CN112049432A - 一种基于分形理论的大跨度钢框结构组合施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分形理论的大跨度钢框结构组合施工方法，具体包括以下步骤：步骤一、±0以下结构施工，步骤二、四个核心筒外筒钢骨柱的施工，步骤三、四个核心筒内筒清水剪力墙的施工，步骤四、进行各楼层结构板的施工，步骤五、外表皮幕墙骨架施工，步骤六、对上述施工流程中进行实时力学监测。本发明既可以在保证大型装配式公共建筑施工过程中建筑结构稳定性的前提下有效地降低钢结构、钢筋混凝土结构和幕墙结构这三种体系在制作以后、安装当中各个复杂节点的施工难度，又可以在不影响工期的前提下根据不同时期施工现场的不同要求来调整交叉作业的密度以规避潜在的安全风险。

Description

一种基于分形理论的大跨度钢框结构组合施工方法

技术领域

本发明属于建筑工程施工的技术领域，更具体涉及一种基于分形理论的大跨度钢框结构组合施工方法。

背景技术

随着国家建筑现代产业化的大力推进，绿色建筑、装配式建筑等理念不断应用于公共建筑的设计当中。具体表现为现代建筑行业已实现更为复杂的建筑形态、更为多元的使用功能和更低消耗为发展路径的体系。基于以上特点，如何在施工现场有限的空间和时间内实现工厂化生产的各类构件运输到现场并进行快捷、高效、可靠的装配已经是公共建筑绿色建造的重点。而在大型公共建筑的装配式建造施工当中上述问题显得由为突出。由于大型公共建筑其建筑形态和功能的复杂要求，现有技术水平很难实现全面的装配式建造。因此，如何协调装配式预制构件和现场制作构件的高效组合，已经成为了大型公共建筑项目管理亟待解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供了一种基于分形理论的大跨度钢框结构组合施工方法，以某些大型公共建筑的建筑形态与分形理论之中的谢尔宾斯基地毯数模的契合，结合分形理论的自相似原则、迭代生成原则和分数维度的概念将钢结构、钢筋混凝土结构和幕墙结构三种体系之间的众多复杂节点实现高效、便捷、可靠的连接组合。

针对以上问题，本发明提出了一种基于分形理论的大跨度钢框结构组合施工方法，包括以下步骤：

步骤一、±0以下结构施工，包括：垫层、防水层施工，-1F钢骨柱1承台浇筑，地下室底板施工，地下室顶板施工；

步骤二、四个核心筒外筒钢骨柱(1)的施工，该钢结构主体的吊装施工，以契合谢尔宾斯基地毯分形图形的自相似分形块为单元分部进行各个楼层钢结构的定位、吊装和焊接施工；

步骤三、四个核心筒内筒清水剪力墙(2)的施工，采用钢筋清水混凝土浇筑施工，将机电套管消防栓洞口、门窗洞口进行预留，一次成型，保证了清水剪力墙(2)的结构安全和成型效果；

步骤四、进行各楼层结构板的施工，进行由每个核心筒四根钢骨柱(1)和一个内部交圈清水剪力墙(2)组成的内外核心筒之间钢筋混凝土结构板的浇筑，同时对于四个核心筒之间的连廊结构板采用混凝土楼承板(23)施工，无序搭设脚手架，直接将楼承板通过铆钉焊接在箱型钢梁(3)上，然后浇筑混凝土即可；

步骤五、外表皮幕墙骨架(5)施工，该外皮幕墙吊装施工是在根据设计完成立面外皮幕墙的钢结构骨架的定位、吊装和焊接施工后，以契合谢尔宾斯基地毯分形图形的自相似分形块为单元在地面完成符合要求的外皮幕墙块的组装后分部进行整体外表皮幕墙的定位、吊装和焊接施工；

步骤六、对上述施工流程中进行实时力学监测，围绕最终坐标与内力分布的最终设计目标，监测钢结构安装过程中不同阶段各控制截面应力和位移，并及时提交监测、分析数据至项目部，确保施工安全，结构构形与内力状态满足设计要求，确保幕墙准确就位。

