任杰強(qiáng)，黃立沙，巫明杰

（1.梅溪湖投資（長(zhǎng)沙）有限公司，長(zhǎng)沙410205；2.江蘇滬寧鋼機(jī)股份有限公司，江蘇宜興214231）

梅溪湖國(guó)際文化藝術(shù)中心藝術(shù)館異形鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

任杰強(qiáng)1，黃立沙1，巫明杰2

（1.梅溪湖投資（長(zhǎng)沙）有限公司，長(zhǎng)沙410205；2.江蘇滬寧鋼機(jī)股份有限公司，江蘇宜興214231）

結(jié)合長(zhǎng)沙梅溪湖國(guó)際文化藝術(shù)中心藝術(shù)館異形鋼結(jié)構(gòu)施工實(shí)例，針對(duì)異形鋼結(jié)構(gòu)工程的特點(diǎn)和難點(diǎn)，介紹采取一系列關(guān)鍵技術(shù)，圓滿解決了藝術(shù)館安裝的技術(shù)難題，供今后類似工程參考。

異形鋼結(jié)構(gòu)；拱桁架；凹屋面；合攏縫；分區(qū)卸載

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.10.048

1 工程概況

長(zhǎng)沙梅溪湖國(guó)際文化藝術(shù)中心位于長(zhǎng)沙市岳麓區(qū)梅溪湖畔，總占地面積10萬m2，總建筑面積12萬m2，包括大劇場(chǎng)和藝術(shù)館兩大主體功能，能承接世界一流的大型歌劇、舞劇、交響樂等高雅藝術(shù)表演。該工程由世界著名設(shè)計(jì)大師ZAHA Hadid進(jìn)行設(shè)計(jì)，猶如美麗的芙蓉花盛開在梅溪湖畔，極具現(xiàn)代感的流線造型給施工帶來極大的挑戰(zhàn)。

藝術(shù)館地上4層，總高度約42.5m，其鋼結(jié)構(gòu)主要包括樓面鋼結(jié)構(gòu)、中庭鋼結(jié)構(gòu)部分及屋面鋼結(jié)構(gòu)、拱墻等異形結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)整體模型如圖1所示。

2 施工難點(diǎn)

2.1 深化設(shè)計(jì)難度大

圖1 藝術(shù)館鋼結(jié)構(gòu)整體模型

由于其流線型設(shè)計(jì)，加工等深化設(shè)計(jì)必須運(yùn)用BIM技術(shù)，需采用X-steel及CAD軟件進(jìn)行三維建模，實(shí)現(xiàn)拱及屋面等結(jié)構(gòu)的可視化，進(jìn)行碰撞檢測(cè)和模擬施工。

2.2 高精度安裝難度大

本工程鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件吊裝重量大，跨度大，高度高，空間彎曲鋼管結(jié)構(gòu)和內(nèi)凹型屋面鋼結(jié)構(gòu)的安裝測(cè)量、校正和定位以及如何避免吊裝變形，快速就位是本工程控制的難點(diǎn)。

2.3 焊接及變形控制難度大

本工程鋼結(jié)構(gòu)鋼材主要為Q345B，部分采用Q390GJ、Q235B及鑄鋼材料G20Mn5N，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度要求高，節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件的壁厚較厚，焊接要求高?，F(xiàn)場(chǎng)焊接接頭基本呈全位置狀態(tài)，對(duì)焊工操作水平要求高。本工程中采用了大量的焊接節(jié)點(diǎn)和鋼管相貫焊接節(jié)點(diǎn)，焊接熔敷金屬量比較多，易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。由于結(jié)構(gòu)形式特殊，焊接收縮引起的結(jié)構(gòu)變形不可忽視，必須有針對(duì)性的研究和對(duì)應(yīng)措施。

3 藝術(shù)館異形鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

3.1 中庭拱及玻璃頂桁架施工技術(shù)

藝術(shù)館中庭為高聳大空間結(jié)構(gòu)，安裝順序?yàn)椋汗敖Y(jié)構(gòu)、電梯井結(jié)構(gòu)、玻璃頂桁架。中庭結(jié)構(gòu)安裝同時(shí)安裝外圍鋼柱、樓面鋼梁、最后進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)屋面封頂。中庭鋼結(jié)構(gòu)模型如圖2。

圖2 藝術(shù)館中庭鋼結(jié)構(gòu)模型

藝術(shù)館中庭結(jié)構(gòu)位于藝術(shù)館中間位置，分為中庭拱及中庭頂部結(jié)構(gòu)。中庭拱為四邊形鋼管桁架結(jié)構(gòu)，劃分為三段吊裝后，最大質(zhì)量不超過15t；中庭玻璃頂桁架由環(huán)形箱型彎扭和網(wǎng)格彎扭箱型構(gòu)件組成，分段后最大單件質(zhì)量為玻璃頂桁架南側(cè)分段，質(zhì)量達(dá)到33t。

