1.引言
招远滨海广场项目建筑造型新颖，结构外形宛如三条金龙探入海中，设计为实现其理念，在结构主体中运用了大量的钢结构体系，既包含管桁架、钢网架，又有由钢结构和混凝土结构组合形成的型钢混凝土组合结构。由于异形结构的存在，以及项目所处滨海地区的恶劣环境，使得本项目钢结构的应用实施面临各种复杂难题，加之目前国内如此大体量运用多种钢结构形式的项目并不多见，施工经验缺乏。为确保项目成功实施，就需要通过对其多类型的异形钢结构展开技术应用研究。
2.工程概况
2.1项目简介
招远市滨海广场项目工程建设地点位于招远市辛庄镇金海路北首，总建筑面积为24069.84㎡，共分为ABCDEF六个区，基础形式为桩基承台，主体结构采用型钢混凝土组合结构，ABC区顶部设计为钢网架，由290吨钢桁架及5054平米镂空铝板组成。
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图1-工程概照
2.2项目特征及结构形式特点
本项目的主要特征是所处环境极其恶劣。项目地处濒海区域，部分结构甚至伸入海中，结构处于海风环境及海岸环境中。项目所处地区气候潮湿，雨、雪等恶劣天气持续时间较长，常年刮有大风，并伴发季节性海暴风潮。场区地貌成因类型为海蚀砂岸，地质条件差。
本项目的结构形式异常复杂。项目为观景平台，工程布局比较分散，东西范围约600m，南北范围为400m。结构整体走向为渐进“/\”式，主体结构所有轴线均为非正交。AB区至C区结构标高为递增式，C区至DEF区标高为递减式，结构竖向标高也在不断变化。
本项目结构的最大特点是同时采用了多种异形钢结构类型。一是屋顶设计为管桁架加钢网架，利用钢结构构件尺寸的灵活性构建异形屋面。二是主体结构采用了型钢混凝土组合结构，充分发挥其受力性能好、承载能力强、抗震效果佳的特性，满足结构整体抗震要求的同时实现异形建筑构造。项目共计使用H型钢1854吨，钢桁架180吨，网架110吨。
3.项目结构施工技术难点分析
结构施工技术难点大程度取决于项目特征和结构形式特点。基于这些因素，本项目结构的施工技术难点主要集中在以下几个方面。
3.1复杂环境对钢构件吊装影响大
3.1.1钢构件安装方式受限
项目地处滨海区域，地质条件差，使用大型起重设备需对地基进行加固。本项目结构呈发散布置，要想全部地面加固费用太高不现实，因此大型起重设备无法使用。起重设备选型是钢构件安装方式选择的重要考量因素，因此钢构件安装方式也随之受限。
3.1.2海风环境中型钢柱稳固措施难度加大
项目型钢柱高度高，自重大，型钢柱设立后正式梁安装前，如无有力临时稳固措施，受海风影响，钢柱容易反生偏斜，后续型钢梁安装时不易矫正，施工难度增加。严重时甚至会引发安全事故。
3.2异形结构形式对钢构件的加工及组装精度提出更高要求
3.2.1构件加工误差出现几率大且难以在现场消弭
结构的异形设计导致钢构件形状各异、尺寸不一，无法批量定制加工，需逐一复核无误后方可下料，构件加工环节容易出现制作误差。与此同时，异形结构的拼装又需要钢构件尺寸非常精确才能实现。由于钢构件禁止现场随意切割，其加工误差在现场施工中无法消弭，一旦出现必须返厂处理或重新制作。因此，构件加工制作必须控制精确。
3.2.2型钢梁高空吊装时要满足定位调整
伴随着异形结构使用，项目部分型钢梁不是规则长方形状，梁两端也不在同一标高。按照规范要求，钢梁与钢柱的连接必须采用刚性连接，这就需要钢梁正式组装前，在吊装过程中将梁两端标高调整到位。
3.2.3钢桁架组装需确保后续屋顶异面组合实现
本工程屋面由多个小单元网架组成，每个小单元均不在同一平面。单个网架的安装在底部桁架成功构建后实施，施工难度不大，难点在于通过桁架实现屋面的转折变化。中间桁架设有钢桁柱，高差的变化和平面的转折可以通过柱高予以调节，但周边一圈平面转折处桁架下部没有立柱，此部位桁架组装时空间定位难。
3.3型钢混凝土组合中型钢与混凝土交叉施工凸显
型钢混凝土组合结构的显著特点就是在普通钢筋混凝土结构中加配型钢，以实现其优化组合、优势互补。但同样由于两种结构形式一并存在，使得其交叉施工难点凸显。
