大直径异型管桁架施工吊装技术创新.docx
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大直径异型管桁架施工吊装技术创新
大直径异型管桁架吊装技术创新
QC小组名称：
冯敬涛QC小组
单位：
河南省第一建筑工程集团有限责任公司
日期：
2017年1月
大直径异型管桁架吊装技术创新
河南省第一建筑工程集团有限责任公司冯敬涛QC小组
一、工程概况
许昌市科普教育基地工程是中轴线第二节点“科技之星”的核心建筑。
总造价6亿元，地下一层，地上三层，框架结构，总建筑面积：
72227㎡，其中钢结构2000余吨，铝板幕墙约36000㎡。
是一座融合青少年宫、科技馆、海洋馆、地下商业街及配套地下车库多功能为一体的综合性公共建设项目。
本工程质量目标：
确保中州杯，争创鲁班奖。
图1.1本工程效果图
工程建设单位:
许昌市政府投资项目代建制管理办公室
设计单位：
华东建筑设计研究院有限公司
监理单位：
河南宏业建设管理股份有限公司
施工单位：
河南省第一建筑工程集团有限责任公司
2、QC小组及小组成员简介
表2-1QC小组简介表
小组名称
冯敬涛QC小组
本次活动时间
2016年8月起至2017年1月
小组注册号
HNYJ-QC-2017-03
课题登记号
HNYJ-QCKT-2017-03
课题名称
大直径、异型管桁架吊装技术创新
活动频率
每月≥2次
QC教育时间
人均≥40小时
课题类型
创新型
小组人数
10人
制表人：
李伟玲制表时间：
2016年8月
表2-2QC小组成员简介表
姓名
性别
年龄
学历
职称
组内职务
冯敬涛
男
47
博士
教授级高级工程师
组长
韩国杰
男
50
专科
工程师
副组长
张现伟
男
38
本科
工程师
副组长
李伟玲
女
35
本科
工程师
技术负责
何晓茗
女
33
本科
工程师
质量员
周屹
女
35
本科
工程师
组员
万帅
男
32
本科
工程师
组员
郭伊超
男
33
本科
工程师
材料员
肖磊
男
33
本科
工程师
组员
陈媛捷
女
26
本科
助理工程师
组员
制表人：
陈媛捷制表时间：
2016年8月
表2-3QC小组活动进度计划
3、选题背景
本工程钢结构包括屋面钢结构、连廊钢结构和墙面钢结构，其中，连廊钢结构属于大直径异型管桁架结构，布置在三个单体之间，该部位是建筑空间造型两次扭转的位置，每个连廊有6个轴线的弯弧圆管主梁和5道次梁构成，结构分上下两层，主梁（D1400*25）随建筑轮廓造型弯弧，每个轴线的弯弧尺寸均不相同，因此，连廊钢结构是本工程制作、安装的重点、难点。
图3.1整体钢结构BIM模型图
图3.2连廊钢结构BIM模型图
小组成员通过对钢结构工程的安装方法进行调查后发现：
对规则钢结构工程且场地允许的情况下，通常采用机械一次吊装就位；对异型钢结构，在机械一次无法吊装到位的情况下，通常采用通过搭设满堂脚手架来进行辅助安装。
见工程实例图3.3和图3.4。
图3.3机械一次整体吊装就位
图3.4搭设满堂脚手架辅助吊装
小组成员为了能找到更合适的吊装方案，针对两种传统做法进行对比分析：
吊装方案
作业场地
安装机械
施工工期
经济效益
机械一次整体吊装
必须满足所使用的机械站位位置，并能满足整体钢结构一次安装就位。
能满足一次整体吊装的大吨位机械，也可以采用多台机械协同吊装。
地面拼装时间长，施工吊装时间短
机械费用高，措施费用相对较低
搭设满堂脚手架辅助吊装
受场地大小限制要求小，但场地基层必须坚固，满足架体竖向承载力要求。
由于采用脚手架辅助，可根据具体方案，灵活采用适当机械。
脚手架搭拆时间长，吊装时间由具体方案确定
人工费用高，材料租赁费用高，机械费相对低
