小型化质子加速器机房结构施工技术

文/华中科技大学同济医学院附属同济医院，中建三局集团有限公司工程总承包公司 

唐洲平，黄心颖，孙同盼，林华敏，刘飞，陈芬芬，王义志，游桥

1 工程概况

华中科技大学同济医院光谷院区配套项目(质子大楼)位于武汉市东湖新技术开发区高新大道501号，南邻高新大道，西邻三环线高架。同济光谷院区配套项目(质子大楼)总建筑面积约12 500m2,包含小型化质子加速器机房(见图1)、直线加速器机房、回旋加速器机房、磁共振加速器机房、PET(CT/MR)、办公室、会议室等配套用房。

图1  质子机房平面

2 组织管理重难点

??小型化质子加速器机房需一次成型，施工难度大

作为国内首个正式运营的超小型质子中心，设计图纸和结构实体没有先例可循。机房有防辐射需要，所有机电管线及预留预埋需一次成型，无法开槽后补。使工程师、设备厂家、设计院及施工单位形成合力，共同监督施工全程，确保结构一次成型较困难。

??小型化质子加速器机房结构预埋件精度控制难

小型化质子加速器机架支架(重2.9t，尺寸为3 670mm×2 700mm×2 670mm)、治疗床(重0.74t，尺寸为3 680mm×2 000mm×500mm)必须预埋于指定位置，且每个预埋件在长、宽方向的误差≤1mm/m, 机架支架和治疗床预埋精度相对误差≤7mm。此外单个机房涉及200余个预埋套筒、预埋板(误差≤5mm),13根不规则弯曲导管(误差≤5mm),预埋精度控制难度大。小型化质子加速器机房主要预埋件如图2所示。

图2  小型化质子加速器机房主要预埋件

??小型化质子加速器机房结构精度控制难

由于旋转体系对结构垂直度精度要求为1mm/m。当高度为8.78m时，墙体普遍高度在2.0m(最厚3.35m)以上，划分施工部署及保证结构施工精度较困难。

??减小上部结构施工对已建成结构的影响难度大

质子机房为厚墙厚板，特别是顶板厚3.85m，荷载大，施工过程中，架体搭设对已建成结构影响大，从而影响预埋精度。如何采取合适的施工工艺减小对已建成结构的影响较困难。

??各专业协调施工难

如何在高密度钢筋中定位异形(Z,S形)套管的预留预埋，在超厚混凝土内(包括底板、墙板、顶板)安装与固定套管，且保证混凝土结构密实度、平整度等要求，对结构、安装等专业的配合协调管理要求高。

基于以上难点，各参建单位率先引入BIM可视化技术，通过研发结构预埋件高精度控制装置，总结结构垂直度控制方法，设计半逆作法施工工艺，保证质子机房结构顺利施工。

3  整体施工流程

本项目小型化质子加速器机房墙体最大厚度达3 350mm，墙体高度达8 530mm，顶板厚3 850mm，底板厚1 400mm。为保障施工安全和超厚混凝土的质量，结合混凝土防辐射要求，加速器机房结构分11次施工，如图3所示。

图3  整体施工流程

4  BIM可视化技术

单个质子机房结构施工前率先完成BIM建模，利用BIM可视化技术多次联合国外工程师、设备厂家、设计院及施工单位评审图纸，对结构查漏补缺，最终确定设计做法。

施工过程中，采用BIM可视化技术交底，保证施工效果。质子机房BIM三维效果如图4所示。质子机房钢结构-滑轨如图5所示。

图4  质子机房BIM三维效果

图5  质子机房钢结构-滑轨

5  钢筋及预埋件施工工艺 

5.1  底板、顶板钢筋支撑及预埋件施工

质子机房底板及顶板单次浇筑厚度>1 000mm，钢筋支撑采用?25马凳筋，高度同底板钢筋净高，间距1 000mm×1 000mm呈梅花形设置，如图6所示，图中h为板厚-(迎水面+背水面)保护层厚度-(板面+板底)钢筋厚度。

图6  钢筋支撑马凳

为保证质子机房底板及顶板预埋套筒、预埋板的加固精度，四周竖立4?25钢筋，长度同板厚，竖立钢筋焊接在板钢筋上，并设置?16水平钢筋焊接预埋套筒或预埋板。

5.2  侧墙钢筋支撑及预埋件施工

1)侧墙钢筋

由于小型化质子加速器机房墙体超厚，层高超高，为保证该墙体钢筋施工质量及混凝土保护层厚度，应在墙体钢筋施工时设置水平向、竖向钢筋定位梯子筋(见图7)。

图7  加速器墙体定位钢筋

2)侧墙套筒及钢板预埋件

为保证侧墙预埋板及套筒精度，在侧墙中预埋I16，将厂家锚点和工字钢固定在一起，设置2道竖向和1道横向工字钢，竖向工字钢在前一道工序浇筑时提前预埋，预埋深度≥500mm, 高度与预埋板及套筒水平标高位置保持一致(见图8)。

