鉆石狀異形網(wǎng)殼與大跨度桁架相結(jié)合 的鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究

上港十四區(qū)7號(hào)街坊07-01工建地塊位于長(zhǎng)江入?？?，建筑布局以地塊綜合體的形式為主，是上港集團(tuán)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的地標(biāo)板塊。音樂廳是該板塊標(biāo)志性建筑。音樂廳的設(shè)計(jì)借鑒了水晶的意象，造型優(yōu)美，寓意吉祥，形體活潑，立面通透，幕墻采用菱格劃分，以靈動(dòng)的色彩點(diǎn)綴，在日光的映照下形成水波粼粼、光影搖曳的生動(dòng)效果。1、項(xiàng)目概況上港十四區(qū)7號(hào)街坊07-01二期地塊東側(cè)鄰近上海寶山海事處和長(zhǎng)江引航中心寶山基地；南側(cè)為富錦東路；為西側(cè)為已完成的7號(hào)街坊07-01地塊一期（住宅地塊）；北側(cè)云海路。寶山音樂廳，地下2層地上3層，建筑高度26.6?m，工程量1?000?t。北側(cè)毗鄰酒店裙房，南側(cè)靠近風(fēng)塔，西側(cè)靠近辦公樓主體，辦公樓與風(fēng)塔之間為下沉式廣場(chǎng)，東側(cè)為紅線外的市政道路，工況非常復(fù)雜，場(chǎng)地狹小。音樂廳外形似“水晶”，結(jié)構(gòu)從下往上向外擴(kuò)散呈放射狀，輪廓線投影超出建筑紅線外，部分橫跨市政道路及觀景平臺(tái)（圖1）。圖1?音樂廳整體效果示意2、施工特點(diǎn)難點(diǎn)及分析（1）本工程桁架體系包括了桁架、鋼平臺(tái)、馬道、設(shè)備層、多部鋼樓梯等，多榀大跨度桁架，次構(gòu)件數(shù)量多，桿件縱橫交錯(cuò)，存在多個(gè)結(jié)構(gòu)面標(biāo)高，施工順序必須嚴(yán)格控制，同時(shí)需要多次調(diào)整腳手架滿足施工要求，施工位置下方為舞臺(tái)及看臺(tái)區(qū)域，施工難度大，保護(hù)措施要求高，鋼樓梯中包括一跑螺旋樓梯，造型復(fù)雜，加工及施工難度大。（2）本工程屋蓋網(wǎng)殼體系除立面主龍骨、主梁、網(wǎng)格梁、Y形柱等主要結(jié)構(gòu)外，還有大量的特殊構(gòu)件，如鑄鋼件、球形支座、軸承系統(tǒng)。屋蓋為空間異形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，造型復(fù)雜、呈水晶狀，從立面主龍骨向下部封邊梁外伸，再由上部封邊梁內(nèi)，需要配備大量的施工措施，以滿足屋蓋網(wǎng)殼的施工。同時(shí)，屋蓋網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)存在大量的多桿匯交相貫節(jié)點(diǎn)和造型多樣的鑄鋼件，網(wǎng)殼和Y形柱之間采用軸承連接的方式也是重要的施工環(huán)節(jié)，還有一些外露鋼結(jié)構(gòu)，為滿足造型要求及后續(xù)幕墻施工，精度控制也十分困難（圖2）。圖2?音樂廳屋蓋網(wǎng)殼模型示意2.1?施工場(chǎng)地規(guī)劃音樂廳場(chǎng)地內(nèi)外安裝工況復(fù)雜，施工機(jī)械選擇需要從安裝大局和施工成本通盤考慮。音樂廳鋼結(jié)構(gòu)包括地上大跨度桁架層鋼結(jié)構(gòu)和屋蓋網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)，音樂廳場(chǎng)地北側(cè)緊鄰已開放交通的云海路，場(chǎng)地西側(cè)緊鄰酒店施工，西南側(cè)緊鄰辦公樓施工，南側(cè)為施工中的地下下沉式廣場(chǎng)，東側(cè)緊鄰風(fēng)塔施工，鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)土建結(jié)構(gòu)出±0.000為地下室結(jié)構(gòu)混凝土頂板，桁架層結(jié)構(gòu)上弦標(biāo)高15.850?m，主要有5榀平面桁架和33榀次桁架組成，主桁架長(zhǎng)度達(dá)48?m，高3?m，最重28?t，每榀桁架由2根混凝土柱柱頂設(shè)置的球形抗震支座支撐，桁架最大跨度28?m，兩側(cè)向外懸挑最大10?m，而屋蓋空間異形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，施工難度大。