上海世博会中国馆钢结构工程施工技术.doc

上海世博会中国馆钢结构工程施工技术
2010-07-16
罗魏凌 项海龙 许银城
（上海市机械施工有限公司 200072）

  【摘 要】由上海市机械施工有限公司承建的上海世博会中国馆工程国家馆为从33.22m开始外挑（外挑距离达34.75m），总高度达69.9m的巨型“皇冠”状结构；地区馆为屋顶均由巨型桁架组成的13m高度的单层钢屋盖结构。施工过程以施工进度控制为关键，针对国家馆钢结构与核心筒砼结构同步交叉施工，地区馆钢结构安装在已建混凝土平台上，国家馆和地区馆同步垂直层叠施工，M8线地铁从基坑西侧通过等各种复杂的施工工况，研制了一套“国家馆四个核心筒布置四台大型塔吊定点就位安装、地区馆采用四台大型塔吊行走于砼楼板上综合安装钢屋盖”的施工方法，铺开了施工作业面，取得了较好的施工效果，确保了施工工期和施工质量，对今后类似工程的施工具有较好的借鉴作用。
【关键词】大外挑钢结构 交叉施工 临时支撑

1 工程概况
2010年上海世博会中国馆位于上海世博会规划区核心区，以“东方之冠”的构思为主题的中国馆是整个世博园区的标志性永久建筑之一，是世博园区内最高的新建场馆建筑。其西侧为世博轴，东侧、南侧、北侧分别为规划15米宽的云台路、南环路、北环路。地铁M8号线在园区内穿过，地铁周家渡站与国家馆地下结构相连（见下图）。

中国馆由国家馆、地区馆等组成，总建筑面积105879m2。国家馆结构体系为钢框架—剪力墙结构体系，以四个混凝土核心筒作为主要的抗侧力及竖向承载体系，核心筒结构标高为69.9m。每个核心筒截面为18.6m×18.6m，相邻核心筒外边距约70m，内边距约33m；屋顶边长为138米×138米。每个核心筒的四个角部设置截面为箱形（800×800，壁厚自25mm～50mm不等）的劲性钢柱，劲性钢柱从底板起始（-7.9m）至+60.3m，与屋顶桁架顶标高同高。从+33.75m标高起，采用20根巨型钢斜撑支撑起整个大悬挑的钢屋盖。巨型钢斜撑底部与核心筒内的劲性柱连接，中间通过层层楼层钢梁与核心筒连接，顶部通过钢桁架与核心筒连接，锚固于劲性钢柱上。

地区馆结构位于国家馆的南、北和西面区域。地区馆地下结构存在-7.9m层、-4.1m结构层(局部)和±0.000m结构层；地上结构主要为+13m屋顶层，局部地区存在+5m、+9m楼层。整个地区馆±0.0m以下钢结构仅为25根钢管柱，±0.0m以上部分钢结构主要为由钢柱、主桁架和次桁架以及檩条组成的钢屋盖体系。

地区馆主桁架为两个单片桁架通过水平联系系杆组成的空间桁架，主要组成构件为箱型结构，桁架下弦通过与钢管柱顶连接将荷载传递给底板。主桁架最长达200m左右，跨度最大为27m，跨度内最重构件135t。

2 工程特点和难点
国家馆结构造型特殊新颖，外形呈冠状，上大下小，结构从33m楼层开始层层外挑，外挑最大达到34.75m，施工过程中的结构稳定、安全防护和测量控制难度大。
构件数量多、吨位重、组成构件巨大，20根斜撑为800mm*1500mm的箱型截面构件，单根重量达90吨；屋顶最大的桁架构件高达5.6m；地区馆屋面主要为大跨度的桁架结构，空间主桁架截面外包尺寸大，构件重量重、体型大，给构件制作以及路上运输带来较大难度。
国家馆施工过程中，国家馆西侧场地的地区馆也在紧张的施工过程中，给国家馆西侧结构安装过程中构件的堆场选择带来一定困难，且施工过程需要协调解决两馆施工矛盾这一大难点。
根据施工整体进度安排要求，地区馆上部钢结构施工时，地区馆首层楼板结构已经施工完毕，如何在已经施工完毕的土建砼楼层上安装如此巨型的钢屋盖结构，对施工机械及施工工艺的选择异常困难。
地区馆西侧区域为国家馆和地铁上空，给现场的拼装和堆场布置以及施工机械的开行道路布置情况带来很大困难。
工期极其紧张，包括深化设计、材料采购加工和现场吊装在内，总重量达二万三千余吨的钢结构必须在半年的时间内全部完成，且现场交叉施工多，土建与钢结构搭接频繁，土建、钢结构和其他专业工种形成立体作业，施工协调组织难度大。