但是，就本工程而言，一是政府工程，建设资金控制严，二是工期要求紧，质量要求严，三是连廊部分钢结构属于异型大直径管桁架结构，精度控制难度大，四是受场地限制，作业实施难度大，因此，利用传统方法无法实现实际需要，需要运用新思维选择创新吊装方法。
4、选择课题
4.1提出问题
QC小组成员通过对钢结构传统吊装方法进行对比分析，就本工程连廊钢结构吊装进行讨论，提出如下问题。
1、连廊大直径异型钢桁架吊装难度高。
工程现状：
24榀直径1400mm，跨度28米，最大安装高度28.2米，作业部位在地下室顶板上，但作业面宽度只有7米。
图4.1连廊钢结构作业面示意图
结论：
单榀桁架重量大，约38吨；地下室顶板作业，荷载控制要求严；场地狭小，吊装机械选择受局限，因此，如何正确选择科学合理的吊装方案，难度大。
2、连廊弯弧结构造型奇特，安装精度要求高。
连廊钢桁架在每一个轴线上的弯弧造型均不一样，弯弧半径最小只有R=1184mm，且弯弧半径变化大，作为幕墙龙骨的支撑点，精度要求控制在5mm以内。
图4.2J轴主梁立面布置图图4.3K轴主梁立面布置图
图4.4M轴主梁立面布置图图4.5N轴主梁立面布置图
图4.6P轴主梁立面布置图图4.7Q轴主梁立面布置图
结论：
由于每根钢桁架造型不一样，因此吊装重心及受力点位置也各不相同，在吊装过程中如何进行安装精度控制难度大。
3、结构独特，无类似工程可借鉴。
本工程连廊部位大直径异型钢桁架结构复杂、独特，是我们施工中第一次遇到，没有类似的工程施工经验可参考。
4、造价控制难度大，成本风险系数高。
由于本工程连廊部位为异型钢结构，为保证在预算范围内进行成本控制，商务部按传统做法进行成本核算如下：
（1）采用一次整体吊装法：
150吨履带吊2台×15万/月·台×1月+设备进出场费+地下室顶板加固处理（采用粘碳纤维和粘钢加固或者采用地下室顶梁板的施工部位全部进行回顶加固，其费用大约在55~65万元之间）=85~95万元。
因此，采用此法的整体安装费用在85~95万元，考虑到受场地限制，还要搭设操作平台等，费用还会增加。
（2）采用搭设满堂脚手架辅助法：
采用搭设满堂脚手架作为支撑辅助，其费用为：
70米（连廊长度）×28米（连廊宽度）×26米（安装高度）×10元/m3（搭设脚手架人工单价）×2个（东西两个连廊）＋10万元（每月脚手架租赁费）×2个月+50吨汽车吊车2台×3万元/月·台×2个月=82.96万元。
因此，采用此法的整体安装费用约82.96万元，且施工周期长，危险系数大。
结论：
经讨论分析，认为传统做法造价超出预算成本，并且过程实施中仍有增加成本的不确定因素存在。
4.2确定课题
小组成员对目前传统的吊装做法进行调查，经过上网调查、查阅相关书籍、请教相关专家，发现本工程受场地、工期等多条件限制不能采用上述方案。
针对本工程的提出的问题和现场的具体实际情况而言，还没有相对适合的吊装方法。
因此，经过研究讨论，我小组一致认为需要一种新的、能满足工程需要的大直径异型管桁架的吊装方法。
最终，确定本次QC活动的课题为“大直径异型管桁架吊装技术创新”。
五、设定目标及目标可行性分析
5.1设定目标
目标：
创新一种新的吊装方法，将吊装费用减少15万元。
表5-1QC活动目标设定一览表
目标内容
常规方法费用
目标费用
降低刚桁架吊装费用
90万元
75万元
制表人：
李伟玲时间：
2016年8月14日
制图人：
李伟玲时间：
2016年8月14日
5.2目标可行性分析
2016年8月15日，小组进行了目标可行性分析，采用传统的整体安装费用在85-95万元，考虑到受场地限制且施工周期长等因素影响，在实施的过程中仍有增加成本的不确定性因素；当采用新型的吊装方法后在胎架支撑以及支撑加固方面均能节约费用，因此目标可行。
