鉆石狀異形網(wǎng)殼與大跨度桁架相結合 的鋼結構施工技術研究

上港十四區(qū)7號街坊07-01工建地塊位于長江入海口，建筑布局以地塊綜合體的形式為主，是上港集團產(chǎn)業(yè)轉型的地標板塊。音樂廳是該板塊標志性建筑。音樂廳的設計借鑒了水晶的意象，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，以靈動的色彩點綴，在日光的映照下形成水波粼粼、光影搖曳的生動效果。1、項目概況上港十四區(qū)7號街坊07-01二期地塊東側鄰近上海寶山海事處和長江引航中心寶山基地；南側為富錦東路；為西側為已完成的7號街坊07-01地塊一期（住宅地塊）；北側云海路。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。北側毗鄰酒店裙房，南側靠近風塔，西側靠近辦公樓主體，辦公樓與風塔之間為下沉式廣場，東側為紅線外的市政道路，工況非常復雜，場地狹小。音樂廳外形似“水晶”，結構從下往上向外擴散呈放射狀，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（圖1）。圖1?音樂廳整體效果示意2、施工特點難點及分析（1）本工程桁架體系包括了桁架、鋼平臺、馬道、設備層、多部鋼樓梯等，多榀大跨度桁架，次構件數(shù)量多，桿件縱橫交錯，存在多個結構面標高，施工順序必須嚴格控制，同時需要多次調整腳手架滿足施工要求，施工位置下方為舞臺及看臺區(qū)域，施工難度大，保護措施要求高，鋼樓梯中包括一跑螺旋樓梯，造型復雜，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形柱等主要結構外，還有大量的特殊構件，如鑄鋼件、球形支座、軸承系統(tǒng)。屋蓋為空間異形網(wǎng)殼結構，造型復雜、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，需要配備大量的施工措施，以滿足屋蓋網(wǎng)殼的施工。同時，屋蓋網(wǎng)殼結構存在大量的多桿匯交相貫節(jié)點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)，還有一些外露鋼結構，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?施工場地規(guī)劃音樂廳場地內外安裝工況復雜，施工機械選擇需要從安裝大局和施工成本通盤考慮。音樂廳鋼結構包括地上大跨度桁架層鋼結構和屋蓋網(wǎng)殼鋼結構，音樂廳場地北側緊鄰已開放交通的云海路，場地西側緊鄰酒店施工，西南側緊鄰辦公樓施工，南側為施工中的地下下沉式廣場，東側緊鄰風塔施工，鋼結構施工時土建結構出±0.000為地下室結構混凝土頂板，桁架層結構上弦標高15.850?m，主要有5榀平面桁架和33榀次桁架組成，主桁架長度達48?m，高3?m，最重28?t，每榀桁架由2根混凝土柱柱頂設置的球形抗震支座支撐，桁架最大跨度28?m，兩側向外懸挑最大10?m，而屋蓋空間異形網(wǎng)殼結構異常復雜，施工難度大。為滿足音樂廳結構安裝需要，在音樂廳內部布置大型動臂搭式起重機ZSL380，搭式起重機工況實行了作業(yè)范圍的全覆蓋。同時合理進行構件分段分塊吊裝，統(tǒng)籌安排構件進場時間，減少堆放場地占用，提高了施工質量。2.2?屋蓋異形網(wǎng)殼鋼結構施工音樂廳屋蓋為空間異形網(wǎng)殼結構，造型復雜、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)點和造型多樣的鑄鋼件，以及外露鋼結構，異形網(wǎng)殼鋼結構施工難度高。采用合理的技術路線，主要采用ZSL380塔式起重機，輔以汽車式起重機進行施工。根據(jù)現(xiàn)場實際工況，采用609支撐結合操作腳手架進行屋蓋異形網(wǎng)殼結構的施工，從而確保施工的質量和安全。采用針對性的網(wǎng)殼測量工藝，全過程三維跟蹤測量；應用BIM模擬技術，信息化預拼裝，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，由于內部構造要求，不得在跨內做臨時支撐，所有拼裝構件均在跨外完成，屬于具有一定規(guī)模的鋼結構施工，施工及質量控制難度大。