图8  侧墙套筒及预埋板预埋固定

3)侧墙导管

侧墙预埋设备套管必须采用I16(工字钢在前一道工序浇筑时提前预埋，预埋深度≥500mm)，工字钢围绕套管1周固定套管。

4)机架臂预埋件

机架臂预埋件重2 900kg，为做好固定，每个机架臂采用6根竖向18号型钢支撑架，竖向工字钢在前一道工序浇筑前预埋，为保证钢支撑架稳定性，采用12号型钢作为斜撑固定。

机械臂预埋件精度控制流程如下：机械臂预埋件底部支撑工字钢预埋→第1道侧墙混凝土浇筑→竖向工字钢切割调整→第1次焊接水平工字钢初平，短方向焊接3根→第2次焊接水平工字钢精平，短方向焊接3根，配合垫片完成平整度调整→水平位置放线→机架臂预埋件吊运安装。

5.3  治疗床高精度定位施工

为保证治疗床高精度预埋，每个质子机房前期在底板上预埋6块钢板预埋件。顶板架体拆除后，插入竖向工字钢进行预埋，第1道水平I16每个机房安装2根。

根据第1道水平工字钢安装情况，插入垫片，垫片厚度由1,2,5mm组成，通过调整垫片调节上一道梁底标高。第2道水平I16每个机房安装3根。

治疗床采用汽车式起重机从机房洞口吊装进入，落位后利用小型拖车器调节水平位置进行定位，通过全站仪弹出等中心点及治疗床边线，调整位置后将治疗床与工字钢焊接固定(焊接位置为外侧，与混凝土连接部位)，如图9所示。

图9  治疗床安装完成

5.4  治疗层和检修层结构施工

治疗层为混凝土楼板，检修层包含混凝土楼板和钢结构楼板，采用半逆作法施工工艺，先施工侧墙、后施工楼板。混凝土楼板在侧墙上提前预埋接驳器，侧墙拆模后楼板钢筋通过与接驳器连接完成受力传递。钢结构楼板提前在侧墙及顶板上完成钢板预埋，利用移动操作脚手架完成预埋板与钢结构焊接。

5.5  顶板吊装洞口

小型化质子加速器顶板预留吊装洞口，设备吊装后使用预制块完成封堵，预制块在场外进行预制。

6 模板施工工艺

6.1  质子机房侧墙模板施工

质子机房侧墙采用钢管+对拉螺栓+模板+木方加固体系。模板长边同剪力墙长边布置形式，木模板厚18mm, 背楞选用50mm×100mm木方，间距≤220mm, 沿剪力墙长边竖向布置。墙体箍筋采用?48.3×3.6双排钢管及对拉螺栓进行加固，第1排钢管至楼板高550mm, 第1～4排钢管竖向间距225mm, 上部间距450mm, 即沿墙体全高进行布置。

采用M16止水对拉螺栓，对拉螺栓水平间距450mm。止水对拉螺栓封模时在螺栓两端穿上楔形橡胶塞，螺栓拆除后用高强度等级防水水泥砂浆填坑。最底部4道对拉螺栓均加双螺帽，以防受力脱落爆模。外墙使用时每个螺栓中间焊接止水钢板，钢板与螺栓间必须满焊，不得有缝隙出现。

为防止墙体偏移，墙体外侧采用钢管斜撑支撑，间距1.5m, 内侧搭设满堂操作架支撑，以保证墙体垂直度，操作架在楼板施工前拆除，如图10,11所示。

图10  侧墙模板加固体系剖面

图11  侧墙内支撑架平面

6.2  质子机房顶板及底板模板施工

质子机房顶板及底板采用盘扣支撑架体系，小梁尺寸为50mm×100mm, 间距60mm, 主梁I12间距600mm, 立杆间距600mm×600mm, 采用60盘扣体系，木模板厚18mm, 支架步距均为上下各一步500mm、其余1 000mm。立杆自由长度≤450mm, 斜杆满布。质子机房顶板及底板支撑架体平面和剖面分别如图12所示。

图12  质子机房顶板及底板支撑架体

6.3  质子机房治疗层及检修层模板施工

机房治疗层、检修层厚度分别为200,300mm, 化质子加速器机房根据控制区和监督区的要求对机房及周围进行合理分区布局，可严防人员进入控制区内。采用48盘扣体系施工，间距900mm×900mm, 主梁采用48双钢管，次梁使用50mm×100mm木方。

7 实施效果

1)结合BIM技术，对质子机房结构(包含钢筋)、机电管线、质子设备及相关附属构件完成建模，用于设计图纸确定、现场可视化交底、材料生产制作及现场复核等工作，保证质子机房一次成型。

2)项目采用半逆作法施工工艺，率先完成顶板施工，后续插入治疗层、检修层楼板施工，避免顺作法施工顶板支撑架体导致治疗层变形，保证治疗层施工精度，便于设备安装。

3)通过内部搭设满堂架顶撑，外部搭设斜撑顶撑，并采用超厚模板等措施，保证超厚侧墙垂直度误差控制在1mm/m的精度要求。

4)先后研发治疗床定位装置、机架臂预埋件定位装置、预埋套筒定位装置以及机电管线固定方法，保证质子机房预埋件精度要求。

该小型化质子加速器机房从2021年12月15日开始插入底板施工，历经113d(跨春节),于2022年4月6日完成顶板浇筑，2022年5月15日完成检修层结构施工。经过业主、监理、厂家及第三方复核，结构垂直度及预埋件精度均满足要求。