钻石状异形网壳与大跨度桁架相结合 的钢结构施工技术研究

上港十四区7号街坊07-01工建地块位于长江入海口，建筑布局以地块综合体的形式为主，是上港集团产业转型的地标板块。音乐厅是该板块标志性建筑。音乐厅的设计借鉴了水晶的意象，造型优美，寓意吉祥，形体活泼，立面通透，幕墙采用菱格划分，以灵动的色彩点缀，在日光的映照下形成水波粼粼、光影摇曳的生动效果。1、项目概况上港十四区7号街坊07-01二期地块东侧邻近上海宝山海事处和长江引航中心宝山基地；南侧为富锦东路；为西侧为已完成的7号街坊07-01地块一期（住宅地块）；北侧云海路。宝山音乐厅，地下2层地上3层，建筑高度26.6 m，工程量1 000 t。北侧毗邻酒店裙房，南侧靠近风塔，西侧靠近办公楼主体，办公楼与风塔之间为下沉式广场，东侧为红线外的市政道路，工况非常复杂，场地狭小。音乐厅外形似“水晶”，结构从下往上向外扩散呈放射状，轮廓线投影超出建筑红线外，部分横跨市政道路及观景平台（图1）。图1 音乐厅整体效果示意2、施工特点难点及分析（1）本工程桁架体系包括了桁架、钢平台、马道、设备层、多部钢楼梯等，多榀大跨度桁架，次构件数量多，杆件纵横交错，存在多个结构面标高，施工顺序必须严格控制，同时需要多次调整脚手架满足施工要求，施工位置下方为舞台及看台区域，施工难度大，保护措施要求高，钢楼梯中包括一跑螺旋楼梯，造型复杂，加工及施工难度大。（2）本工程屋盖网壳体系除立面主龙骨、主梁、网格梁、Y形柱等主要结构外，还有大量的特殊构件，如铸钢件、球形支座、轴承系统。屋盖为空间异形网壳结构，造型复杂、呈水晶状，从立面主龙骨向下部封边梁外伸，再由上部封边梁内，需要配备大量的施工措施，以满足屋盖网壳的施工。同时，屋盖网壳结构存在大量的多杆汇交相贯节点和造型多样的铸钢件，网壳和Y形柱之间采用轴承连接的方式也是重要的施工环节，还有一些外露钢结构，为满足造型要求及后续幕墙施工，精度控制也十分困难（图2）。图2 音乐厅屋盖网壳模型示意2.1 施工场地规划音乐厅场地内外安装工况复杂，施工机械选择需要从安装大局和施工成本通盘考虑。音乐厅钢结构包括地上大跨度桁架层钢结构和屋盖网壳钢结构，音乐厅场地北侧紧邻已开放交通的云海路，场地西侧紧邻酒店施工，西南侧紧邻办公楼施工，南侧为施工中的地下下沉式广场，东侧紧邻风塔施工，钢结构施工时土建结构出±0.000为地下室结构混凝土顶板，桁架层结构上弦标高15.850 m，主要有5榀平面桁架和33榀次桁架组成，主桁架长度达48 m，高3 m，最重28 t，每榀桁架由2根混凝土柱柱顶设置的球形抗震支座支撑，桁架最大跨度28 m，两侧向外悬挑最大10 m，而屋盖空间异形网壳结构异常复杂，施工难度大。为满足音乐厅结构安装需要，在音乐厅内部布置大型动臂搭式起重机ZSL380，搭式起重机工况实行了作业范围的全覆盖。同时合理进行构件分段分块吊装，统筹安排构件进场时间，减少堆放场地占用，提高了施工质量。2.2 屋盖异形网壳钢结构施工音乐厅屋盖为空间异形网壳结构，造型复杂、呈水晶状。为满足造型要求及后续幕墙施工，精度要求非常高。存在大量的多杆汇交相贯节点和造型多样的铸钢件，以及外露钢结构，异形网壳钢结构施工难度高。采用合理的技术路线，主要采用ZSL380塔式起重机，辅以汽车式起重机进行施工。根据现场实际工况，采用609支撑结合操作脚手架进行屋盖异形网壳结构的施工，从而确保施工的质量和安全。采用针对性的网壳测量工艺，全过程三维跟踪测量；应用BIM模拟技术，信息化预拼装，确保施工精度。2.3 大跨度桁架施工音乐厅的主桁架共5榀，跨度在30 m以内，由于内部构造要求，不得在跨内做临时支撑，所有拼装构件均在跨外完成，属于具有一定规模的钢结构施工，施工及质量控制难度大。