5.2.1有利条件分析
1.本QC小组成员现场经验丰富，理论水平高，能够提出预控措施，并获得过国家级以及省市级QC小组成果奖。
2.该钢桁架施工得到了省内知名专家李天教授的指导，有利于目标值的实现。
3.通过本工程伊始，项目部就成立了BIM技术部，建立钢桁架BIM模型，进行仿真虚拟施工，为最终优化方案提供有力保证。
4.该钢桁架的施工方法得到了集团公司的大力支持。
5.2.2不利条件分析
1.钢桁架造型独特，结构复杂，没有类似工程经验可参考。
2.工作作业面狭小，吊装实施难度高。
3.在已有的主体结构面上进行吊装，荷载控制难度大。
通过以上客观分析，小组成员讨论后一致认为本次QC活动实施的难度较大，不确定因素较多，但是经过小组成员详细的策划、实施和改进，活动目标能够实现。
六、提出方案并确定最佳方案
6.1提出方案
确定目标之后，我小组成员分头行动，查找施工手册、图集、规范等寻找依据，同时通过互联网查找相关内容。
2016年8月20日，我小组成员在现场召开专题会议，运用创造性思维，借助“头脑风暴法”，对刚桁架吊装方法进行讨论，并用亲和图进行归纳：
图6-1钢桁架吊装方案亲和图
方案一：
单榀管桁架整体吊装。
由于异型管桁架造型复杂，为保证整体性拟采用150吨履带吊进行单榀桁架整体吊装，吊装示意图如下：
图6.2吊装示意图图6.3拟采用履带吊参数图
经小组讨论分析：
钢桁架为上下两层且场地狭小，杆件吨位大，杆件运输难度大，地下室结构大面积加固成本高，实现难度大。
方案二：
满堂脚手架胎架支撑，高空散装法
沿钢桁架连廊部位满搭支撑架体，吊装通道部位脚手架随着吊装同步进行搭设。
将整体连廊钢桁架分割成小单元构件，然后，用吊车将构件分件吊至空中设计位置，在支撑架体上进行拼装，拼装示意图如下：
图6.4脚手架搭设示意图图6.5拟采用碗扣式满堂脚手架实物图
该方法空中作业多，焊接质量难以保证，安全难度大，脚手架占地面积大、工期长、成本高。
方案三：
胎架支撑、分段吊装，高空组对法。
根据现场实际情况，综合钢构吊装其他方法的优点，采用成品胎架支撑，分段吊装，高空组对的方法进行吊装，即首先，对异型管桁架，进行有限元受力分析，将钢桁架分成三段，其次，在钢桁架断点位置，搭设成品支撑胎架，做为支撑点，然后，利用吊车将钢桁架分段吊装到空中支撑面上，进行焊接对接，最后，整体按照先主梁后次梁最后安装造型管，并以先下后上，由南向北顺序进行施工。
图6.6分段吊装、高空组对示意图
6.2选定方案
经过现场测试对三种方案进行对比分析。
表6－1吊装方案评估表
序号
方
案
可行性
分析
权数
组员评估
综
合
得
分
是
否
采
用
韩国杰
张现伟
何晓茗
周
屹
万帅
肖磊
郭伊超
李伟玲
陈媛捷
1
单榀管桁架整体吊装，高空逐一拼装方法。
可实施性
3
☆
☆
☆
◎
◎
◎
☆
◎
☆
104
否
经济性
3
▼
▼
◎
◎
▼
◎
▼
▼
▼
安全性
1
▼
▼
◎
◎
▼
◎
◎
▼
▼
工期
3
☆
☆
◎
◎
◎
◎
◎
☆
☆
2
胎架支撑，高空散装。
可实施性
3
◎
◎
▼
◎
▼
▼
◎
◎
◎
96
否
经济性
3
◎
◎
◎
◎
◎
◎
◎
◎
◎
安全性
1
☆
☆
◎
◎
◎
☆
◎
◎
◎
工期
3
▼
◎
◎
▼
▼
▼
◎
▼
▼
3
胎架支撑，分段吊装，高空组队法。
可实施性
3
☆
☆
☆
☆
☆
◎
☆
◎
☆
160
是
经济性
3
☆
◎
◎
☆
☆
☆
◎
☆
☆
安全性
1
☆
☆
◎
☆
☆
◎
☆
☆
☆
工期
3
☆
◎
☆
☆
◎
☆
☆
◎
☆
备注：
☆代表分值为5，◎代表分值为3，▼代表分值为1.
