北京城市副中心北投大厦工程的设计与建造

1 项目概况

北投大厦项目位于北京副中心通州区潞城镇。规划总用地面积17148m2，总建筑面积111870m2，其中地上面积53150m2，地下面积58720m2，建筑高度45m。塔楼地上10层，地上2层，地下4层。建筑主要功能为办公、商业、餐饮、配套服务设施等。地下为钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，地上为钢框架-BRB支撑结构体系。局部支撑设置吸能屈曲支撑，结构顶部设置单层钢拱壳屋盖。

为了营造良好的自然采光和舒适的办公空间，地上四层呈“U”型布置，16根内倾钢柱由下而上逐渐向中庭中心倾斜，内倾角为5.83°。倾斜柱周围的面板边缘也向外延伸，形成带有天窗的中庭，可实现充分的自然采光，提高用户的舒适度（图1）。

图1 中庭斜柱

主楼中部1/D~1/K轴线与1/2~1/8轴线相交，2~4号柱段设置16根内倾钢柱，倾斜角度约5.83°，倾斜钢柱竖向总高35.2m。考虑运输及现场安装，分3段深化，从第4层开始，倾斜角度5.83°。最长柱段长13.22m，重6.23t，截面尺寸为600mm×600mm×20mm。

2 内斜柱的特点及难点

本项目庭院内共有16根斜钢柱，从第二根柱子开始向顶部倾斜，向内倾斜角度约5.83°，斜钢柱总竖高35.2m。斜柱间的定位测量对倾斜状态下构造柱的精准定位要求较高。当结构处于倾斜状态时，采用合理的临时固定方式对保证结构的安全也非常重要。

由于结构处于轻微倾斜状态，在自重作用下会发生变形，安装后对其变形的控制要求较高。

3 创新技术原理

根据建筑高度，本工程在纵深设计中分为四段吊装，从柱第二节开始吊装至柱第四节顶部。地面安装爬梯、防坠器、防风绳等。通过合理设置吊点，吊装后能快速达到安装角度，并能快速脱钩安装及塔吊。内倾钢柱吊点共计3处，其中柱顶部吊点2处，柱底部吊点1处。柱底部吊点之间设置手摇卷扬机调整钢柱姿态，方便钢柱定位。塔吊钩挂后缓慢移动至钢柱下节顶部，悬停约200mm，吊装人员拉动卷扬机对钢柱进行第一次空间姿态调整，直至倾斜角度满足设计要求。 立柱上下节装配完毕后，用全站仪检定，用手摇绞盘进行精确姿态调整，准确定位后用卡板临时固定，焊缝打底后拆除挂钩。

4.内倾钢柱安装工艺

（1）详细设计。本工程钢结构详细设计采用TEKLA软件。钢结构详细设计对钢结构制作安装的工期、质量、造价影响较大，需结合塔吊型号、构件分段重量、平面布置等。详细设计分为四节开始吊装，从第二节柱开始向内倾斜直至第四节柱顶。第二、三节柱涉及三层范围内的钢梁，第四节柱涉及两层范围内的钢梁。

（2）准备工作。核对构件编号，确保安装、定位无误。清理钢柱表面杂物、铁锈，检查钢柱几何尺寸、油漆完整度，如有变形、油漆破损，应在吊装前及时进行校正、修补。钢柱吊装采用柱顶两点吊装法结合柱底单点吊装法，根据构件重量选择合适的钢丝绳，相邻两绳夹角不大于60°。钢柱吊装前，在钢柱上安装软梯、防坠器。在柱顶附近不影响作业的地方悬挂电缆风绳等装置。绑扎钢丝绳后，提起吊钩，安装钢柱定位板，将定位板用螺栓固定在钢柱上，吊装到位。

（3）起重机吊装。根据构件最大起吊距离和吊距，选用STT293塔吊进行吊装，最大起重量11t，满足斜柱构件最大起重量7.4t。根据钢柱重量及连接板型式确定扣件类型。采用吊装方式吊装。吊钩升起的同时调整柱姿态，使柱底离地面保持40~60cm，吊臂缓慢旋转。

（4）测量定位。根据钢柱布置图，技术部提交钢柱定位坐标。钢柱安装时，利用全站仪精确定位。复测下柱底部定位坐标，将钢柱安装轴线及标高投影到下柱顶部。满足安装精度要求后，吊装钢柱。

从第二节柱开始，安装时通过钢柱两端的连线进行水平定位，用两台全站仪观测柱身两个互相垂直方向的垂直定位线，保证钢柱的垂直度。然后用手持测距仪验证柱间距。从第三节柱开始，安装涉及斜柱的定位控制。三点吊装缓慢就位后，塔吊缓慢吊钩至距钢柱下端约200mm处。吊装人员拉动手摇绞车调整钢柱角度，做初始姿态调整，使构造柱略向中庭倾斜。同时，塔吊缓慢放下吊钩，使钢柱下端接触柱下节上的托板。接触完成后，用全站仪精确测量标高和垂直度，测量钢柱节四条边线中心点的坐标。 测量数据如表1所示。