利用5.900 m标高的混凝土结构作为钢结构施工临时堆场。合理有效地使用有限的场地。根据起重设备性能参数，进行桁架的整体吊装。2.4 钢结构现场焊接音乐厅由于构件众多，且屋盖异形网壳结构造型复杂，存在大量的相贯节点和铸钢节点。现场焊接工况复杂，焊接质量控制难度大。对此，选用焊接经验丰富的工人进行复杂结构的焊接，同时选择合理的焊接工艺，制订合理的焊接顺序降低焊接变形，焊接过程中做好焊接变形的监控、记录。3主要施工工艺3.1 大跨度悬挑桁架体系施工本工程桁架体系包括了桁架结构、吊顶层、设备机房屋顶梁柱、灯光吊桥、吊柱、压型钢板、钢筋桁架楼承板、室内外楼梯、旋转楼梯等，桁架体系主要由5榀大跨度悬挑平面桁架、36榀次桁架和若干次梁相互联系而成。桁架两端下弦通过球形抗震支座与混凝土结构顶部的埋件相连，节点形式为焊接，中间跨主桁架与次桁架为焊接，桁架与次梁连接多为栓接。单榀主桁架跨度约28 m，桁架高度约3 m，桁架上下弦杆均采用工字钢。音乐厅主桁架共5榀，根据结构的特殊要求分五段出厂，现场组装确保桁架跨内整体吊装，跨内主桁架分段重量在18 t以内，跨外两侧悬挑桁架吊重在5 t以内，待跨内结构安装后再安装悬挑端。采用一台200 t汽车式起重机在建筑红线外的市政道路进行构件驳运，一台ZSL380塔式起重机进行吊装，在5.9 m楼板上设置二组胎架满足主桁架拼装，每榀主桁架分4段出厂，现场桁架拼装采取立式拼装。3.2 大空间异型网架施工音乐厅上部屋盖结构设计呈水晶钻石形状幕墙骨架，由折板构成的空间异形网壳结构，结构空间起伏较大，整个钢屋盖采用单层网格结构体系,平面投影尺寸为75 m×55 m。屋面结构被划分成16个三角形折板空间结构，立面被划分成22个三角形折板空间结构，单个折板面由主梁和封边梁构成，呈三角形布置，在折板面内部布置网格梁，网格梁与主梁（或封边梁）的交点为该主梁（或封边梁）的4等分或8等分点，形成一种不规则的外轮廓造型。整个屋盖体系通过14根Y形柱和11根立面主龙骨与下部结构相连，其中立面主龙骨位于网格外侧并呈空间斜向布置，Y形柱位于网格内部自第三层桁架层上弦处起柱，Y形柱顶部与网格梁采用销轴连接，Y形柱和立面主龙骨的底部放置固定抗震球形钢支座。屋面主梁及上层封边梁与主梁交汇采用铸钢件节点。除Y形柱为圆管外所有杆件均采用箱形截面。音乐厅异形网壳屋盖构件重量控制在10t以内，桁架层顶部混凝土浇捣完成后，屋顶网壳搭设操作脚手进行施工作业，封边梁区域采用609钢管配合脚手架进行施工作业，采用一台ZSL380塔式起重机进行吊装，一台200t汽车式起重机在建筑红线外的市政道路上进行部分屋盖吊装。

3.2.1 第一施工阶段下部封边梁施工（前置条件609临时支撑和操作脚手完成）→立面主龙骨施工。下层封边梁的609临时支撑均设置在+5.900 m层，每套609临时支撑底部均设置路基箱。同时在+5.900 m层位置埋设大量措施用预埋件，作为临时固定构件、调节精度的措施。3.2.2 第二施工阶段封边梁区域内主梁和网格梁施工→上部封边梁施工（上层封边梁和主梁交汇铸钢件完成）。封边梁区域内主梁的609临时支撑分别设置在±0.000层和+5.900 m层，每套609临时支撑底部均设置路基箱。同时在+5.900 m层位置埋设大量措施用预埋件，作为临时固定构件、调节精度的措施。3.2.3 第三施工阶段屋盖顶部Y形柱施工（前置条件抗震球形支座、焊接空心半球、Y形柱对应铸钢件完成）→主梁和网格梁施工（前置条件为屋面八杆交汇铸钢件、Y形柱对应轴承系统完成，609临时支撑和操作脚手完成）。