进一步的，所述步骤一中，具体包括以下步骤：

(1)、进行钻孔灌注桩施工；

(2)、土方开挖至设计标高；

(3)、进行锚杆桩及10cm厚垫层混凝土施工；

(4)、在垫层上进行地下室地方防水卷材的铺设；

(5)、钢骨柱基础预埋件的定位、吊装和钢筋绑扎，并进行钢骨柱承台基础预埋件部分的混凝土浇筑，浇筑至只裸露出预埋件定位连接的螺栓；

(6)、进行-1F钢骨柱(1)承台钢筋绑扎；

(7)、完成地下室底板和-1F普通混凝土柱承台和柱身钢筋绑扎；

(8)、完成-1F钢骨柱(1)承台、普通混凝土柱和地下室底板的混凝土浇筑施工；

(9)、进行地下室钢骨梁的定位、吊装和钢筋绑扎施工和地下室顶板、普通混凝土梁的钢筋绑扎施工；并完成地下室顶板、普通混凝土梁的混凝土浇筑施工。

优选的，所述步骤二中，具体包括以下步骤：

(1)、将整个模型分为四个具有自相似的核心筒体系，每一个核心筒均有外侧的四根钢骨柱(1)和一个内部交圈清水剪力墙(2)组成的内外核心筒结构；

(2)、进行-1F四个核心筒的外筒共十六根钢骨柱(1)标准节工厂预制，现场定位、吊装和焊接施工；

(3)、进行-1F中庭各箱型钢梁(3)的定位、吊装和焊接施工；

(4)、进行1F中钢骨柱(1)标准节现场对接焊接施工；

(5)、进行1F中庭各箱型钢梁(3)的定位、吊装和焊接施工；

(6)、在2F-5F楼层重复上述施工工序，分部分单元完成主体钢结构的定位、吊装和焊接施工。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

本发明提供的施工方法既可以在保证大型装配式公共建筑施工过程中建筑结构稳定性的前提下有效地降低钢结构、钢筋混凝土结构和幕墙结构这三种体系在制作以后、安装当中各个复杂节点的施工难度，又可以在不影响工期的前提下根据不同时期施工现场的不同要求来调整交叉作业的密度以规避潜在的安全风险。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明基于分形理论的大跨度钢框结构模型示意图；

图2为本发明基于分形理论的大跨度钢框结构模型中一个内外核心筒示意图；

图3为图2中外筒中的型钢钢骨柱的整体示意图；

图4为图3中型钢钢骨柱一个标准节的现场吊装示意图；

图5为图3中型钢钢骨柱一个标准节的工厂预制安装示意图；

图6为本发明中型钢钢骨柱标准节的现场连接示意图，其中(a)为立体结构示意图；(b)为其中一个截面示意图；(c)为另一个截面示意图；

图7为图2中A部钢结构埋板预安装示意图；

图8为图2中A部钢结构埋板预水平调节示意图；

图9为图2中B部位于箱型钢梁各混凝土楼承板之间的橡胶条示意图。

图中：1-钢骨柱，2-清水剪力墙，3-箱型钢梁，4-工字钢梁，5-表皮幕墙骨架，6-1-打断主筋，6-2-贯穿主筋，7-箍筋，8-套筒，9-耳板，10-吊绳，11-定位箍筋，12-反丝套筒，13-支架，14-拉钩，15-巨型开口箍，16-焊缝，17-钢板，18-水平螺栓孔，19-螺栓，20-穿筋孔，21-埋板，22-橡胶条，23-混凝土楼承板，24-捆扎筋。

具体实施方式

参照图1-图9，本发明的基于分形理论的大跨度钢框结构组合施工方法，具体包括以下步骤：

步骤一、±0以下结构施工，包括：垫层、防水层施工，-1F钢骨柱1承台浇筑，地下室底板施工，地下室顶板施工；

步骤二、四个核心筒外筒钢骨柱1的施工，该钢结构主体的吊装施工，以契合谢尔宾斯基地毯分形图形的自相似分形块为单元分部进行各个楼层钢结构的定位、吊装和焊接施工；

步骤三、四个核心筒内筒清水剪力墙2的施工，采用钢筋清水混凝土浇筑施工，将机电套管消防栓洞口、门窗洞口进行预留，一次成型，保证了清水剪力墙2的结构安全和成型效果；

步骤四、进行各楼层结构板的施工，进行由每个核心筒四根钢骨柱1和一个内部交圈清水剪力墙2组成的内外核心筒之间钢筋混凝土结构板的浇筑，同时对于四个核心筒之间的连廊结构板采用混凝土楼承板23施工，无序搭设脚手架，直接将楼承板通过铆钉焊接在箱型钢梁3上，然后浇筑混凝土即可；