中庭結(jié)構(gòu)總體順序?yàn)樽韵露?，由外向?nèi)安裝。鋼拱結(jié)構(gòu)安裝采用分段自下而上吊裝的方法，將每個(gè)拱分為3段，分段點(diǎn)下部設(shè)置格構(gòu)式臨時(shí)支撐。桁架最大橫截面尺寸為4.9m× 2.1m，長(zhǎng)度為20m。中庭玻璃頂鋼結(jié)構(gòu)采用箱型截面組合而成的單層曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)拼裝時(shí)先根據(jù)拼裝分塊的尺寸及高度差設(shè)置拼裝胎架，拼裝完成后采用全站儀進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)收。玻璃頂安裝時(shí)先安裝邊梁分段，再安裝中間分塊，采用350t履帶吊在北側(cè)通道上進(jìn)行吊裝。

3.2 內(nèi)凹屋面及拱墻施工技術(shù)

藝術(shù)館屋面整體成不規(guī)則內(nèi)凹型，主要由主梁、次梁和鋼梁之間的鋼管斜撐組成，鋼梁在多個(gè)位置采用折梁做法。屋面鋼梁跨度較大，采用徑向主梁分段吊裝方法。將徑向主梁按總長(zhǎng)度及跨間距離分成2～4段不等，分段長(zhǎng)度控制在25m之內(nèi)，采用350t履帶吊進(jìn)行安裝。鋼梁采用兩點(diǎn)起吊，鋼梁的安裝順序由外向內(nèi)進(jìn)行，先安裝徑向主梁，后安裝徑向主梁之間連接的環(huán)向次梁，最后安裝鋼管支撐。

藝術(shù)館拱墻位于藝術(shù)館兩個(gè)凹進(jìn)處，由環(huán)向彎曲的鋼管和徑向斜鋼管組合而成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。整個(gè)拱墻為異形曲面形狀，空間定位較復(fù)雜。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，拱墻的安裝順序?yàn)樽韵露戏謮K吊裝進(jìn)行，將本工程拱墻結(jié)構(gòu)分為若干個(gè)網(wǎng)格塊進(jìn)行吊裝，并在分塊位置設(shè)置臨時(shí)支撐。

3.3 復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)測(cè)量控制技術(shù)

該工程整體安裝精度要求較高，不但要重視其空間絕對(duì)位置，更需精確控制各施工環(huán)節(jié)的相對(duì)精度。

針對(duì)本工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用高精度全站儀建立平面控制基準(zhǔn)網(wǎng)，采用激光準(zhǔn)直儀和全站儀進(jìn)行平面控制基準(zhǔn)的豎向傳遞；采用電子水準(zhǔn)儀建立高程控制基準(zhǔn)網(wǎng)，采用全站儀進(jìn)行高程控制基準(zhǔn)的豎向傳遞。對(duì)累積誤差的處理，采用在各個(gè)吊裝單元之間設(shè)置嵌補(bǔ)進(jìn)行調(diào)整的辦法，逐節(jié)消除，防止因累積量過大一次性消除而對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)值的基礎(chǔ)上加上預(yù)變形值后使用，并根據(jù)施工同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整預(yù)變形值。經(jīng)過以上措施控制，藝術(shù)館鋼結(jié)構(gòu)安裝達(dá)到了其設(shè)計(jì)精度。藝術(shù)館鋼結(jié)構(gòu)施工過程如圖3。

圖3 藝術(shù)館鋼結(jié)構(gòu)施工過程

3.4 焊接變形控制技術(shù)

藝術(shù)館鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件材質(zhì)大量采用了低合金高強(qiáng)鋼Q345，且板厚最大達(dá)40mm，如何確?，F(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量是鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)施工的主要重點(diǎn)。本工程采取以下措施進(jìn)行焊接應(yīng)力控制。

1）采用CO2藥芯焊絲氣體保護(hù)焊和焊條手工電弧焊相結(jié)合的焊接方法，可減少焊接道數(shù)，降低焊接變形和殘余應(yīng)力。

2）焊接坡口以單面開坡口型式為主，減少焊接填充量?，F(xiàn)場(chǎng)接頭采用單面單邊V型，反面設(shè)置襯板，根部間隙6～8mm，坡口角度35°。

3）采用“跳倉法”按順序進(jìn)行施焊，采取對(duì)稱焊、分段焊等措施；先焊收縮量大的接頭，后焊收縮量小的接頭，在盡可能小的拘束下焊接，同一構(gòu)件兩端不同時(shí)焊接。

4）部分厚板及鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊接采取預(yù)熱方式，焊接預(yù)熱是防止低合金高強(qiáng)鋼焊接氫致裂紋的有效措施，可以控制焊接冷卻速度，減少或避免熱影響區(qū)中淬硬馬氏體的產(chǎn)生，同時(shí)還可以降低焊接應(yīng)力，并有助于氫的逸出。

3.5 分區(qū)合攏及卸載施工技術(shù)

