馬 泉 鮑光卿 王貝貝 趙 強(qiáng) 劉匯東

1. 武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 武漢 430064；2. 中建三局集團(tuán)有限公司西北分公司 西安 710065；3. 中建鋼構(gòu)有限公司 深圳 518040

1 工程概況

新疆大劇院工程位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市國(guó)家農(nóng)業(yè)科技園核心區(qū)，由臺(tái)基層及大劇院主體2 部分組成，其中臺(tái)基層是一個(gè)底座246 m×162 m，高6.75 m的長(zhǎng)方臺(tái)；大劇院主體建筑由里外套的伊斯蘭穹窿造型構(gòu)成，內(nèi)核是橢球體，橢球底平面長(zhǎng)邊長(zhǎng)140 m，短邊長(zhǎng)90 m，高58 m。整個(gè)建筑只有舞臺(tái)臺(tái)倉(cāng)屬于地下建筑，其余均為地上建筑。值得注意的是，大劇院的外側(cè)，即是一個(gè)自成體系的大跨度穹頂式弧形桁架形成的自承重殼體，外殼高度達(dá)78.3 m。

該工程屋蓋外殼面分為北側(cè)殼面和南側(cè)殼面2 部分，每部分有26 榀主桁架構(gòu)件。外殼面主要采用鋼管相貫焊鋼桁架結(jié)構(gòu)體系（圖1）。在南側(cè)殼面A-b4軸和A-b5軸之間，以及A-b22軸和A-b23軸之間設(shè)置2 部從+47.40 m標(biāo)高通往+6.70 m的鋼飛梯。

2 施工思路

（a）針對(duì)新疆大劇院內(nèi)外殼弧形桁架弧度、截面及壁厚不斷變化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過采用Midas 7.30軟件對(duì)弧形桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，并根據(jù)其受力情況對(duì)桁架進(jìn)行合理分段；

圖1 屋蓋外殼面鋼結(jié)構(gòu)三維示意

（b）針對(duì)內(nèi)外殼弧形桁架的獨(dú)特造型，采取計(jì)算機(jī)模擬預(yù)拼裝結(jié)果指導(dǎo)地面拼裝，使桁架結(jié)構(gòu)的精度控制達(dá)到要求，避免高空就位時(shí)發(fā)生錯(cuò)位；

（c）通過弧形桁架整體吊裝，在無支撐胎架情況下，實(shí)現(xiàn)首段單榀重達(dá)35 t，弧長(zhǎng)達(dá)到35 m，豎向高度達(dá)到31 m精確就位。吊點(diǎn)和吊裝用具的設(shè)計(jì)均進(jìn)行模擬驗(yàn)算分析，以確保桁架吊點(diǎn)處受力及變形在規(guī)定范圍內(nèi)。

3 工程施工難點(diǎn)與對(duì)策

3.1 鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)難度大[1-3]

難點(diǎn)分析：鋼構(gòu)件質(zhì)量約11 000 t，鋼構(gòu)件分布范圍廣，內(nèi)外殼屋蓋桁架造型復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)變化多，技術(shù)要求高。設(shè)計(jì)稍有偏差就會(huì)對(duì)制作安裝質(zhì)量、進(jìn)度帶來影響。

對(duì)策：施工圖設(shè)計(jì)深化需滿足制作要求。深化時(shí)按現(xiàn)場(chǎng)安裝順序分階段安排設(shè)計(jì)工作，形成流水，從而保證制作、安裝施工。引入先進(jìn)的深化設(shè)計(jì)軟件用于三維制造數(shù)據(jù)拾取，進(jìn)行構(gòu)件加工圖的繪制，確保深化設(shè)計(jì)的高效率和準(zhǔn)確性。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)制作

難點(diǎn)分析：內(nèi)外殼屋蓋、樓蓋桁架眾多構(gòu)件必須按空間位置，對(duì)號(hào)入座地進(jìn)行單件生產(chǎn)。否則將拼裝困難，安裝誤差超過設(shè)計(jì)要求，使得制作成本增加，工效低，而且制作中的精度檢測(cè)也比較困難。對(duì)于內(nèi)外殼屋蓋弧形桁架桿件精度控制和鋼管相貫線切割、節(jié)點(diǎn)制作，則是本工程制作的最大難點(diǎn)。

對(duì)策：選擇相應(yīng)的設(shè)備滿足卷管、切割下料、構(gòu)件端銑和精密相貫線切割等方面的要求。嚴(yán)格檢查部件下料時(shí)的尺寸，充分考慮焊接收縮量的因素，控制卷管截面尺寸要求。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工順序合理進(jìn)行分段，滿足加工制作要求。

3.3 大型機(jī)械設(shè)備選擇與管理

難點(diǎn)分析：本工程結(jié)構(gòu)跨度大，內(nèi)部有混凝土結(jié)構(gòu)，吊機(jī)無法進(jìn)入跨內(nèi)，只能進(jìn)行跨外吊裝。吊裝設(shè)備必須是起重能力大、作業(yè)半徑大、靈活性強(qiáng)、性能良好的大型起重機(jī)。