為滿足音樂廳結(jié)構(gòu)安裝需要，在音樂廳內(nèi)部布置大型動(dòng)臂搭式起重機(jī)ZSL380，搭式起重機(jī)工況實(shí)行了作業(yè)范圍的全覆蓋。同時(shí)合理進(jìn)行構(gòu)件分段分塊吊裝，統(tǒng)籌安排構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)時(shí)間，減少堆放場(chǎng)地占用，提高了施工質(zhì)量。2.2?屋蓋異形網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)施工音樂廳屋蓋為空間異形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，造型復(fù)雜、呈水晶狀。為滿足造型要求及后續(xù)幕墻施工，精度要求非常高。存在大量的多桿匯交相貫節(jié)點(diǎn)和造型多樣的鑄鋼件，以及外露鋼結(jié)構(gòu)，異形網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)施工難度高。采用合理的技術(shù)路線，主要采用ZSL380塔式起重機(jī)，輔以汽車式起重機(jī)進(jìn)行施工。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，采用609支撐結(jié)合操作腳手架進(jìn)行屋蓋異形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的施工，從而確保施工的質(zhì)量和安全。采用針對(duì)性的網(wǎng)殼測(cè)量工藝，全過程三維跟蹤測(cè)量；應(yīng)用BIM模擬技術(shù)，信息化預(yù)拼裝，確保施工精度。2.3?大跨度桁架施工音樂廳的主桁架共5榀，跨度在30?m以內(nèi)，由于內(nèi)部構(gòu)造要求，不得在跨內(nèi)做臨時(shí)支撐，所有拼裝構(gòu)件均在跨外完成，屬于具有一定規(guī)模的鋼結(jié)構(gòu)施工，施工及質(zhì)量控制難度大。利用5.900?m標(biāo)高的混凝土結(jié)構(gòu)作為鋼結(jié)構(gòu)施工臨時(shí)堆場(chǎng)。合理有效地使用有限的場(chǎng)地。根據(jù)起重設(shè)備性能參數(shù)，進(jìn)行桁架的整體吊裝。2.4?鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)焊接音樂廳由于構(gòu)件眾多，且屋蓋異形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜，存在大量的相貫節(jié)點(diǎn)和鑄鋼節(jié)點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)焊接工況復(fù)雜，焊接質(zhì)量控制難度大。對(duì)此，選用焊接經(jīng)驗(yàn)豐富的工人進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接，同時(shí)選擇合理的焊接工藝，制訂合理的焊接順序降低焊接變形，焊接過程中做好焊接變形的監(jiān)控、記錄。3主要施工工藝3.1?大跨度懸挑桁架體系施工本工程桁架體系包括了桁架結(jié)構(gòu)、吊頂層、設(shè)備機(jī)房屋頂梁柱、燈光吊橋、吊柱、壓型鋼板、鋼筋桁架樓承板、室內(nèi)外樓梯、旋轉(zhuǎn)樓梯等，桁架體系主要由5榀大跨度懸挑平面桁架、36榀次桁架和若干次梁相互聯(lián)系而成。桁架兩端下弦通過球形抗震支座與混凝土結(jié)構(gòu)頂部的埋件相連，節(jié)點(diǎn)形式為焊接，中間跨主桁架與次桁架為焊接，桁架與次梁連接多為栓接。單榀主桁架跨度約28?m，桁架高度約3?m，桁架上下弦桿均采用工字鋼。音樂廳主桁架共5榀，根據(jù)結(jié)構(gòu)的特殊要求分五段出廠，現(xiàn)場(chǎng)組裝確保桁架跨內(nèi)整體吊裝，跨內(nèi)主桁架分段重量在18?t以內(nèi)，跨外兩側(cè)懸挑桁架吊重在5?t以內(nèi)，待跨內(nèi)結(jié)構(gòu)安裝后再安裝懸挑端。采用一臺(tái)200?t汽車式起重機(jī)在建筑紅線外的市政道路進(jìn)行構(gòu)件駁運(yùn)，一臺(tái)ZSL380塔式起重機(jī)進(jìn)行吊裝，在5.9?m樓板上設(shè)置二組胎架滿足主桁架拼裝，每榀主桁架分4段出廠，現(xiàn)場(chǎng)桁架拼裝采取立式拼裝。3.2?