步骤五、外表皮幕墙骨架5施工，该外皮幕墙吊装施工是在根据设计完成立面外皮幕墙的钢结构骨架的定位、吊装和焊接施工后，以契合谢尔宾斯基地毯分形图形的自相似分形块为单元在地面完成符合要求的外皮幕墙块的组装后分部进行整体外表皮幕墙的定位、吊装和焊接施工；

步骤六、对上述施工流程中进行实时力学监测，围绕最终坐标与内力分布的最终设计目标，监测钢结构安装过程中不同阶段各控制截面应力和位移，并及时提交监测、分析数据至项目部，确保施工安全，结构构形与内力状态满足设计要求，确保幕墙准确就位。

具体的，所述步骤一中，具体包括以下步骤：

(1)、进行钻孔灌注桩施工；

(2)、土方开挖至设计标高；

(3)、进行锚杆桩及10cm厚垫层混凝土施工；

(4)、在垫层上进行地下室地方防水卷材的铺设；

(5)、钢骨柱基础预埋件的定位、吊装和钢筋绑扎，并进行钢骨柱承台基础预埋件部分的混凝土浇筑，浇筑至只裸露出预埋件定位连接的螺栓；

(6)、进行-1F钢骨柱(1)承台钢筋绑扎；

(7)、完成地下室底板和-1F普通混凝土柱承台和柱身钢筋绑扎；

(8)、完成-1F钢骨柱(1)承台、普通混凝土柱和地下室底板的混凝土浇筑施工；

(9)、进行地下室钢骨梁的定位、吊装和钢筋绑扎施工和地下室顶板、普通混凝土梁的钢筋绑扎施工；并完成地下室顶板、普通混凝土梁的混凝土浇筑施工。

具体的，所述步骤二中，具体包括以下步骤：

将整个模型分为四个具有自相似的核心筒体系，每一个核心筒均有外侧的四根钢骨柱1和一个内部交圈清水剪力墙2组成的内外核心筒结构；

(1)、将整个模型分为四个具有自相似的核心筒体系，每一个核心筒均有外侧的四根钢骨柱(1)和一个内部交圈清水剪力墙(2)组成的内外核心筒结构；

(2)、进行-1F四个核心筒的外筒共十六根钢骨柱(1)标准节工厂预制，现场定位、吊装和焊接施工；

(3)、进行-1F中庭各箱型钢梁(3)的定位、吊装和焊接施工；

(4)、进行1F中钢骨柱(1)标准节现场对接焊接施工；

(5)、进行1F中庭各箱型钢梁(3)的定位、吊装和焊接施工；

(6)、在2F-5F楼层重复上述施工工序，分部分单元完成主体钢结构的定位、吊装和焊接施工。

具体的，在步骤二中，四个核心筒外筒钢骨柱1的施工中钢骨柱1标准节的工厂化生产：

考虑到在传统钢筋钢骨混凝土施工过程中，当现场钢骨柱安装完成后，在层间箱型钢梁中，上下两个钢筋套筒间距已固定，且安装主钢筋时由于主筋直径过大无法弯曲，导致实际施工中只能采用上下两个钢筋分别安装在套筒上，然后采用中间绑扎搭接的方式连接造成了材料的浪费。