3.5.1 藝術(shù)館分區(qū)合攏縫設(shè)置

藝術(shù)館中庭的左右兩側(cè)各布置了一組混凝土豎向通風(fēng)管井，具有很大的豎向剛度，經(jīng)研究可在上述兩個(gè)混凝土管井處設(shè)置兩道鋼結(jié)構(gòu)合攏縫，將整個(gè)藝術(shù)館鋼結(jié)構(gòu)分為3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的區(qū)塊。合攏縫位置如圖4所示。

圖4 藝術(shù)館屋面鋼結(jié)構(gòu)合攏縫平面示意圖

藝術(shù)館兩條合攏縫下部是混凝土空調(diào)管井，原鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在混凝土剪力墻頂部設(shè)置了若干豎向鋼柱，在鋼柱頂與縱向鋼梁交接處設(shè)置了橫向連系梁（合攏縫設(shè)置后便成了共用邊界）。經(jīng)計(jì)算，藝術(shù)館形成的3個(gè)相對(duì)獨(dú)立區(qū)塊空間剛度與整體模型相比，空間剛度衰減不大，在鋼結(jié)構(gòu)允許變形限值及鋼材強(qiáng)度允許設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，合攏縫兩側(cè)桿件的位移量疊加值約在10mm左右，在采取必要的焊接措施后，可以保證合攏縫的焊縫焊接質(zhì)量。實(shí)際施工數(shù)據(jù)證明藝術(shù)館設(shè)置合攏縫后，未對(duì)結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生明顯不利影響，保證了鋼結(jié)構(gòu)安全使用。

3.5.2 分區(qū)卸載施工技術(shù)

結(jié)構(gòu)卸載是將屋蓋鋼結(jié)構(gòu)從支撐受力狀態(tài)下，轉(zhuǎn)換到自由受力狀態(tài)的過程，即在保證現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐體系整體受力安全、主體結(jié)構(gòu)由施工安裝狀態(tài)順利過渡到設(shè)計(jì)狀態(tài)。本工程卸載方案遵循“分區(qū)、分級(jí)、均衡、緩慢”的原則實(shí)現(xiàn)。

藝術(shù)館臨時(shí)支撐按照從上到下，由內(nèi)而外的總體順序進(jìn)行卸載。館內(nèi)所有屋蓋桁架安裝焊接結(jié)束，并完成混凝土支座上埋件的焊接后，開始進(jìn)行館內(nèi)臨時(shí)支撐的卸載。根據(jù)卸載工況，先完成中間部位臨時(shí)支撐的卸載，隨后向南北兩側(cè)逐根卸載其他臨時(shí)支撐。館外部位先拆除支撐結(jié)構(gòu)鋼管立柱（斜柱）的支撐胎架，隨后進(jìn)行館外桁架臨時(shí)支撐的卸載。

卸載采取分級(jí)切割方式，對(duì)構(gòu)件與胎架模板接觸點(diǎn)面進(jìn)行切割，每次切割深度8～10mm。

卸載過程對(duì)藝術(shù)館進(jìn)行檢測(cè)布控，變形數(shù)據(jù)控制在允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

長(zhǎng)沙梅溪湖國(guó)際文化藝術(shù)中心藝術(shù)館鋼結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，構(gòu)件形狀各異，施工難度大。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件，通過采取中庭拱、玻璃頂桁架、內(nèi)凹屋面及拱墻結(jié)構(gòu)分塊拼裝吊裝、焊接變形控制、分區(qū)合攏及卸載等施工技術(shù)，有效地解決了施工難題，保證了施工進(jìn)度、質(zhì)量和安全。本工程榮獲2015—2016年度中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)，收到了良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

【1】中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì).建筑鋼結(jié)構(gòu)施工手冊(cè)[K].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2002.

【2】GB 50661—2011鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[S].

【3】張利.大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋分塊吊裝施工技術(shù)[J].建筑施工，2011（6）：481-483.

【4】杜秀麗.大跨度鋼結(jié)構(gòu)合攏與卸載研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2007.

Special-shaped Steel Structure Construction Technology of Meixihu International Culture&Arts Center Gallery

REN Jie-qiang1,HUANG Li-sha1,WU Ming-jie2
（1.MeixihuInvestmen（tChangsha）Co.Ltd.，Changsha 410205,China; 2.JiangsuHuningSteelMachanismCo.Ltd.,Yixing 214231,China）

Combinedwiththeexampleofspecial-shapedsteelstructureconstructionofMeixihuInternationalCultural&ArtsCenterGalleryin Changsha,thispaperisaimingatthefeaturesanddifficultiesofspecial-shapedsteelstructureprojects,andintroducesaseriesofkeytechnologies, whichperfectlysolvedthetechnicaldifficultyofinstallation,inordertoofferreferenceforsimilarprojectsinthefuture.

special-shapedsteelstructure;archtruss;concaveroof;structureseams;partitionunloading

TU391

A

1007-9467（2016）10-0109-03

2016-09-29

任杰強(qiáng)（1983～），男，湖南長(zhǎng)沙人，一級(jí)建造師、工程師，從事建筑工程研究。