表1 钢柱截面4条边线中心点坐标测量数据

从表1可以看出，三节立柱的柱底座z方向坐标偏差仍然过大，测量值高于标准值，说明上部立柱一侧倾斜，与下部立柱姿态不一致，不符合标准要求。因此，在立柱下端，工人慢慢拉下提升机导链进行精密调平，使结构稍微向后倾斜，确保上下立柱完全贴合，然后使用全站仪进行第二次复测。测量数据如表2所示。

表2 第二次复测数据

从表2可以看出，三节柱的柱底偏差有所减小，均符合3mm以内的标准偏差，说明手动葫芦对柱的倾斜有调节作用，通过拉动手动葫芦使结构与下部柱子向后贴合，提高了测量精度。

（5）固定措施。分段安装地上钢柱时，经二次测量校核后，将柱的上、下节沿柱倾斜方向分别装在相应的安装耳板上后，连接临时连接板。连接板与安装耳板用安装螺栓固定。在钢柱对接焊缝至少完成1/3后，将塔吊脱钩，起重人员通过爬梯拆除起重钢丝绳。

同时，为防止内斜柱在自重作用下发生较大变形，采用缆风绳沿倾覆力矩反方向进行固定。临时固定后，迅速将钢结构斜柱与周边钢梁连成整体，并在上下柱节连接处进行焊缝填充覆盖处理，直至满足设计及相关规范要求。

5 内倾钢柱质量控制要点

（1）测量定位保证。第一柱节安装完毕后，用经纬仪检查第一柱节顶部垂线中点，并与柱底对应侧中心点数据对比，控制第一柱节垂直偏差。从第二柱节以上，涉及斜柱安装。用经纬仪在垂直方向检查三根柱顶垂线中点。柱顶依靠手摇绞车控制偏差，进行初调和精调，并用拉绳辅助固定。

（2）临时措施保证。在钢柱的倾斜方向，也就是主力方向，采用临时定位板和两侧的夹板，在钢柱的次力方向不能安装夹板和连接板，防止构造柱在主力方向受力过大，采用螺栓固定。钢柱对接焊缝至少焊接至设计高度的1/3，并进行焊缝打底漆。打底漆完成后，即可脱钩塔吊。塔吊脱钩后，斜柱在自身弯矩作用下会产生微小变形。在斜柱的主力方向用缆风绳固定，约束其变形。临时固定后，快速与周围的梁板结构连接，可为斜柱提供侧向支撑。然后进行钢结构上下段的两次焊接，包括焊缝的填充和覆盖。

（3）焊接质量保证。为防止焊接变形产生的残余应力对结构造成影响，焊接时两侧均先对称焊接，再对另两对称侧进行焊接。必须保证分层分焊，包括打底、填充、盖面等工序。柱连接处的坡口焊缝必须经检查合格后，方可吊装前一柱，以保证结构质量。现场焊接前，应事先研究构件的安装偏差方向。焊接过程中，应重新测量倾斜柱的标高和垂直度。如焊接变形过大，应及时调整焊接顺序。

6 内倾钢柱安全防护措施

（1）安装钢构件时，应采用钢梯、吊篮、平台等梯子或操作平台，设计应轻便、可靠、实用，制作、焊接应牢固，经检查合格，并按要求正确使用。

（2）考虑构件截面尺寸及焊接位置。本工程外框柱操作平台均采用工具式操作平台，操作平台宽度2500mm，高度1500mm，底部铺4mm厚花纹钢板，设踢脚板（彩钢板），踢脚板高度200mm，刷警示漆。外框柱与节点连接处采用C型焊接操作平台（图2），C型平台与独立管上方平台采用M12螺栓连接，便于安装、拆卸。平台龙骨采用L75×5角钢，平台栏杆采用□30×2.5mm方管，平台覆4mm花纹钢板。安装时预留的人孔位置应与固定在钢柱上的钢梯位置相对应，方便人员上下。

图2 操作平台

（3）吊运构件时，应保证水平，起吊钩应在重心正上方。吊钩升起后，构件不应前后左右摆动，构件吊点应牢固，无滑落。吊钩起吊由地面人员指挥，吊钩放下前应看清位置，将构件摆正，吊钩应缓慢放下。吊钩完全放下后，钢丝绳不受力，方可靠近钢丝绳撤除。撤除钢丝绳时，不允许用吊钩直接拉拽，避免钢丝绳弹出伤人。

7 结论

内倾钢结构斜柱采用手动卷扬机三点吊装，相较于传统两点吊装，通过手动卷扬机进行初步精准的姿态调整，方便内倾钢结构斜柱的位置调整和精准安装，随后进行焊缝打底、连接夹、塔吊脱钩、电缆风绳固定，无需另设斜支撑固定，大大加快了施工进度，提高了施工效率和质量。

摘自《建筑技术》2023年6月李铁兵、王越、吴小婉、杨林、韩媛媛

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