制表：
李伟玲时间：
2016年9月
最终大家一致认为方案3技术上可行，经济性合理，危险系数低，对吊车吨位要求灵活，充分利用现场现有场地，且符合本工程的特点，最适合本工程。
因此我们把该方案最为最优方案。
6.3方案具体化
小组成员采用系统图对方案三进行了展开分析：
表6-2解决胎架问题
方案选定
特点
分析结论
钢管脚手架
1.采用钢管搭设。
2.间距300mm，4米*4米的支撑架，布置竖向和水平向剪刀撑
3.脚手架搭设在主体结构上。
优点：
取材方便，随时搭设。
缺点：
占地面积大，搭拆时间长，不方便周转。
不可行
定型成品胎架
1.型钢及钢管制作成成品胎架。
2.下层主梁的胎架尺寸设计为2000mm×1500mm，上层胎架尺寸设计为1500mm×1500mm。
3.胎架安装在主体结构上。
优点：
占地面积小；移动方便，节省时间；结构安全。
缺点：
需要临时制作，初期时间较长。
可行
制表人：
张现伟制表时间：
2016年10月
表6-3解决结构承载力问题
方案选定
特点
分析结论
结构加固
对梁采用粘钢加固，对板采用粘炭纤维加固。
优点：
速度快
缺点：
加固面积大、造价高。
不可行
支撑回顶
采用型钢对顶板梁进行顶撑。
优点：
可准确针对支撑基座地脚位置，准确顶撑。
缺点：
搭拆耗费人工多。
可行
制表人：
李伟玲制表时间：
2016年10月
表6-4解决吊点重心控制问题
方案选定
特点
分析结论
长短钢丝绳调节
因异性管桁架断点位置不同，而形状各异，故采用长度不同的钢丝绳进行调节。
优点：
重量轻
缺点：
更换频繁，施工效率低。
不可行
倒链调节
用倒链代替钢丝绳，可随时调节长度，控制重心，调整管桁架位置。
优点：
不用频繁更换，施工效率增加。
缺点：
连接点增加，安全隐患增多。
可行
制表人：
万帅制表时间：
2016年10月
方案选定
特点
分析结论
接口外部加套管
在管与管对接口部位增设大于原管直径的套管，材质同原管道，每边宽出焊口500mm.
优点：
对管口尺寸偏差要求低，施工人员好控制。
缺点：
焊缝增多，影响美观。
不可行
加内衬管，坡口对焊
采用对接点坡口焊形式。
圆管及焊件属常规中等厚度钢板，钢材材质也是常规高强度合金钢材Q345B。
优点：
焊缝少，技术成熟。
缺点：
杆件加工尺寸要求严、焊缝等级要求高。
可行
表6-5解决管－管对接口处理问题
制表人：
肖磊制表时间：
2016年10月
表6-6解决安装精度控制的问题
方案选定
特点
分析结论
经纬仪＋水准仪控制
利用经纬仪投测轴线，用水准仪进行标高控制。
优点：
简便、快捷
缺点：
对异性结构准确定位误差大。
不可行
BIM模型＋点云扫描控制
建立空间BIM模型，利用点云扫描对杆件位置进行准确定位。
优点：
直观、精确
缺点:
对技术人员专业能力要求高。
可行
制表人：
万帅制表时间：
2016年11月
6.4确定子方案
1.地面拼装、胎架支撑，分段吊装、高空组对，先主梁后次梁最后安装造型管，并以先下后上，由南往北顺序进行施工。
2.采用型钢制作成成品胎架。
3.在胎架下部的结构梁板处采用型钢顶撑加固。
4.用倒链代替钢丝绳，可随时调节长度，控制重心，调整杆件位置。
5采用对接点坡口焊形式。
6.建立空间BIM模型，进行虚拟仿真施工模拟，利用点云扫描对杆件位置进行准确定位。
7.具体施工流程见下表
6.8钢结构吊装施工流程图
七、制定对策
通过对最佳方案的综合分析，按照“5W1H”制定对策表，如下：
表7－15W1H对策表
序号
关键环节
对策
（What）
目标
（Why）
措施
（How）
地点
（Where）
完成时间
（When）
负责人
（Who）
1
胎架形式
定制成品
胎架
下层主梁的胎架尺寸设计为2000mm×1500mm，上层胎架尺寸设计为1500mm×1500mm，方便坚固安全
上下层胎架通过转换梁连接，胎架立柱、管托横梁、转换梁的材料为I25a，胎架缀条的材料为L70×5。
工厂
2016年10月
张现伟
2
主体结构受力问题
采用支撑
回顶
确保主体结构安全，结构变形量为0.