3.3.1型钢腹板需提前开孔
型钢混凝土组合结构中的型钢梁、柱腹板面临钢筋穿插衔接，需开孔，其孔位开设要在构件厂家制作时一并精准加工到位。
3.3.2钢筋安装施工难度大
混凝土结构中梁柱节点本就是钢筋集中区域，加上型钢柱、梁后，构件更为密集，钢筋依次排开都比较困难，更何况构件还需相互避让和穿插衔接。加上本工程异形结构多，型钢梁、柱存在很多非正交的连接，节点处构造十分复杂，钢筋安装施工难度可想而知。
3.3.2混凝土施工质量难以保障
型钢混凝土柱内置型钢的存在将导致对拉螺栓无法实施，柱模支撑加固难度大，混凝土浇筑时易出现涨模情况。此外，组合结构构件的纵横交错和密集布置，不但极大地压缩了混凝土的浇筑和振捣空间，还会使得混凝土浇筑时内部空气难排出，形成“气囊”，混凝土的密实性不易保证。
4.技术难点应对
技术应用的研究就是针对上述难点，在结构实施的各个阶段依次充分展开，找到技术难点攻克方向并制定相应解决措施。
4.1方案优化
4.1.1钢桁架安装方案比选，优中选优
钢结构的安装工艺方式一般分为整体安装法、拼接法、和滑移法。本项目屋顶桁架体系生根于型钢混凝土结构平台，结构平台自身存在高差和截面变化，加上桁架体系也是异形多变，滑移法无法施工。所以桁架安装可选整体安装法和拼装法两种，拼装法又分散拼法和单元拼接法。因此，考虑以下三种备选安装方式。
方案一，整体安装法。选择邻近合适地面设置胎模，在胎模上将钢桁架组装焊接成型，再采用起重设备整体吊装。这种方式避免了空中拼装，但胎膜搭设工作量大，整体吊装时需要大型起重设备。此外，拼装后再就位对拼装焊接要求高，因为误差在拼装时难以发现和及时调整，而一点小误差都将导致结构节点就位不准。
方案二，散拼法。搭设脚手架，在脚手架上将单个杆件拼装成型。这种方式不需要采用大型起重设备，拼装误差可以及时发现和调整，但需要满搭脚手架。
方案三，单元拼接法。选择邻近地面设置胎膜，将桁架分成若干小单元，分段在胎膜中组装焊接成型，再分段吊装拼接成整体。这种方式介于整体安装法与散拼法之间，同时需要搭设胎膜和作业平台，但体量相对减少。小型起重设备能够满足负重要求，桁架误差也存在调整空间。技术难点是拼接吊装时的空间定位。
上文已提到，本项目中大型起重设备不适用。同时，钢桁架异形构件多，拼装时容易出现施工误差，需及时发现和调整。因此，整体安装法不适用。本工程桁架构件相对较大，也不过于零散，适宜散拼，但由于在平台周边搭设脚手架安全隐患多，所以项目最终选定单元拼接法和散拼法相结合的方式组装钢桁架。即平台中间部位的桁架采用散拼法，周圈的桁架拼装则采用单元拼接法避免在平台周圈满搭脚手架。
4.1.2运用“三角形稳定性”，选择合适桁架组装单元
三角形具有稳固、坚定、耐压特点。同时，小三角单元三角在同一平面，胎膜搭设方便，单元组装后的构件也相对较小，便于后续吊装拼接。因此本工程桁架单元拼装的单元选定为三根桁架组成的小三角单元。具体做法为，直接在结构平台上搭设胎膜拼装焊好三角形小单元，再起吊定位，搭设简易平台辅助固定，焊接固定单个角点，最后固定两个三角形单元共有的底边桁架。
4.1.3双机抬吊作业，保障型钢梁吊装拼接
项目型钢梁跨度大、自重大，且存在梁端标高不一致的情况，单台吊机难以在钢梁吊装过程中促成梁端高差实现。通过分析比对，项目采用双机抬吊作业方式予以解决这一问题，即两台起重设备共同作业，通过调节两台吊机的吊点高度实现梁两端高差。本项目是多层结构，总高度不高，但结构发散，为减少吊装阻碍，型钢梁吊装顺序为从中间到四周对称起吊安装。
双机抬吊作业需特别关注的是，两台起重设备宜保持型号一致，便于做到起重设备运转速度一致。分配给单台起重设备的机的重量不得高于其允许起重量的80%，构件总重量不得超过两台起重设备额定起重量总和的75%。抬吊时应先行组织试抬，确保各操作者配合默契，动作协调。
4.2设计优化
4.2.1细致梳理，优化型钢混凝土节点构造
