多個場館橢圓形屋蓋鋼結構的深化設計及施工

孫云飛

上海建工一建集團有限公司 上海 200120

隨著鋼結構場館類建筑的大規(guī)模建造，建筑外形逐漸由傳統(tǒng)大型場館的幾何形屋蓋，轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€幾何圖形組合的屋蓋形式。對于多個圓形、橢圓形結合一體的屋蓋施工，如何提高非標準鋼構件的制作精度，提高多構件拼接質(zhì)量和效率，實現(xiàn)大跨度空間內(nèi)機械最優(yōu)配置，都是必須解決的問題。

本文結合工程案例，通過充分發(fā)揮BIM三維模擬技術的可視性、參數(shù)化、模型化特點，對場館構件進行建模、定位以及合理分段，利用施工模擬分析，從而優(yōu)化屋蓋吊裝過程[1-6]。

1 工程概況

本工程基地總面積約4 2 8 5 7 m2，總建筑面積5 436 m2。其中，藝術館建筑面積4 999 m2，輔助用房建筑面積437 m2，由4個圓形展覽單元和1個橢圓形綜合單元組成（圖1）。

圖1 場館平面布置

藝術館展覽單元圓館半徑約為16 m，建筑高度為7.93 m，綜合單元橢圓館長軸長度約53 m，短軸長度約35 m，建筑高度為10.81 m；輔助用房建筑高度為4 m，均為鋼梁、鋼柱結構形式。

綜合單元：橢圓形結構，由24根方鋼柱（柱頂標高＋6.80 m）以及4道環(huán)形屋面鋼梁（約102根）組成，屋面由內(nèi)向外第1道環(huán)形鋼梁為內(nèi)懸挑鋼梁，第4道環(huán)形鋼梁為外懸挑鋼梁。

橢圓館長軸長度約53 m，短軸長度約35 m，其中外側(cè)懸挑鋼梁長度最長為9.5 m，最短懸挑長度為1.0 m，內(nèi)側(cè)懸挑長度為1.5～4.0 m。

鋼連廊：館與館之間設有連廊結構，連廊頂標高為＋3.35 m，每段連廊兩端與館內(nèi)鋼結構吊柱焊接連接，其中1#與2#館之間連廊設有雙曲方管支撐，雙曲方管支撐與倒插式鋼柱（倒插約1.95 m）連接。

2 施工難重點及措施

2.1 藝術館屋頂鋼梁造型新穎，安裝精度控制難

本項目5個單元屋頂鋼梁均存在一定的坡度，且屋頂鋼梁涉及大量的懸挑鋼梁，鋼梁安裝過程中，鋼梁的安裝定位精度控制難。

應對措施：綜合考慮結構形式、安裝工況、構件尺寸等因素后，根據(jù)安裝順序合理進行構件分段，減少懸挑鋼梁的安裝。次梁安裝時，鋼梁端部設置靠碼板，安裝時用高精度全站儀對每根構件進行三維定位測量，以保證鋼梁的安裝精度。

2.2 施工場地狹小，工期緊，吊裝布置困難

本項目5個單元同時施工，周邊運輸?shù)缆飞形词┕ね瓿桑捌跇痘┕r場地內(nèi)設有放坡，場內(nèi)道路僅有臨時便道和5個單元中間區(qū)域的臨時道碴堆場，施工場地狹小，鋼結構吊裝設備無法靠近構件安裝位置，同時本項目工期要求緊，因此合理的吊裝布置是本項目鋼結構施工的一大重點。

應對措施：根據(jù)本工程的建筑、結構及施工特點，結合現(xiàn)場的場地布置，對鋼構件進行合理的分段。受場地限制，經(jīng)綜合比選，投入1臺150 t履帶吊作為主要吊裝施工機械，另外投入1臺50 t汽車吊和1臺25 t汽車吊作為輔助吊裝施工機械。

2.3 弧形屋面懸挑構件類型多，施工效率低

本項目場館存在較多懸挑鋼梁，懸挑鋼梁長度1.0～9.5 m，懸挑鋼梁質(zhì)量0.5～5.0 t。如何保證焊接質(zhì)量，提高焊接效率是本項目的重大難點。