對(duì)策：現(xiàn)場(chǎng)擬采用1 臺(tái)4 500 kN履帶吊（塔式工況）和2 臺(tái)3 500 kN履帶吊（塔式工況）和2 臺(tái)3 000 kN汽車吊作為主吊裝設(shè)備，進(jìn)行桁架分段吊裝，桁架間連系桿件由土建塔吊配合小型汽車進(jìn)行補(bǔ)裝。

3.4 鋼結(jié)構(gòu)安裝

難點(diǎn)分析：鋼結(jié)構(gòu)安裝進(jìn)度需要滿足整體要求，工期緊。南北兩側(cè)各有26 榀主桁架，最高榀桁架高71.4 m，水平投影跨度55 m。屋蓋內(nèi)殼面有10 榀主桁架，最高榀桁架高57.5 m，跨度90 m。組裝單元構(gòu)件、分段散件安裝量大，桁架高空對(duì)接精度要求高。

對(duì)策：根據(jù)桁架自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過有限元分析軟件計(jì)算，確定合理的桁架分段點(diǎn)，盡量減少胎架使用量。通過計(jì)算軟件模擬施工過程，在桁架拼裝、安裝階段進(jìn)行標(biāo)高預(yù)調(diào)整。加強(qiáng)桁架安裝精度控制及連接成片效果控制。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)計(jì)相應(yīng)的臨時(shí)支撐或千斤頂、纜風(fēng)繩等調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行校正。

3.5 鋼結(jié)構(gòu)焊接

難點(diǎn)分析：由于桁架鋼管的異向性，將有大量的鋼管相貫線焊接。為滿足吊機(jī)起重性能，桁架構(gòu)件需要分段安裝，使現(xiàn)場(chǎng)鋼管焊接量增大。由于鋼管直徑大、壁厚，高空焊接工作量將很大。因此厚板焊接、節(jié)點(diǎn)區(qū)域焊接變形和焊縫質(zhì)量控制是本工程焊接控制的難點(diǎn)。

對(duì)策：采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)半自動(dòng)焊接技術(shù)，選用具有雙重保護(hù)的優(yōu)質(zhì)藥芯焊絲進(jìn)行焊接，提高施工質(zhì)量。正式焊接前進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，選擇最優(yōu)的焊接參數(shù)。加強(qiáng)焊接前預(yù)熱、焊接中層間溫度控制和焊接后保溫等技術(shù)措施。

3.6 鋼結(jié)構(gòu)測(cè)量控制[4-6]

難點(diǎn)分析：本工程造型多穎，桿件空間定位難度大，桁架桿件坐標(biāo)控制是本工程測(cè)量的重點(diǎn)。

對(duì)策分析：建立鋼結(jié)構(gòu)三維模型，制定出桁架安裝的空間三維控制點(diǎn)以及其三維空間坐標(biāo)。針對(duì)不同的環(huán)節(jié)，分別采取支座坐標(biāo)換算法，小棱鏡快速測(cè)量法以及棱鏡坐標(biāo)測(cè)量擬合法進(jìn)行測(cè)量施工。

4 施工工藝流程和操作要點(diǎn)[7,8]

4.1 施工工藝流程

工藝流程如圖2所示。

圖2 施工工藝流程

4.2 關(guān)鍵施工技術(shù)

根據(jù)新疆大劇院內(nèi)外殼弧形桁架弧度、截面及壁厚不斷變化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過采用Midas 7.30軟件對(duì)弧形桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，根據(jù)其受力情況對(duì)桁架進(jìn)行合理分段；針對(duì)內(nèi)外殼弧形桁架的獨(dú)特造型，采取計(jì)算機(jī)模擬拼裝、精確放線后進(jìn)行地面拼裝；內(nèi)外殼首桁架安裝在無支撐胎架情況下，依靠弧形桁架自身質(zhì)量進(jìn)行安裝就位。

4.3 施工要點(diǎn)

4.3.1 確定分段面

根據(jù)可作為桁架分段面區(qū)域，通過Midas 7.30分析，確定該分段面在自身質(zhì)量站立情況下桁架自身變形及下?lián)戏习惭b精度，確定分段面區(qū)域。為了滿足設(shè)計(jì)對(duì)接要求，對(duì)桁架上下弦管錯(cuò)開距離進(jìn)行確定，弦桿分段面為截面，中間連系桿件在高空對(duì)接后進(jìn)行安裝。