型钢混凝土中型钢可适当开孔供钢筋穿过，但型钢腹板上的开孔有限制要求，不能随意开设。孔位宜设置在剪力较小的截面附近，不能开在钢柱、梁的翼缘，且开孔影响面不能超过腹板面积的75%。节点处钢筋密集，不是所有的贯通钢筋都可以通过型钢开孔解决。同时，部分钢筋到节点锚固而非贯通，如全采用弯折锚固会使得节点处构件更加密集，甚至排布不开。项目在细致研究型钢梁柱节点图纸后，提出三种节点优化方式。
一是设计柱帽扩大节点空间。节点构件密集，如能适当加大节点空间，将极大缓解构件穿插衔接难题。通过与设计沟通，本项目型钢柱顶端全部加设了柱帽以增加节点处施工操作空间。
二是优化梁纵向钢筋设计及布置。型钢梁底部因要满足受力，设计的钢筋较多，钢筋布置时有间隔要求，原设计的单排钢筋几乎布满了梁底截面。为规避这一情形，经设计同意，型钢梁受力钢筋由单排变为了双排，成功实现了钢筋空间转移避让。同时，采用钢筋等面积代换和等强度代换方式适当调整部分型钢单根钢筋截面，以减少钢筋数量。以WLK12为例，原设计梁底部为12根20的三级钢，设计优化后变为7根25的四级钢。
优化后钢筋设计抗拉强度=7×435N/mm2×3.14×12.5mm×12.5mm=1494KN
优化前钢筋设计抗拉强度=12×360N/mm2×3.14×10mm×10mm=1356KN
1494KN ＞ 1356KN，经验算满足钢筋等强度代换要求。
三是采用加焊钢筋连接器、加焊钢筋连接板、钢筋加腋错开等方式并以钢筋贯通方式减少钢筋的穿孔以及弯折锚固，简化节点构造。梁的贯通钢筋优先考虑通过穿孔和钢筋加腋避开方式保证钢筋的连续，排布不开后再考虑在型钢柱上加焊钢筋连接器实施连接。柱梁伸到节点处的锚固钢筋分批量的焊接到型钢上加焊的钢筋连接板上。
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图2-节点钢筋处理形式
4.2.2运用BIM技术，完善钢构件深化设计
钢构件施工一般需要进行二次深化设计，为确保构件加工精确，需要做到深化设计与现场施工相结合。本项目钢构件种类繁多，有桁架杆件、网架杆件，还有型钢混凝土中型钢构件，因此钢构件二次深化设计有两个核心要点，一是修正杆件尺寸，二是获取型钢构件开孔位置的准确数据。
为修正构件尺寸，项目运用BIM技术对型钢骨架和钢结构体系进行三维建模，模拟现场拼装，通过仿真模型反推型钢柱、梁及钢桁架的相对坐标，再根据相对坐标精确计算，复核构件尺寸并予以编码下料。
对于型钢混凝土中的型钢而言，还需进行腹板开孔。原结构设计图纸中只标注了型钢构件的位置、规格、尺寸，缺失细部开孔构造详示，这就需要施工方自行布设钢腹板上钢筋穿孔位置。型钢柱、梁中间段开孔位置推算比较简单，但节点处构造复杂，钢筋要同时穿过型钢梁柱，又需交叉避让，二维演算难以真实展现节点处交叉穿插关系，无法满足加工要求。为准确获得穿孔位置数据，项目再次运用BIM技术构建节点详图。对型钢梁柱节点进行建模，将节点处构件和穿插关系立体呈现，模拟钢筋穿孔，调整钢筋与型钢梁柱型的位置关系，绘制钢筋穿孔及节点补强大样图。
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图3-仿真建模
4.2.3方柱变圆柱，巧用抱箍强化模板支撑
原设计中型钢柱有两种形式，一是圆柱，二是方柱。圆柱的圆形模板本身比板形模板刚度大，同时圆形模板可以采用抱箍措施代替对拉螺栓作为柱侧模的支撑加固措施，很好的避免了方柱模板支撑加固难题。因此，本项目的型钢柱截面形式全部优化成圆形，实施过程中又通过计算合理增加抱箍数量强化柱模板支撑。
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图4-圆形柱模
4.3工艺优化
4.3.1采用数控加工，确保钢构件制作精准
运用BIM技术建模深化钢构件设计是构件精准加工的第一步，图纸有效转化为实体构件则依赖于加工制作。为保证第二步骤的精确，构件加工时采用了数字化加工设备下料制作。
4.3.2研制柱脚定位装置，解决型钢柱脚施工难题