應對措施：建立弧形屋蓋三維模型，進行編號分類堆放，分館集中進行鋼結構安裝。

3 技術路線及機械部署

綜合考慮本工程工期緊、施工場地有限等特點，設計總體技術路線為：場館主體鋼結構施工（3#→4#→5#→2#→1#）→各館夾層鋼結構施工→館間弧形連廊鋼結構施工。

場館鋼柱、鋼梁（包括部分懸挑鋼梁）吊裝階段，因施工場地內(nèi)施工道路限制，主要施工機械有1臺150 t履帶吊、2臺50 t汽車吊（圖2）。

圖2 施工機械平面布置

館內(nèi)夾層鋼結構吊裝采用卷揚機和手拉葫蘆配合安裝，汽車吊負責構件翻運至起吊所需位置。

館間連廊鋼結構施工時，主體結構和吊夾層已施工完成，受限于運輸車輛不得超寬，因此連廊鋼結構考慮分段進入現(xiàn)場，地面拼裝成整體后安裝就位。連廊采用50 t汽車吊安裝，25 t汽車吊作為輔助施工機械用以翻運構件及場地內(nèi)拼裝。

4 鋼結構安裝施工

4.1 平面及三維模型定位

結合弧形異形鋼構件建筑結構平面圖，利用Tekla軟件制作BIM三維模型，施工前復核模擬主體結構鋼構件的優(yōu)化分段、館間夾層施工、節(jié)點處構件的安裝組合（圖3）。

圖3 橢圓形鋼結構三維模型

1#、2#館間的鋼連廊斜支撐為不規(guī)則單曲面構件，建立BIM構件模型，利于提取構件相關尺寸信息，以便構件加工，減少安裝誤差（圖4）。

圖4 連廊斜支撐三維模型

4.2 構件分段設計

4.2.1 鋼柱分段

根據(jù)結構設計圖紙及項目總體施工流程，鋼柱分為2段吊裝，第1段為預埋段，標高為－1.90～＋1.10 m，第2段標高為＋1.10～＋6.90 m。

4.2.2 連廊斜支撐分段

場館之間的連廊長度（約13 m）滿足運輸要求，但寬度存在超寬，因此將連廊沿長度方向分為2個部分。另外較長的館間連廊根據(jù)結構形式及長度尺寸，在長度上將連廊分為3段，每段長度13～15 m，每段同樣沿長度方向分為2個部分。1#～2#館連廊斜支撐分為3段（圖5）。

圖5 斜支撐分段及質(zhì)量

4.3 鋼結構安裝

4.3.1 鋼柱吊裝

先進行預埋段鋼柱安裝。鋼柱安裝前進行柱腳螺桿安裝，按照坐標放置定位鋼板，在預埋段鋼柱吊裝前進行安裝質(zhì)量復核。

第2節(jié)鋼柱最大質(zhì)量為7.3 t，吊裝半徑為40 m，大臂長度66 m，起重量為8.8 t，滿足要求。構件為3.6 t時，吊裝半徑為56 m，起重量為4.1 t，滿足要求。

4.3.2 屋面鋼梁吊裝

1 t以下構件由2臺50 t汽車吊在26 m以內(nèi)半徑吊裝，50 t汽車吊大臂長度32.75 m，起吊半徑26 m時，起重量為1.4 t，滿足要求。

1 t以上構件，屋面鋼梁最大質(zhì)量為6.0 t，采用1臺150 t履帶吊吊裝施工，主臂長度66 m，吊裝半徑為40 m時，起重量為8.8 t，滿足吊裝要求。

4.3.3 操作腳手架設計

鋼柱安裝完成后搭設腳手架進行鋼梁的安裝，操作平臺圍繞鋼柱設垂直爬升通道，搭設1.2 m×1.2 m、步距1.8 m的鋼管操作平臺。

4.3.4 連廊安裝工藝

館間連廊斜撐安裝：先安裝倒插式鋼柱，再安裝兩側(cè)斜撐。安裝斜撐時，在斜撐懸挑端設置胎架作支撐，采用φ609 mm支撐，支撐下設置路基箱，待1#、2#連廊安裝完成后拆除支撐（圖6）。

圖6 連廊斜支撐分段及安裝示意

鋼連廊主要由4根主鋼管（φ203 mm×8 mm）組成，鋼管之間每間隔1 m采用鋼管（φ108 mm×5 mm）構件現(xiàn)場散拼。館間鋼連廊分3榀進行拼裝就位，先在安裝平面位置正下方散拼完成，再利用50 t汽車吊將3榀鋼連廊進行整拼吊裝，安裝就位。

5 結語

應用BIM三維模擬技術，對圓形橢圓形屋蓋，館間連廊、連廊單曲面斜支撐等構件進行建模。因為懸挑結構多，長度不一，應力和變形較復雜，進行模擬建造，實現(xiàn)了構件合理分段，分段構件信息的信息精準提取，優(yōu)化了場館施工路線，保證了鋼結構構件制作精度，減少了吊裝拼接誤差，有效縮短了屋蓋吊裝施工工期。