屋盖顶部Y形柱施工（前置条件为抗震球型支座、焊接空心半球、Y形柱对应ZG1铸钢件完成）→主梁和网格梁施工（前置条件为屋面八杆交汇ZG2铸钢件、Y形柱对应轴承系统完成， 609临时支撑和操作脚手完成）。上层封边梁的 609临时支撑分别设置在±0.0层和+5.900 m层，每套 609临时支撑底部均设置路基箱。同时在+5.900 m层位置埋设大量措施用预埋件，作为临时固定构件、调节精度的措施。上层封边梁与主梁连接的铸钢件施工时，利用 609临时支撑将铸钢件相关的构件撑起，调节完精度后，利用预埋件和揽风绳固定，然后安装铸钢件。屋盖主梁的 609临时支撑主要设置在+15.200 m桁架层上，在该位置楼板埋设大量措施预埋件，既可以作为20号工字钢连接措施，也可以作为临时固定构件、调节精度的措施。每4根20号工字钢为一组，上部放置 609临时支撑，根据 609临时支撑的数量，布置埋件及20号工字钢。在Y形柱施工时，利用 609临时支撑将Y形柱相关的构件撑起，调节完精度后，利用预埋件和揽风绳固定，然后安装Y形柱铸钢件，最后完成对应轴承系统的安装。8杆交汇铸钢件施工时，利用 609临时支撑将铸钢件相关的构件撑起，调节完精度后，利用预埋件和揽风绳固定，然后在铸钢件底部搭设操作脚手，便于铸钢件做精度调节。3.2.4 第四施工阶段钢结构补缺。屋盖网壳除补缺区域，其余屋盖钢结构全部完成后，分3部分组成进行卸载：（1）屋盖网壳标高15.600 m桁架层上部主梁中部 609支撑卸载（保留补缺区域主梁中部 609支撑），转由4个屋面顶部 609支撑和屋面网壳Y形柱承受荷载；（2）屋盖网壳15.6 m桁架层上部4个屋面顶部 609支撑卸载，转由屋面网壳Y形柱承受荷载；（3）屋盖网壳封边梁区域 609支撑卸载，完全转由屋面网壳Y形柱和立面主龙骨承受荷载。4、施工质量保证措施4.1 拼装胎架设置拼装胎架在音乐厅2层5.900 m平台北侧设置两组，主桁架由3段在胎架上组装而成，拼装胎架下部设置0.2 m×1 m×6 m路基箱，胎架立柱和横梁采用20号工字钢，立柱高3.5 m，两组拼装胎架之间用L100×8角钢固定。4.2 临时支撑布置主桁架施工时，在桁架分段处附近设置临时支撑和脚手架，临时支撑由 609支撑组成，脚手架作为登高措施。同时在主桁架安装前，将脚手架先装于桁架上，并拉通生命绳。待桁架安装后满足后续施工中水平通行的要求。在焊接位置设置脚手架搭设的挂篮，需要设置20个由脚手搭设的挂篮，来满足现场焊接需求。桁架分段需要临时支撑的位置10处，吊顶层悬挑钢结构施工需要临时支撑的位置5处。桁架分段就位后，需第一时间拉设揽风绳，当桁架及其配套次桁架和钢梁安装完成后，需立刻在已完钢结构下方区域拉设安全网，确保施工安全。在异形网壳屋盖施工时，在主龙骨与封边梁节点、封边梁跨中、主梁跨中等位置设置临时支撑，Y形柱设置抱箍式脚手架，网格梁下方按需求铺设操作脚手。同时在主梁、封边梁安装前，将脚手架先装于钢梁上，并拉通生命绳。待钢梁安装后满足后续施工中水平通行的要求。在焊接位置设置脚手架搭设的挂篮，共需要搭设10个挂篮满足现场焊接需求。异形网壳屋盖的施工需要临时支撑的位置20处。4.3 施工精度控制屋盖空间网壳结构主梁8管交汇，封边梁与主梁7管交汇，Y形柱4管交汇，铸钢件节点的设计制作精度要求高。同时，为保证屋盖整体制作精度，减少制作误差，构件制作采取整体放大样，即将屋面的16个三角形和立面的22个三角形均按图纸在地面放出地样。钢结构所用的原材料从进厂到构件成品出厂全过程进行严格把关控制。钢构件出厂前需进行预拼装，预拼装结果符合设计、规范要求后再分段依次出厂。本工程网壳的空间造型异常复杂，节点和杆件差异大，定位难度较大，网壳为复杂的三维空间结构，节点所在的空间位置各不相同，杆件的角度也不同，网格