利用5.900?m標高的混凝土結構作為鋼結構施工臨時堆場。合理有效地使用有限的場地。根據(jù)起重設備性能參數(shù)，進行桁架的整體吊裝。2.4?鋼結構現(xiàn)場焊接音樂廳由于構件眾多，且屋蓋異形網(wǎng)殼結構造型復雜，存在大量的相貫節(jié)點和鑄鋼節(jié)點?，F(xiàn)場焊接工況復雜，焊接質量控制難度大。對此，選用焊接經(jīng)驗豐富的工人進行復雜結構的焊接，同時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構、吊頂層、設備機房屋頂梁柱、燈光吊橋、吊柱、壓型鋼板、鋼筋桁架樓承板、室內外樓梯、旋轉樓梯等，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構頂部的埋件相連，節(jié)點形式為焊接，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)結構的特殊要求分五段出廠，現(xiàn)場組裝確保桁架跨內整體吊裝，跨內主桁架分段重量在18?t以內，跨外兩側懸挑桁架吊重在5?t以內，待跨內結構安裝后再安裝懸挑端。采用一臺200?t汽車式起重機在建筑紅線外的市政道路進行構件駁運，一臺ZSL380塔式起重機進行吊裝，在5.9?m樓板上設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構設計呈水晶鉆石形狀幕墻骨架，由折板構成的空間異形網(wǎng)殼結構，結構空間起伏較大，整個鋼屋蓋采用單層網(wǎng)格結構體系,平面投影尺寸為75?m×55?m。屋面結構被劃分成16個三角形折板空間結構，立面被劃分成22個三角形折板空間結構，單個折板面由主梁和封邊梁構成，呈三角形布置，在折板面內部布置網(wǎng)格梁，網(wǎng)格梁與主梁（或封邊梁）的交點為該主梁（或封邊梁）的4等分或8等分點，形成一種不規(guī)則的外輪廓造型。整個屋蓋體系通過14根Y形柱和11根立面主龍骨與下部結構相連，其中立面主龍骨位于網(wǎng)格外側并呈空間斜向布置，Y形柱位于網(wǎng)格內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。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)殼屋蓋構件重量控制在10t以內，桁架層頂部混凝土澆搗完成后，屋頂網(wǎng)殼搭設操作腳手進行施工作業(yè)，封邊梁區(qū)域采用609鋼管配合腳手架進行施工作業(yè)，采用一臺ZSL380塔式起重機進行吊裝，一臺200t汽車式起重機在建筑紅線外的市政道路上進行部分屋蓋吊裝。

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臨時支撐均設置在+5.900?m層，每套609臨時支撐底部均設置路基箱。同時在+5.900?m層位置埋設大量措施用預埋件，作為臨時固定構件、調節(jié)精度的措施。3.2.2?第二施工階段封邊梁區(qū)域內主梁和網(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)域內主梁的609臨時支撐分別設置在±0.000層和+5.900?m層，每套609臨時支撐底部均設置路基箱。同時在+5.900?m層位置埋設大量措施用預埋件，作為臨時固定構件、調節(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形柱對應鑄鋼件完成）→主梁和網(wǎng)格梁施工（前置條件為屋面八桿交匯鑄鋼件、Y形柱對應軸承系統(tǒng)完成，609臨時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形柱對應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形柱對應軸承系統(tǒng)完成，?609臨時支撐和操作腳手完成）。