保养工作。

4）现场准备。施工前应完成“三通一平”。根据工程所在地的气候条件，对施工场地、道路做好必要的排水设施。对施工现场临时用水、用电，应按照施工要求，提前向当地有关部门申请，并落实到位。

4.3 基础施工

4.3.1 施工放线

由项目技术负责人或施工负责人组织成立项目施工放线小组，提前熟悉施工图纸，选择合适的测量仪器。采用全站仪或经纬仪对弓式建筑进行坐标定位放线，并设置控制点和控制线。采用经纬仪确定建筑内外轴线，采用水准仪确定建筑内外标高。放线完毕后，应由项目技术负责人或施工负责人组织相关专业人员进行验线，合格后方可进入下一道工序。

4.3.2 开挖基坑及基槽

按照施工图基础平、立面图尺寸放线完毕后，先施工拱两侧独立基础，后施工拱前后山墙条形基础。开挖基坑和基槽应按照GB 51004—2015《建筑地基基础工程施工规范》要求进行，并结合本工程地质现状做好基坑、基槽边坡及预留基础模板安装工作面。基坑、基槽土方开挖完毕后，应组织项目部相关人员进行验槽，合格后报项目总监组织第三方验收。

4.3.3 施工混凝土垫层

基坑、基槽开挖完毕并验收合格后应抓紧清土，施工混凝土垫层。垫层混凝土强度等级C15，厚度一般为100 mm。

4.3.4 基础绑扎钢筋

基础混凝土垫层施工完毕应进行养护，待混凝土强度符合设计要求，可实施上人弹线、绑扎钢筋等工作。绑扎钢筋应符合钢筋工程要求，其规格、型号、数量和间距应符合设计和规范要求。

4.3.5 设置预埋件

预埋件焊接在基础钢筋上，预埋件规格、型号、数量和材质要求应符合设计和规范要求，确保预埋件位置正确，连接牢固。

4.3.6 浇筑基础混凝土

在浇筑基础混凝土前，应对基础尺寸、钢筋布置和预埋件的质量进行验收，合格后方可进入浇筑混凝土环节。浇筑基础混凝土要按照GB 50104—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》要求进行，混凝土浇筑完毕后，对预埋件位置的正确性应进行复核，并做好混凝土养护。

4.4 钢结构安装

4.4.1 标准节点安装

标准节点平面尺寸，长边2.0 m，短边1.2 m。边框为方钢管焊接，节点四向为凸榫，在工厂预制。标准节点运往施工现场后妥善放置，宜平放，叠高不宜超过5层，严防因堆放不善导致构件变形或损坏。

标准节点采用人工或起重设备按设计要求正确就位，平放在作业面上。

4.4.2 檩片安装

檩片采用人工或起重设备从现场集中堆放处移往安装点，用工人将其分别插入标准节点左右凸榫内，并用倒链葫芦收紧，铁锤敲打配合，将檩片与标准节点合二为一，重复上述步骤安装，形成长檩片。

4.4.3 拱片安装

拱片采用人工或起重设备从现场集中堆放处移往安装点，用工人或起重设备将拱片提升至需要高度，将其插入长檩片标准节点凸榫内，并用倒链葫芦收紧，铁锤敲打配合，形成结构单元体（图2）。

图2 拱片安装

4.4.4 连接件安装

连接件是左拱片与右拱片连接不可缺少的连接杆，连接件有φ8 mm镀锌钢筋，两端设置螺栓，外套镀锌管，连接件安装在两拱片上部和下部的中间位置，两端采用双螺母收紧。

4.4.5 长檩片安装

在现场地面上用人工或机械将若干个标准节点与若干个檩片承插组装在一起，形成长檩片。用人工或机械将长檩片提升到需要高度，采用轻型倒链葫芦收紧，铁锤敲打配合，将长檩片标准节点凸榫与拱片端部凹榫承插至紧密结合（图3）。

4.4.6 上下弦筋安装

下弦筋设置在拱片的下部，单根长度为7.8 m，直径由计算确定，长度方向穿越3个拱片，每个拱片下部穿越6根钢弦筋，弦筋两端采用专制松紧螺栓，松紧螺栓固定在标准节点下部；上弦筋设置在标准节点中间位置，单根长度为5.2 m，直径由计算确定，长度方向穿越2个拱片，上弦筋两端固定在标准节点上部中央处。上下弦筋安装均在近地面由人工完成（图4）。

图3 长檩片安装

图4 下弦筋安装

4.4.7 剪刀筋安装

剪刀筋分上下两层，设置在前后檩片和左右拱片中间处，分别由2根钢拉筋交叉组成，钢拉筋两端设有螺栓，固定在拱片与檩片交汇处的标准节点上，通过螺栓调节，满足单元结构的松紧需求。

4.4.8 局部验收

当一节（长21.5 m，宽2.6 m）结构单元体安装完成后，应进行内部局部验收，参加验收的人员由项目质量员、施工员、材料员和工长组成。验收后应做好记录，参加验收人员应书面签字，验收合格后进入下一道安装程序。