采用25厚400*400底座，其上用I25a支撑，最后25T液压千斤顶升。
施工现场
2016年10月
李伟玲
3
吊点重心控制问题
倒链调节
对接错边3mm以内。
用倒链来，可随时调节长度，控制中心
施工现场
2016年10月
郭以超
4
管－管对接口处理问题
加内衬管，坡口对焊
坡口间隙±1mm以内。
焊接部位两侧设置有弧形支撑装置，与钢梁下半部分紧密贴合。
同时在圆管对节点设置4个限位装置，在对节点组对校正完毕后，焊接四个限位马板。
施工现场
2016年10月
陈媛捷
5
安装精度控制问题
BIM模型＋点云扫描控制
拼装单元弯曲失高达到l/1500,且不应大于10mm。
利用tekl建立钢构模型BIM模型，确定各杆件精确位置，实施过程中利用3D激光扫描，形成点云模型，实时监控。
施工现场
2016年11月
万帅
制表人：
李伟玲制表时间：
2016年9月
八、按对策表实施
8.1实施一：
解决胎架问题
8.1.1实施工作安排
实施时间
2016年10月7日起
实施地点/部位
厂家定制
实施人员
张现伟
表8-1实施一工作安排
制表人:
张现伟制表时间：
2016年10月
8.1.2实施做法
下层主梁的胎架尺寸设计为2000mm×1500mm，上层胎架尺寸设计为1500mm×1500mm，上下层胎架通过转换梁连接，胎架立柱、管托横梁、转换梁的材料为I25a，胎架缀条的材料为L70×5。
所有节点均为焊接连接，角钢焊缝高度为6mm，工字钢腹板焊缝高度应为8mm，翼缘板缝高度应为10mm。
胎架及转换梁的形式如下图所示：
图8.1胎架示意图
图8.2转换梁结构图
根据弧形梁分段的位置，在支撑胎架安装到一定高度后，根据D1400圆管的特性设置管托，管托使用10mm的钢板制作.