大空間異型網(wǎng)架施工音樂廳上部屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)呈水晶鉆石形狀幕墻骨架，由折板構(gòu)成的空間異形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)空間起伏較大，整個(gè)鋼屋蓋采用單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系,平面投影尺寸為75?m×55?m。屋面結(jié)構(gòu)被劃分成16個(gè)三角形折板空間結(jié)構(gòu)，立面被劃分成22個(gè)三角形折板空間結(jié)構(gòu)，單個(gè)折板面由主梁和封邊梁構(gòu)成，呈三角形布置，在折板面內(nèi)部布置網(wǎng)格梁，網(wǎng)格梁與主梁（或封邊梁）的交點(diǎn)為該主梁（或封邊梁）的4等分或8等分點(diǎn)，形成一種不規(guī)則的外輪廓造型。整個(gè)屋蓋體系通過14根Y形柱和11根立面主龍骨與下部結(jié)構(gòu)相連，其中立面主龍骨位于網(wǎng)格外側(cè)并呈空間斜向布置，Y形柱位于網(wǎng)格內(nèi)部自第三層桁架層上弦處起柱，Y形柱頂部與網(wǎng)格梁采用銷軸連接，Y形柱和立面主龍骨的底部放置固定抗震球形鋼支座。屋面主梁及上層封邊梁與主梁交匯采用鑄鋼件節(jié)點(diǎn)。除Y形柱為圓管外所有桿件均采用箱形截面。音樂廳異形網(wǎng)殼屋蓋構(gòu)件重量控制在10t以內(nèi)，桁架層頂部混凝土澆搗完成后，屋頂網(wǎng)殼搭設(shè)操作腳手進(jìn)行施工作業(yè)，封邊梁區(qū)域采用609鋼管配合腳手架進(jìn)行施工作業(yè)，采用一臺(tái)ZSL380塔式起重機(jī)進(jìn)行吊裝，一臺(tái)200t汽車式起重機(jī)在建筑紅線外的市政道路上進(jìn)行部分屋蓋吊裝。

3.2.1?第一施工階段下部封邊梁施工（前置條件609臨時(shí)支撐和操作腳手完成）→立面主龍骨施工。下層封邊梁的609臨時(shí)支撐均設(shè)置在+5.900?m層，每套609臨時(shí)支撐底部均設(shè)置路基箱。同時(shí)在+5.900?m層位置埋設(shè)大量措施用預(yù)埋件，作為臨時(shí)固定構(gòu)件、調(diào)節(jié)精度的措施。3.2.2?第二施工階段封邊梁區(qū)域內(nèi)主梁和網(wǎng)格梁施工→上部封邊梁施工（上層封邊梁和主梁交匯鑄鋼件完成）。封邊梁區(qū)域內(nèi)主梁的609臨時(shí)支撐分別設(shè)置在±0.000層和+5.900?m層，每套609臨時(shí)支撐底部均設(shè)置路基箱。同時(shí)在+5.900?m層位置埋設(shè)大量措施用預(yù)埋件，作為臨時(shí)固定構(gòu)件、調(diào)節(jié)精度的措施。3.2.3?第三施工階段屋蓋頂部Y形柱施工（前置條件抗震球形支座、焊接空心半球、Y形柱對(duì)應(yīng)鑄鋼件完成）→主梁和網(wǎng)格梁施工（前置條件為屋面八桿交匯鑄鋼件、Y形柱對(duì)應(yīng)軸承系統(tǒng)完成，609臨時(shí)支撐和操作腳手完成）。屋蓋頂部Y形柱施工（前置條件為抗震球型支座、焊接空心半球、Y形柱對(duì)應(yīng)ZG1鑄鋼件完成）→主梁和網(wǎng)格梁施工（前置條件為屋面八桿交匯ZG2鑄鋼件、Y形柱對(duì)應(yīng)軸承系統(tǒng)完成，?609臨時(shí)支撐和操作腳手完成）。上層封邊梁的?609臨時(shí)支撐分別設(shè)置在±0.0層和+5.900?m層，每套?609臨時(shí)支撐底部均設(shè)置路基箱。同時(shí)在+5.900?m層位置埋設(shè)大量措施用預(yù)埋件，作為臨時(shí)固定構(gòu)件、調(diào)節(jié)精度的措施。上層封邊梁與主梁連接的鑄鋼件施工時(shí)，利用?609臨時(shí)支撐將鑄鋼件相關(guān)的構(gòu)件撐起，調(diào)節(jié)完精度后，利用預(yù)埋件和攬風(fēng)繩固定，然后安裝鑄鋼件。屋蓋主梁的?609臨時(shí)支撐主要設(shè)置在+15.200?m桁架層上，在該位置樓板埋設(shè)大量措施預(yù)埋件，既可以作為20號(hào)工字鋼連接措施，也可以作為臨時(shí)固定構(gòu)件、調(diào)節(jié)精度的措施。每4根20號(hào)工字鋼為一組，上部放置?609臨時(shí)支撐，根據(jù)?609臨時(shí)支撐的數(shù)量，布置埋件及20號(hào)工字鋼。