上層封邊梁的?609臨時支撐分別設置在±0.0層和+5.900?m層，每套?609臨時支撐底部均設置路基箱。同時在+5.900?m層位置埋設大量措施用預埋件，作為臨時固定構件、調節(jié)精度的措施。上層封邊梁與主梁連接的鑄鋼件施工時，利用?609臨時支撐將鑄鋼件相關的構件撐起，調節(jié)完精度后，利用預埋件和攬風繩固定，然后安裝鑄鋼件。屋蓋主梁的?609臨時支撐主要設置在+15.200?m桁架層上，在該位置樓板埋設大量措施預埋件，既可以作為20號工字鋼連接措施，也可以作為臨時固定構件、調節(jié)精度的措施。每4根20號工字鋼為一組，上部放置?609臨時支撐，根據(jù)?609臨時支撐的數(shù)量，布置埋件及20號工字鋼。在Y形柱施工時，利用?609臨時支撐將Y形柱相關的構件撐起，調節(jié)完精度后，利用預埋件和攬風繩固定，然后安裝Y形柱鑄鋼件，最后完成對應軸承系統(tǒng)的安裝。8桿交匯鑄鋼件施工時，利用?609臨時支撐將鑄鋼件相關的構件撐起，調節(jié)完精度后，利用預埋件和攬風繩固定，然后在鑄鋼件底部搭設操作腳手，便于鑄鋼件做精度調節(jié)。3.2.4?第四施工階段鋼結構補缺。屋蓋網(wǎng)殼除補缺區(qū)域，其余屋蓋鋼結構全部完成后，分3部分組成進行卸載：（1）屋蓋網(wǎng)殼標高15.600?m桁架層上部主梁中部?609支撐卸載（保留補缺區(qū)域主梁中部?609支撐），轉由4個屋面頂部?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個屋面頂部?609支撐卸載，轉由屋面網(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，完全轉由屋面網(wǎng)殼Y形柱和立面主龍骨承受荷載。4、施工質量保證措施4.1?拼裝胎架設置拼裝胎架在音樂廳2層5.900?m平臺北側設置兩組，主桁架由3段在胎架上組裝而成，拼裝胎架下部設置0.2?m×1?m×6?m路基箱，胎架立柱和橫梁采用20號工字鋼，立柱高3.5?m，兩組拼裝胎架之間用L100×8角鋼固定。4.2?臨時支撐布置主桁架施工時，在桁架分段處附近設置臨時支撐和腳手架，臨時支撐由?609支撐組成，腳手架作為登高措施。同時在主桁架安裝前，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。在焊接位置設置腳手架搭設的掛籃，需要設置20個由腳手搭設的掛籃，來滿足現(xiàn)場焊接需求。桁架分段需要臨時支撐的位置10處，吊頂層懸挑鋼結構施工需要臨時支撐的位置5處。桁架分段就位后，需第一時間拉設攬風繩，當桁架及其配套次桁架和鋼梁安裝完成后，需立刻在已完鋼結構下方區(qū)域拉設安全網(wǎng)，確保施工安全。在異形網(wǎng)殼屋蓋施工時，在主龍骨與封邊梁節(jié)點、封邊梁跨中、主梁跨中等位置設置臨時支撐，Y形柱設置抱箍式腳手架，網(wǎng)格梁下方按需求鋪設操作腳手。同時在主梁、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。在焊接位置設置腳手架搭設的掛籃，共需要搭設10個掛籃滿足現(xiàn)場焊接需求。異形網(wǎng)殼屋蓋的施工需要臨時支撐的位置20處。4.3?施工精度控制屋蓋空間網(wǎng)殼結構主梁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)點的設計制作精度要求高。同時，為保證屋蓋整體制作精度，減少制作誤差，構件制作采取整體放大樣，即將屋面的16個三角形和立面的22個三角形均按圖紙在地面放出地樣。鋼結構所用的原材料從進廠到構件成品出廠全過程進行嚴格把關控制。鋼構件出廠前需進行預拼裝，預拼裝結果符合設計、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雜，節(jié)點和桿件差異大，定位難度較大，網(wǎng)殼為復雜的三維空間結構，節(jié)點所在的空間位置各不相同，桿件的角度也不同，網(wǎng)格