参照图5，本实施例中，劲性钢骨柱采用在工厂预加工模式：首先将四个的T形钢水平放置在支架13上进行对接焊接后形成整体的钢骨柱1，并在钢骨柱1两头各焊接两个耳板9，用于吊绳10的捆绑，便于后期整个构件的吊装及运输。然后根据定位位置在钢骨柱1上进行焊接下部箱型钢梁3的牛腿，此时将预制好的一定数量的闭合的八边形箍筋7从上部套入钢骨柱1中，然后定位焊接上部的箱型钢梁3的牛腿，此时上下两个箱型钢梁3之间净距已经确定，根据实际测量尺寸下料被层间箱型钢梁3节点打断主筋6-1的长度，然后采用钢筋套筒8与打断主筋6-1两头进行机械连接，使得连接后的长度正好与两个箱型钢梁3之间净距相等，然后再将连接了套筒8的打断主筋6-1放入牛腿中间进行定位焊接，焊接完成后，将之前套入钢骨柱1中的箍筋7按着设计的箍筋间距进行排布、绑扎。此时位于标准节中间部位的主筋及箍筋已安装完成，对于两头现场焊接部位，采用同样带有套筒8的主筋进行一头焊接，另一头主筋预留出计算好的长度，中间将预制好的一定数量的闭合的八边形箍筋7从上部套入钢骨柱1中并用捆扎筋24将这部分箍筋7点焊在一起，防止后期在吊装运输中箍筋的滑动。端部采用定位箍筋11进行打断主筋6-1的定位，相邻主筋端头拼接位置采用错位连接，防止应力集中。

至此全过程采用在工程流水话施工完成，成品结构为带有部分层间打断主筋6-1、箍筋7、钢骨柱1的钢骨柱标准节，极大的减少了现场装配安装的工作量，且提高了安装进度，并相比于传统的现场主筋搭接方式节省了大量的钢材。

其中，钢骨柱1标准节之间的现场安装及外侧巨形开口箍的现场施工。

参照图4，具体的，在两个相邻钢骨柱1标准节的现场拼接中，在内部的T形钢骨进行焊接后，将对头的打断主筋6-1通过反丝套筒12进行连接，然后在现场将捆扎筋24的点焊打掉，将套在钢骨柱1中的箍筋7按着设计的箍筋间距进行排布、绑扎。再将步骤二中的带有部分层间打断主筋6-1、箍筋7、钢骨柱1的标准节运输到现场进行拼装完成后，位于柱子四角的贯穿主筋6-2，采用机械套筒连接，由于最外侧箍筋直径过大，现场施工实际操作时完整闭合箍筋操作难度大，因此采用两个巨型开口箍15进行代替，在贯穿主筋6-2完成安装后，根据箍筋间距进行最外侧巨型开口箍15的绑扎，在两个巨型开口箍的搭接位置为焊缝16，采用一级焊缝对接双面焊接，在保证满足规范要求的条件下，减小了现场施工难度，节省了施工工期。

具体的，步骤三中，四个核心筒内筒清水剪力墙2的施工中涉及的钢结构埋板预安装。

与传统的型钢混泥土结构施工时预先施工混凝土结构时采用预埋式埋件施工方式不同，本实施例中，主体钢结构采用预先整体拼装后浇筑混凝土模式进行，参照图7，在施工中根据工字钢梁4的嵌入混凝土剪力墙的具体定位位置，预先将埋板21与工字钢梁4通过螺栓19进行临时固定连接，考虑到钢结构在施工过程中的变形比混凝土结构的变形大，埋板21水平定位会造成一定偏差，同时为防止后期剪力墙施工定位时由于误差原因导致的埋板突出剪力墙墙面，因此在埋板21上设置水平螺栓孔18，保证埋板21和工字钢梁4在最后焊接连接之前可以在水平方向上自由调节用于消解施工误差。参照图7，同时在埋板21的腹板中上设置有相应数量的穿筋孔20用于剪力墙水平钢筋的穿过，待剪力墙模板安装完成后，对埋板21的水平位置进行微调，调整到位后，采用一级焊缝进行将钢梁和埋板进行对接焊接，在验收满足焊接要求后，可以将用于临时固定连接的普通螺栓19进行拆除。

具体的，步骤四中，各楼层结构板的施工中混凝土楼层板23与箱型钢梁3的柔性连接；

由于在结构设计中将连廊外廓中的箱形钢梁3梁面标高和混凝土楼层板23板面标高设计为同一标高，导致在后期结构使用中会出现钢结构和混凝土材料属性的差异性在钢结构与混凝土交接处会由于热胀冷缩效应导致混凝土开裂变形，因此在实际施工中为防止此情况发生，在箱形钢梁3与混凝土楼层板23之间加装一个橡胶条22，用于缓冲由于钢结构和混凝土材料差异导致的温差变形，该橡胶条22采用一头大一头小的设计，大头嵌入夹缝内侧起抗拔作用，防止橡胶条被拔出。