型钢柱的设立是型钢骨架体系的基础工序，其安装精准与否尤为重要。型钢柱的柱脚一般采用埋入式柱脚，传统施工时，柱脚安装预留的凹槽用木模支设，混凝土浇筑过程中容易出现碰撞及挤压变形。同时，柱脚基底混凝土的平整度和标高不易精确控制，后续薄层修补等方式的施工质量也难以有效保证，进而会影响型钢柱的轴线定位、标高及垂直度。
项目在施工过程中研制出“型钢柱预埋螺栓简便定位钢模”代替传统木模用于型钢地脚螺栓安装。装置具体如下图，其特点是，套上简便定位钢模，柱脚预埋螺栓整体性显著加强，定位安设调整好后受混凝土浇筑影响小，不易发生挤压和偏位现象。同时，钢模还可以作为混凝土浇筑的顶模，保障下部混凝土的密实和平整。该装置操作简便，易于拆除，并能多次周转使用。该装置在使用中要注意的是：在型钢柱脚混凝土浇筑前，应对柱脚底钢板进行再次定位复核；钢柱安装前，拆除钢模后，要将螺纹清理干净，并对损伤的螺栓要进行修复。
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图5-型钢柱预埋螺栓简便定位钢模
4.4措施优化
4.4.1构建临时连接体系，强化型钢柱稳固措施
型钢柱安设是型钢骨架构建的关键工序，后续梁安装要以其为基准，正式梁安装之前如何保证型钢柱的稳固是确保施工安全的基础，也是后续正式梁精确组装的前提。本项目单根型钢柱体型大，加之海风频发，仅采用常规的缆绳和斜撑措施很难维持柱不发生偏斜。因此实施过程中，型钢柱安装时需加设临时钢连系梁。同时，为充分发挥临时连系梁的稳固效能，选取在垂直投影面成三角形状的三颗型钢柱作为最小基础单元，角点的柱同时安装，用斜拉和斜撑方式初步立柱完成后用临时钢梁相互连接，临时钢梁在水平面上连成三角形。后续立柱的选择要保证其与已安装单元中两颗柱的垂直投影仍为三角形，依次类推。
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图6-型钢柱稳固措施示意图
4.4.2开设通气孔，增设附着振捣器
为避免型钢混凝土柱砼浇筑时形成“气囊”，项目在采取调整混凝土配比并适当掺加外加剂让混凝土具备良好流动性和一定自密实性方式的同时，还制定了二种特殊混凝土浇筑措施。一是在型钢柱加劲板处开始通气孔，并实行二次浇筑。二是在模板外部增设附着式震动器加强振捣效果。做法要点有：加劲板每隔50cm左右开一个直径10cm左右的通气孔；混凝土“二次浇注”时，先于一侧浇注并振捣，直至排气孔中有混凝土上冒出浆后停滞振捣，再从另一侧浇注混凝土并振捣，直至混凝土浇满冒浆。
4.4.3三维转二维，解决桁架空间定位难题
钢构件空间定位难在三维定点，但三维可以转化为两组二维。桁架单元吊装拼接前，在CAD图纸中找到桁架单元三个角节点的平面坐标，并计算出其相对于平台的竖向标高，拼装时，先平台上测放定出节点投影点的坐标并连出杆件的投影中心线，再通过测设仪器向上引出接节点的竖向相对坐标。过程中用扁担起吊法调整杆件位置，就位后搭设辅助平台予以固定。后续组装时持续保持观测，及时纠偏。
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图7-桁架单元吊装
5.结语
招远滨海广场项目通过对其大体量运用的多类型异形钢结构施工展开技术研究，采用方案优化、设计优化、工艺优化和措施优化四个优化手段，成功克服了结构施工面临的恶劣环境影响和诸多复杂施工技术难题，确保了项目的成功实施，也为类似项目提供了相应参考。型钢混凝土组合结构和钢结构因其优点适宜多样化设计，有着广泛应用前景，随着应用在不同的建筑结构当中，实际施工会面临着不同的技术难题，这都需要建设者们共同研究和总结，积累更多的经验。
参 考 文 献
[1]型钢混凝土组合技术规程 （JGJ138-2001）
[2]钢结构施工技术规范 （GB50755-2012）
[3]王瑞乐 型钢混凝土组合结构施工技术研究 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 2014
[4]孙立 易超 浅谈型钢柱节点深化 《建筑知识》 2015
[5]董建 浅谈异形钢结构管桁架施工方法 《城市建设理论研究》 2014（4）