4.3.2 現(xiàn)場(chǎng)拼裝

針對(duì)桁架拼裝，先采用計(jì)算機(jī)對(duì)桁架進(jìn)行預(yù)拼裝，對(duì)影響桁架弧度及精度的因素進(jìn)行控制，并現(xiàn)場(chǎng)拼裝桁架。為保證桁架的平整度，先對(duì)拼裝區(qū)域進(jìn)行硬化。根據(jù)上下弦管分段長(zhǎng)度，在上下弦管對(duì)接口附近布設(shè)胎架，并在桁架弧度變化點(diǎn)設(shè)置胎架，通過測(cè)量對(duì)各弦桿變化節(jié)點(diǎn)、次桁架對(duì)接點(diǎn)進(jìn)行精確定位（圖3）。

圖3 桁架拼裝胎架示意

桁架拼裝及焊接過程中，對(duì)上下弦管的弧度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保桁架上下對(duì)接點(diǎn)弧度、弦桿間距等滿足精度要求；進(jìn)行上下弦管之間的腹桿安裝過程中，通過測(cè)量對(duì)桁架相貫點(diǎn)及平整度進(jìn)行調(diào)整。

4.3.3 弧形桁架吊裝

（a）本工程內(nèi)外殼桁架均為弧形，桁架弧長(zhǎng)達(dá)到35 m，高度達(dá)到31 m，且主次桿件均存在截面變化，桁架重心偏離桁架中心，通過Midas 7.30分析確定桁架重心，將桁架吊點(diǎn)設(shè)置在重心線上，確保吊裝過程時(shí)桁架安裝較為平穩(wěn)。

（b）根據(jù)桁架特點(diǎn)，確定在桁架節(jié)點(diǎn)處捆綁吊裝。內(nèi)外殼桁架質(zhì)量不同，最重桁架質(zhì)量達(dá)35 t，通過桁架對(duì)吊裝用繩及卡環(huán)吊重性能進(jìn)行分析，確保吊裝用具滿足安全要求。

（c）在吊裝前，通過測(cè)量確定弦桿在柱底板位置，并焊接定位板。內(nèi)外殼桁架根據(jù)實(shí)際質(zhì)量采用2 500 kN或1 300 kN履帶吊進(jìn)行跨外吊裝，在桁架精確定位焊接后再松鉤，并在桁架上對(duì)稱拉設(shè)纜風(fēng)繩。

4.3.4 三維空間定位

建立鋼結(jié)構(gòu)三維模型，制定出桁架安裝的空間三維控制點(diǎn)以及其三維空間坐標(biāo)。針對(duì)不同的環(huán)節(jié)，分別采取支座坐標(biāo)換算法，小棱鏡快速測(cè)量法以及棱鏡坐標(biāo)測(cè)量擬合法進(jìn)行測(cè)量施工。

鋼構(gòu)件在安裝過程中，因日照溫差、焊接，會(huì)使細(xì)長(zhǎng)桿件在長(zhǎng)度方向會(huì)有顯著伸縮變形。因此，在上一安裝單元安裝結(jié)束后，通過觀測(cè)其變形規(guī)律，結(jié)合具體變形條件，總結(jié)其變形量和變形方向，在下一構(gòu)件定位測(cè)控時(shí)對(duì)其定位軸線實(shí)施反向預(yù)偏，即節(jié)點(diǎn)定位實(shí)施反三維空間變形，以消除安裝誤差的累積。

4.4 構(gòu)造節(jié)點(diǎn)

典型構(gòu)造節(jié)點(diǎn)示意見圖4。

5 結(jié)語

新疆大劇院項(xiàng)目?jī)?nèi)外殼桁架首階段項(xiàng)目節(jié)約了大量桁架結(jié)構(gòu)施工支撐胎架措施，減少了大量安裝措施的和大量人工費(fèi)，節(jié)約了施工投入資金約34.32 萬元。

同時(shí)，革新傳統(tǒng)安裝工藝，減少胎架搭設(shè)及轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，首段桁架安裝整體工期縮短20 d。

圖4 主要節(jié)點(diǎn)示意

本工程施工方法適用于大體量、大質(zhì)量、弧形桁架結(jié)構(gòu)的空中安裝、場(chǎng)館及劇院不規(guī)則超大超寬桁架吊裝、超大空間（體育場(chǎng)館、會(huì)議廳、多功能廳）的結(jié)構(gòu)桁架安裝。該施工方法應(yīng)用新疆大劇院項(xiàng)目，成功將桁架重達(dá)35 t，弧長(zhǎng)達(dá)到35 m，豎向高度達(dá)到31 m的桁架安裝就位。

與以往的常規(guī)施工方法相比，采用大跨度弧形桁架分段施工技術(shù)具有無法比擬的優(yōu)勢(shì)，通過采用軟件對(duì)構(gòu)件受力進(jìn)行分析，在采取計(jì)算機(jī)模擬預(yù)拼裝后進(jìn)行地面拼裝，實(shí)現(xiàn)大跨度弧形桁架在無支撐措施的情況下的精確安裝，不僅安全可靠，且能有效地保障質(zhì)量、縮短工期、降低成本，具有很好的推廣性。