在Y形柱施工時(shí)，利用?609臨時(shí)支撐將Y形柱相關(guān)的構(gòu)件撐起，調(diào)節(jié)完精度后，利用預(yù)埋件和攬風(fēng)繩固定，然后安裝Y形柱鑄鋼件，最后完成對(duì)應(yīng)軸承系統(tǒng)的安裝。8桿交匯鑄鋼件施工時(shí)，利用?609臨時(shí)支撐將鑄鋼件相關(guān)的構(gòu)件撐起，調(diào)節(jié)完精度后，利用預(yù)埋件和攬風(fēng)繩固定，然后在鑄鋼件底部搭設(shè)操作腳手，便于鑄鋼件做精度調(diào)節(jié)。3.2.4?第四施工階段鋼結(jié)構(gòu)補(bǔ)缺。屋蓋網(wǎng)殼除補(bǔ)缺區(qū)域，其余屋蓋鋼結(jié)構(gòu)全部完成后，分3部分組成進(jìn)行卸載：（1）屋蓋網(wǎng)殼標(biāo)高15.600?m桁架層上部主梁中部?609支撐卸載（保留補(bǔ)缺區(qū)域主梁中部?609支撐），轉(zhuǎn)由4個(gè)屋面頂部?609支撐和屋面網(wǎng)殼Y形柱承受荷載；（2）屋蓋網(wǎng)殼15.6?m桁架層上部4個(gè)屋面頂部?609支撐卸載，轉(zhuǎn)由屋面網(wǎng)殼Y形柱承受荷載；（3）屋蓋網(wǎng)殼封邊梁區(qū)域?609支撐卸載，完全轉(zhuǎn)由屋面網(wǎng)殼Y形柱和立面主龍骨承受荷載。4、施工質(zhì)量保證措施4.1?拼裝胎架設(shè)置拼裝胎架在音樂廳2層5.900?m平臺(tái)北側(cè)設(shè)置兩組，主桁架由3段在胎架上組裝而成，拼裝胎架下部設(shè)置0.2?m×1?m×6?m路基箱，胎架立柱和橫梁采用20號(hào)工字鋼，立柱高3.5?m，兩組拼裝胎架之間用L100×8角鋼固定。4.2?臨時(shí)支撐布置主桁架施工時(shí)，在桁架分段處附近設(shè)置臨時(shí)支撐和腳手架，臨時(shí)支撐由?609支撐組成，腳手架作為登高措施。同時(shí)在主桁架安裝前，將腳手架先裝于桁架上，并拉通生命繩。待桁架安裝后滿足后續(xù)施工中水平通行的要求。在焊接位置設(shè)置腳手架搭設(shè)的掛籃，需要設(shè)置20個(gè)由腳手搭設(shè)的掛籃，來滿足現(xiàn)場(chǎng)焊接需求。桁架分段需要臨時(shí)支撐的位置10處，吊頂層懸挑鋼結(jié)構(gòu)施工需要臨時(shí)支撐的位置5處。桁架分段就位后，需第一時(shí)間拉設(shè)攬風(fēng)繩，當(dāng)桁架及其配套次桁架和鋼梁安裝完成后，需立刻在已完鋼結(jié)構(gòu)下方區(qū)域拉設(shè)安全網(wǎng)，確保施工安全。在異形網(wǎng)殼屋蓋施工時(shí)，在主龍骨與封邊梁節(jié)點(diǎn)、封邊梁跨中、主梁跨中等位置設(shè)置臨時(shí)支撐，Y形柱設(shè)置抱箍式腳手架，網(wǎng)格梁下方按需求鋪設(shè)操作腳手。同時(shí)在主梁、封邊梁安裝前，將腳手架先裝于鋼梁上，并拉通生命繩。待鋼梁安裝后滿足后續(xù)施工中水平通行的要求。在焊接位置設(shè)置腳手架搭設(shè)的掛籃，共需要搭設(shè)10個(gè)掛籃滿足現(xiàn)場(chǎng)焊接需求。異形網(wǎng)殼屋蓋的施工需要臨時(shí)支撐的位置20處。4.3?施工精度控制屋蓋空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)主梁8管交匯，封邊梁與主梁7管交匯，Y形柱4管交匯，鑄鋼件節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)制作精度要求高。同時(shí)，為保證屋蓋整體制作精度，減少制作誤差，構(gòu)件制作采取整體放大樣，即將屋面的16個(gè)三角形和立面的22個(gè)三角形均按圖紙?jiān)诘孛娣懦龅貥?。鋼結(jié)構(gòu)所用的原材料從進(jìn)廠到構(gòu)件成品出廠全過程進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)控制。鋼構(gòu)件出廠前需進(jìn)行預(yù)拼裝，預(yù)拼裝結(jié)果符合設(shè)計(jì)、規(guī)范要求后再分段依次出廠。本工程網(wǎng)殼的空間造型異常復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)和桿件差異大，定位難度較大，網(wǎng)殼為復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)所在的空間位置各不相同，桿件的角度也不同，網(wǎng)格