综上所述，本发明提供的施工方法既可以在保证大型装配式公共建筑施工过程中建筑结构稳定性的前提下有效地降低钢结构、钢筋混凝土结构和幕墙结构这三种体系在制作以后、安装当中各个复杂节点的施工难度，又可以在不影响工期的前提下根据不同时期施工现场的不同要求来调整交叉作业的密度以规避潜在的安全风险。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解得到的变换或者替换，都应该涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (3)

1.一种基于分形理论的大跨度钢框结构组合施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、±0以下结构施工，包括：垫层、防水层施工，-1F钢骨柱1承台浇筑，地下室底板施工，地下室顶板施工；

步骤二、四个核心筒外筒钢骨柱(1)的施工，该钢结构主体的吊装施工，以契合谢尔宾斯基地毯分形图形的自相似分形块为单元分部进行各个楼层钢结构的定位、吊装和焊接施工；

步骤三、四个核心筒内筒清水剪力墙(2)的施工，采用钢筋清水混凝土浇筑施工，将机电套管消防栓洞口、门窗洞口进行预留，一次成型，保证了清水剪力墙(2)的结构安全和成型效果；

步骤四、进行各楼层结构板的施工，进行由每个核心筒四根钢骨柱(1)和一个内部交圈清水剪力墙(2)组成的内外核心筒之间钢筋混凝土结构板的浇筑，同时对于四个核心筒之间的连廊结构板采用混凝土楼承板(23)施工，无序搭设脚手架，直接将楼承板通过铆钉焊接在箱型钢梁(3)上，然后浇筑混凝土即可；

步骤五、外表皮幕墙骨架(5)施工，该外皮幕墙吊装施工是在根据设计完成立面外皮幕墙的钢结构骨架的定位、吊装和焊接施工后，以契合谢尔宾斯基地毯分形图形的自相似分形块为单元在地面完成符合要求的外皮幕墙块的组装后分部进行整体外表皮幕墙的定位、吊装和焊接施工；

步骤六、对上述施工流程中进行实时力学监测，围绕最终坐标与内力分布的最终设计目标，监测钢结构安装过程中不同阶段各控制截面应力和位移，并及时提交监测、分析数据至项目部，确保施工安全，结构构形与内力状态满足设计要求，确保幕墙准确就位。

2.根据权利要求1所述的一种基于分形理论的大跨度钢框结构组合施工方法，其特征在于：所述步骤一中，具体包括以下步骤：

(1)、进行钻孔灌注桩施工；

(2)、土方开挖至设计标高；

(3)、进行锚杆桩及10cm厚垫层混凝土施工；

(4)、在垫层上进行地下室地方防水卷材的铺设；

(5)、钢骨柱基础预埋件的定位、吊装和钢筋绑扎，并进行钢骨柱承台基础预埋件部分的混凝土浇筑，浇筑至只裸露出预埋件定位连接的螺栓；

(6)、进行-1F钢骨柱(1)承台钢筋绑扎；

(7)、完成地下室底板和-1F普通混凝土柱承台和柱身钢筋绑扎；

(8)、完成-1F钢骨柱(1)承台、普通混凝土柱和地下室底板的混凝土浇筑施工；

(9)、进行地下室钢骨梁的定位、吊装和钢筋绑扎施工和地下室顶板、普通混凝土梁的钢筋绑扎施工；并完成地下室顶板、普通混凝土梁的混凝土浇筑施工。

3.根据权利要求1所述的一种基于分形理论的大跨度钢框结构组合施工方法，其特征在于：所述步骤二中，具体包括以下步骤：

(1)、将整个模型分为四个具有自相似的核心筒体系，每一个核心筒均有外侧的四根钢骨柱(1)和一个内部交圈清水剪力墙(2)组成的内外核心筒结构；

(2)、进行-1F四个核心筒的外筒共十六根钢骨柱(1)标准节工厂预制，现场定位、吊装和焊接施工；

(3)、进行-1F中庭各箱型钢梁(3)的定位、吊装和焊接施工；

(4)、进行1F中钢骨柱(1)标准节现场对接焊接施工；

(5)、进行1F中庭各箱型钢梁(3)的定位、吊装和焊接施工；

(6)、在2F-5F楼层重复上述施工工序，分部分单元完成主体钢结构的定位、吊装和焊接施工。

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