图8.3管托结构形势图
8.1.3实施效果检查
2016年10月27日，小组成员在对施工现场应用的24个成品胎架进行检查，胎架起到了搭拆方便、坚固安全的作用。
8.2实施二：
解决结构承载力的问题。
8.2.1实施工作安排
表8-2实施二工作安排
实施时间
2016年10月18日起
实施地点/部位
现场安装
实施人员
李伟玲
制表人：
李伟玲制表时间：
2016年10月
8.2.2实施做法
定型胎架在安装好立柱底板后，在大台阶板底部设置竖撑，竖撑截面为I25a，并设置20mm厚500×500的顶底板，并在两根竖撑之间用L70×5的角钢做拉结件，结构形式及布置位置如下所示：
图8.4台阶板下竖撑安装示意图图8.5台阶板下竖撑结构图
8.2.3实施效果检查
通过对现场实施的支撑回顶部位共计432处，共计抽查300处，发现主体结构无变形裂缝等起到了对结构的安全防护，对上部胎架有效支撑结构承载力的要求，实施效果良好。
8.3实施三：
解决吊点重心控制的问题。
8.3.1实施工作安排
表8-3实施二工作安排
实施时间
2016年10月27日起
实施地点/部位
现场安装
实施人员
李伟玲
制表人：
李伟玲制表时间：
2016年10月
8.3.2实施做法
用倒链外加钢丝绳，可随时调节长度，控制重心，使杆件处于稳定状态，确保安装位置，吊装选用四根钢丝绳，每根钢丝绳按两点受力计算，通过调整倒链拉进钢丝绳保证吊点处于构件的重心位置，钢丝绳与构件的夹角范围为45°－60°。
图8.6倒链安装现场图
8.3.3实施效果检查
通过对安装完成后的管桁架进行检查，杆件重心得到了准确控制，保证了杆件一次安装到位。
图8.7整榀桁架安装现场图
8.4实施四：
解决管－管对接口处理的问题。
8.4.1实施工作安排
表8-4实施二工作安排
实施时间
2016年10月27日起
实施地点/部位
现场安装
实施人员
李伟玲
制表人：
李伟玲制表时间：
2016年10月
8.4.2实施做法
1、连廊焊缝焊接要求：
钢管对接采用全熔透焊缝，焊缝质量等级为一极，连接形式见下图：
两等厚钢管连接
两不等厚钢管连接
图8.8圆管一级全熔透对接焊缝结构形式
2、弧形钢管梁高空安装对接节点位置，下方设置有支撑胎架。
支撑胎架不仅仅是临时结构的支撑点，胎架顶面也是对接焊接的操作平台。
焊接部位两侧设置有弧形支撑装置，与钢梁下半部分紧密贴合。
同时在圆管对节点设置4个限位装置，在对节点组对校正完毕后，焊接四个限位马板，见下图,以减少焊接过程中所产生的尺寸变形。
图8.9圆管对口位置限位马板安装示意图
3.本工程针对D1400大直径钢管，为保证焊接尺尺寸，减少焊接变形，计划采用2名焊工，每道焊接时先从①②开始，然后再从③、④开始，每道每层均按此顺序进行。
焊接过程严格按照焊接工艺指导书执行，每层厚度控制在4~5mm，每道宽度不大于12mm。
每层之间起始点一次错开100~150mm。
图8.10管管对接焊缝坡口形式图8.11圆管焊接顺序图图8.12对接焊缝示意图
4、连廊主钢梁组装焊接流程如下图
焊前准备
采用火焰加热法
焊接搭设防风雨棚
焊接焊后保温超声波探伤
8.4.3实施效果检查
（1）外观检查
本工程连廊对接焊缝为一级焊缝，需进行100％检查。
所有焊缝均进行100%外观检查。
不得存在未焊满、根部收缩、咬边、裂纹、电弧擦伤、接头不良、表面气孔、夹渣缺陷。
图8.14焊缝外观检查示意图
（2）焊缝尺寸检查
小组成员对211米对接焊缝尺寸进行全数检查，测得焊缝余高C值最大偏差为2mm,错边d最大偏差为8mm,均符合一级焊缝规定要求。
图8.15焊缝尺寸检查示意图
（3）无损检测
管桁架所有焊缝均采用超声测探伤无损检测，该检测没有发现气孔、未焊透、未融合、夹渣、裂纹等现象，均达到一级焊缝要求。
8.16无损检测设备
8.5实施五：
解决安装精度控制的问题
8.5.1实施工作安排
实施时间
2016年11月14日
实施地点/部位
现场施工
实施人员
万帅
表8-5实施三工作安排
制表人：
万帅制表时间：
2016年11月
8.5.2实施做法
1.利用tekla软件搭建钢结构BIM模型，确定各杆件精确位置，实施过程中利用3D激光扫描，形成点云模型，实施监控。
2.实施工艺流程如下：
钢结构开工前，按照可视化模拟交底，对施工重点、难点部位利用BIM模型对吊装方案进行三维演示，提前发现安装难点，模拟安装顺序
升级会员 