3 针对性技术措施
3.1 工期紧、多台塔吊布置
为了确保施工总工期，经过多方案比较，国家馆选择四台1200t·m~1400t·m的重型塔吊作为施工的主要机械，减少了构件分段，覆盖范围广，从而提高工效。同时，能兼顾其他专业的需求，尤其是对土建等专业提供支持。地区馆在首层楼板上布置四台大型行走式塔吊覆盖全部范围流水搭接施工。
3.2 施工场地紧张、不利于施工进度
为满足进度要求，安排了较多的施工机械，为解决国家馆西侧两台大型塔吊的构件堆场问题，将国家馆中厅区域结构后做，待结构封顶后再行补缺安装，较好的解决了国家馆施工过程场地问题。地区馆周边均为永久道路，为铺开施工作业面，将周边的云台路和南环路借用并采取道路保护措施，解决了地区馆的施工场地问题。同时通过结构计算和加固,利用地区馆已经浇注好的首层楼层面作为构件的堆场和拼装场地,铺开了施工作业面,较好的解决了场地紧张问题。
3.3 国家馆、地区馆相互层叠，安全隐患大
为了确保施工过程安全，作到安全可行，响应“安全世博、平安世博”，在施工过程中同一垂直面上尽量避免相互交叉施工，制定好作业时间，从管理上杜绝安全事故的发生。

4 钢结构总体施工技术路线
经过结构分析和施工工期的综合比较，最终确定如下总体技术路线：
4.1 国家馆
四台大型塔吊筒内附着自升，分区对称吊装；吊装过程紧随土建施工流程，逐层自下而上流水施工安装。
即在四个核心筒内安排四台大型内附自爬塔吊覆盖整个国家馆的钢结构吊装，吊装过程中，先吊装核心筒间钢梁，然后吊装斜支撑及外围楼层钢梁，吊装顺序采取自下而上的顺序进行。这样在最大限度满足设计受力要求的前提条件下，解决了垂直运输问题，加快了施工进度。
4.2 地区馆
地区馆钢屋盖结构采取如下施工技术路线：
● 配合土建施工流水安排，上部钢结构分南北两个区域节间综合安装；
● 每区域均采取两台行走式塔吊及相应辅助机械由西向东逐跨吊装；
● 吊机行走跨内结构直接单机安装，跨外主结构利用双机抬吊安装；
● 运输台车解决水平运输问题；
● 大型桁架分段拼装于地下室顶板和东侧跨端场地，吊装过程设置临时支撑稳定，待形成稳定结构后卸载拆除支撑。
即地区馆以B-U轴线划分南北两个区域实行施工，根据土建施工安排，先提交给钢结构施工的是南区结构（首层砼结构全部施工完毕），此时安装两台行走式塔吊安装南部区域钢结构，待北区土建首层砼结构全部施工完毕后，再在地区馆B-U轴线以北安装两台行走式塔吊，然后采取与南区同样的施工工艺进行北侧结构安装。由于桁架跨度较大，考虑工厂制作和路上运输，需要分段制作运输至现场，然后在首层楼层和跨端设置拼装场地将构件拼装成起吊分段后安装到位。

5 钢结构施工总平面布置
5.1 施工设备的选择和布置原则
根据本工程总体施工技术路线，国家馆选择四台外附自爬塔吊进行结构安装，地区馆安排四台行走式塔吊进行安装。塔吊的布置原则如下：
☆　满足自身爬升或者行走条件；
☆　与土建施工流程需要相协调并对其施工影响尽量最少；
☆　塔吊的支撑点和行走轨道下部结构需充分安全或者加固最少；
☆　钢结构吊装覆盖面满足整个钢结构的吊装要求；
5.2 施工总平面布置
根据国家馆的构件分布及构件型号重量情况，在四个核心筒内各布置一台大型外附自爬塔吊，国家馆构件进场主要通过西侧上南路进场，施工高峰阶段的构件主要拼装堆放于国家馆的西侧场地和国家馆首层楼面上四个核心筒间的空档部位（称之为中厅区域），西侧场地布置一台150t履带吊进行构件卸车和拼装，同时在首层楼层上设置一台水平运输台车将从西侧场地卸车的部分构件运输至中厅部位。
地区馆施工过程安排四台行走式塔吊（均为800t*m），南区吊机一台布置于B-H~B-M之间，一台布置于B-R~B-U之间；北区吊机一台布置于B-U~B-X之间，一台布置于B-c~B-f之间。四台行走式塔吊均采用9m轨距，单根轨道上两支脚中心距离为9m。同时在B-R~B-M之间以及B-X~B-c之间布置行走台车进行构件水平运输移位工作。为了提高施工速度，在东侧跨端的云台路上安排四台150t履带吊进行构件的卸车和拼装工作。
整体施工平面布置情况如下:

6 钢结构安装工艺
6.1 国家馆钢斜撑安装
钢斜撑从33.15m标高楼层生根起始，起始点位于核心筒内箱型劲性柱上，顶部与屋顶大型桁架连接，顶标高60.4m。斜撑截面形式为800mm×1500mm×35mm×35mm，总计20根，单根最长48m。
由于国家馆斜撑施工时，下部地区馆结构也已在施工，因此只能采取无支撑化施工，通过精确的结构计算和分析，首节斜撑吊装过程中事先将楼层钢梁与斜撑分段拼成整体，然后整体起吊安装到位。考虑吊装体平面外的稳定，相邻两榀斜撑安装完后，及时连接之间的楼层钢梁，并设置平面剪刀撑，形成稳定体系。

第二、三段斜撑分段较短，最大重量不超过21.5t，第二段斜撑通过49.35米楼层钢梁与核心筒连接，第三段斜撑通过屋顶楼层桁架与核心筒连接。吊装斜撑前，先将楼层钢梁与桁架分段吊装到位（下部设置临时支撑），然后将斜撑吊装到位，依靠事先吊好的楼层梁和桁架作为临时稳定后松钩。

6.2 国家馆屋顶层钢桁架吊装工艺
屋顶钢桁架共包括HJ1~HJ3三种，最长的桁架跨度约为120m。HJ1和HJ2为横穿核心筒结构桁架，各为4榀，均为单片式桁架结构， HJ3为从核心筒挑出最长的桁架，挑出长度约为36m，也为单片式桁架结构。

⑴ HJ1和HJ2安装工艺
根据塔吊起重性能，桁架实行分段吊装，其分段点均断在核心筒结构附近，安装过程先吊装核心筒内劲性部分，然后安装核心筒间分段，最后安装外挑部分。

⑵ HJ3安装工艺
HJ3为直接从核心筒挑出的桁架，挑出长度约为36m，采取挑出长度作为整段的分段进行安装，注意为了避免在高空处理桁架和斜撑连接的复杂节点，桁架与斜撑连接的一小段（4m长度）带在斜撑上起吊安装到位。桁架控制起吊重量约为35t，在工厂制作好以后在现场拼装成整体，然后采用吊机单机直接安装到位，考虑施工过程临时稳定，事先要设置好临时支撑，临时支撑采用圆钢管，下部撑于下面已经安装好的楼层大梁上。然后再行安装桁架，最后将带在斜撑上的一段桁架连同斜撑一起安装到位，待形成稳定结构以后，实行卸载。

6.3 国家馆楼层钢梁吊装工艺
楼层钢梁主要分布在33.15米标高、41.32米标高、49.5米标高和60.3米楼层面。根据设计情况，楼层钢梁单根最重不超过30t，采用单根整体吊装，由较近吊机直接安装到位。注意为了安全起见，下部楼层钢梁安装完毕后要立即将压型钢板铺设完毕，然后安装上部楼层钢梁。各楼层钢梁吊装到位后应待临时固定后方可松钩。

6.4 地区馆结构安装
地区馆结构采取如下施工流程进行安装：
节间钢柱吊装→节点桁架吊装→分段主桁架吊装→主桁架连系杆吊装→节间次桁架吊装（塔吊跨外双机抬吊）→节间檩条吊装（塔吊跨外吊装）→节间次桁架吊装（塔吊跨内吊）→节间檩条吊装（塔吊跨内吊装）→下一节间吊装
典型区间施工流程图如下:

地区馆钢柱上部的节点主桁架安装前下部需要设置临时609钢管支撑，待屋顶结构形成框架后再行卸载拆除支撑,其它分段主桁架待节点主桁架安装并稳定后再行安装到位。

地区馆屋顶次桁架主要分塔吊跨内次桁架和跨外次桁架两种，跨内次桁架采取塔吊直接安装到位的办法进行，跨外次桁架采取双机抬吊的办法解决。

7 实施效果
⑴ 目前上海世博会中国馆工程国家馆和地区馆结构均已经全面封顶，2.2万余吨的钢结构已全部安装到位，焊缝质量一次探伤合格，国家馆斜撑以及屋顶桁架等关键结构的的安装质量全部一次通过监理验收。

    ⑵ 国家馆工程属于大悬挑的外挑结构施工，吊装过程利用结构自身稳定，将斜柱与相关钢梁组合吊装，解决了施工过程临时稳定，降低了施工成本，减少了对下部结构施工的影响，通过其的成功实施与总结将给类似工程的施工带来借鉴之用。
⑶ 整个中国馆钢结构工程于2008年10月初期进入吊装高峰期，全部钢结构于2008年年底全部结束施工，在短短三个月的时间里完成全部2.2万余吨钢结构的安装，地区馆钢结构更是提前结束，节约施工工期约一个月，说明在采取有效针对性的施工技术措施和管理措施下的群塔施工作业是非常成功的。
⑷ 钢结构深化设计预先控制，将深化设计、加工制作与现场施工有机结合，充分考虑施工过程中的结构稳定，为现场吊装提供便利。