4.4.9 结构提升

由拱片、檩片及配套附件组合成的结构单元体，通过若干组倒链葫芦或其他提升设备，将安装完成的结构单元体从近地面提升至需要高度，搁置在专用钢凳上，每安装完成一节，以相同的方法提升一次。

以单跨80 m弓式建筑为例，结构安装共提升38次（38节），每节提升高度均不同，从第1节提升0.5 m左右到最后1节提升2.6 m（图5）。

图5 整体结构提升

4.5 其他安装

4.5.1 拱脚安装

拱脚在工厂里按照设计要求预制，现场安装。在第1节结构单元体安装完成后，对该单元体拱片下部落地的方钢管端头安装上特制的钢拱脚，螺栓固定，钢拱脚坐落在基础上。

4.5.2 约束钢绳安装

约束钢绳是控制拱变形的主要构件，其直径由设计确定，长度根据拱跨大小定，约束钢绳应采用整根钢丝绳。当结构拱安装至全拱跨的2/3时需锁上第1道专用约束钢绳，控制其向外变形，约束钢绳锁点设置在长檩片的标准节点拱片与檩片交汇处，水平方向每6.5 m设置1根，到结构全拱安装近结束时须锁上第2道约束钢绳，其位置与第1道钢绳上下对齐。

4.5.3 开合轨导梁安装

在条形基础面上弹出轨导梁的平面安装轴线，按规定步骤安装轨导梁，轨导梁由2根H型钢平行组合组成，翼板对下平放在条形基础面上，翼板与预埋在基础上的连接钢板焊接。轨导梁金属材质（Q345B），H型钢高600 mm，翼板宽200 mm，2根H型钢平行设置，腹板间距500 mm，翼板间距300 mm，工厂制作或现场加工，H型钢外侧腹板增设竖向钢板加强，其间隔为1 000 mm，H型钢内侧翼板下部增设纵向水平槽钢控制条，翼板上部焊接轨导钢板（65锰钢），轨导梁安装完毕后，对其表面应做防锈处理。

弓式钢结构开合落地屋盖两侧轨导梁安装完成后，应进行轨导平行度及平整度检测验收。

4.6 验收

钢结构工程安装完毕后，应进行项目内部自检查验收，合格后报项目总监及建设单位，并准备验收资料，按验收程序进行验收。

5 质量控制措施

1）安装前，应对施工管理人员、作业人员进行有关业务培训，提出有关要求，提高相关人员的安装质量意识。

2）施工前，应编制钢结构施工专项方案，并按规定进行技术交底。

3）预应力弓式钢结构安装，其质量由杆件制作质量和现场拼装质量组成，杆件质量除工厂把关外，进入施工现场应按项目材料进场要求进行验收。

4）严格组织劳动力。弓式预应力钢结构安装施工，是一项施工技术含量较高的技术应用性工作。专业工种多，技术要求高，所以作业人员的选择尤为重要。首先要选择一家完成过类似钢结构安装的专业公司，现场组建若干个安装小组，小组中要指定一位负责人（组长），整体结构安装时要确定一位指挥长。

6 效益分析

1）施工速度快。以背景工程为例，建筑面积为2 700 m2，主跨80 m，拱高26 m，采用预应力弓式钢结构安装技术，从正式开始到结构安装完成共10 d时间。如采用钢结构桁架安装，同样从开始到完成至少需要30 d时间，按此推理，预应力弓式钢结构安装可缩短工期20 d，按同样每天投入劳动力50人，平均工价按200元计，则每天安装人工费为10 000元，机械费为1 000元，间接费为1650元，小计每天安装费用为12 650元。项目可减少安装费用12 650×20＝25.3万元。

2）用钢量少。按照工程预应力弓式钢结构建筑施工图测算，用钢量在45 kg/m2左右。如采用钢结构桁架安装，则用钢量在70 kg/m2左右。2种不同的结构，其用钢量相差25 kg/m2左右，按照当前市场价，钢材价格为4 500元/t，则差价为0.025×4 500=112.5元/m2，阳光广场建筑面积为2 700 m2，项目可节约钢材67.5 t，计30.38万元。

3）无需搭设高空脚手架所带来的直接经济效益。按照大空间钢结构传统施工方法，需搭设满堂脚手架或独立支撑脚手架进行安装施工。采用本工法组织施工，整体钢结构安装及提升均在近地面完成，无需高空脚手架，节省了脚手架费用。按施工图预算，建筑面积2 700 m2，建筑高度平均按20 m计，脚手架搭设费平均按8元/m2计算，项目可节省脚手架搭设费用2 700×20×8=43.2万元。

4）综合上述，本项目直接经济效益为98.88万元。

7 结语

弓式建筑是采用预应力钢结构技术体系建造起来的拱式建筑物。其独特的结构形式和安装方法，使超大跨度的钢结构在实际应用中变得容易实现，与其他空间钢结构建筑相比，具有结构跨度大、施工速度快、建造成本低、质量优、安全度高、自重轻、装拆简便、可重复使用、安装无需高空脚手架和大型起重设备等特点，且已取得国家多项发明专利，技术国内领先，世界先进。