解析首博新館鋼屋蓋的施工法

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首博新館以大跨度鋼屋蓋而業(yè)內(nèi)聞名，這個外形看似簡單，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜的建筑物，其施工法當(dāng)時著實(shí)讓施工單位動了一番腦筋。
    首都博物館新館工程是2001年北京市60項(xiàng)重點(diǎn)工程之一，是新世紀(jì)北京市標(biāo)志性建筑。新館位于西長安街延長線白云路西側(cè)，該館建筑為地上五層、地下二層，總建筑面積為61680平方米，建筑工程預(yù)算投資7.8億元，是新中國成立以來，北京市投資規(guī)模最大的文化公益設(shè)施。
    該項(xiàng)目以大跨度鋼屋蓋而聞名業(yè)內(nèi)。其大跨度鋼屋蓋是由18榀南北向平均分布的主桁架和節(jié)間垂直及水平支撐系桿組成。整個鋼屋蓋支撐于34根搖擺鋼柱上，東西邊桁架下端分別設(shè)8根抗風(fēng)柱，34根搖擺柱，柱頂標(biāo)高均為34.13米（主桁架下弦桿中心標(biāo)高為34.4米），柱距8米（個別16米），整個大屋蓋系統(tǒng)南北向跨度56米，東、西、南三個方向懸挑12米，北側(cè)懸挑21米，單榀主桁架重10～21噸不等，桁架自身高度最大4.5米，間距8米。主桁架及橫向垂直支撐均采用平行弦桁架，主桁架由B軸-G軸2%起坡。主桁架桿件均采用英鋼聯(lián)生產(chǎn)的S355J2H鋼材，此種鋼材具有材質(zhì)輕、剛度大等特點(diǎn)，屋蓋總用鋼量僅約800噸。
    由此，工程的主要施工特點(diǎn)便是鋼桁架跨度大，懸挑長；屋蓋鋼結(jié)構(gòu)在施工過程中剛度小，安裝精度要求高；鋼桁架采用方、圓鋼管桿件，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，加工和安裝難度大，桁架間支撐桿件與主桁架采用高強(qiáng)螺栓連接，高強(qiáng)螺栓總量30000余條；屋蓋鋼結(jié)構(gòu)在安裝過程中受環(huán)境溫度變化和焊接收縮變形影響大；屋蓋與出屋面的橢圓斜筒體在結(jié)構(gòu)上互不相連，使屋蓋系統(tǒng)在橢圓筒周圍由單純的桁架結(jié)構(gòu)變?yōu)殍旒芗泳W(wǎng)架的復(fù)合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，加工和安裝的難度進(jìn)一步加大；因整個屋蓋結(jié)構(gòu)用鋼量低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)所用材料構(gòu)件規(guī)格多（僅屋蓋系統(tǒng)桿件就有5000余根，其中方鋼管共有22種規(guī)格），加大了加工和施工難度。
    獨(dú)辟蹊徑施工
    屋蓋鋼結(jié)構(gòu)雖外形簡單，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，大跨度鋼結(jié)構(gòu)常用的施工方法，如整體提升（頂升）、整體吊裝、滑移法施工等工藝均不適合本工程。綜合考慮屋頂后續(xù)屋面及吊頂工程的施工作業(yè)及屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，施工方?jīng)Q定采用滿堂腳手架、分段吊裝、高空組拼的施工方法。
    具體施工方案是：在預(yù)拼裝場地進(jìn)行89米主桁架的整體拼裝，然后考慮運(yùn)輸情況及根據(jù)現(xiàn)場吊裝機(jī)械的性能分段運(yùn)往現(xiàn)場；利用現(xiàn)場土建的施工東南西北四個角部均布四臺塔吊，作為屋架吊裝的主要機(jī)械—運(yùn)往現(xiàn)場的分段桁架要根據(jù)現(xiàn)場四臺塔吊的機(jī)械性能來確定；單榀主桁架經(jīng)預(yù)拼裝驗(yàn)收合格后，根據(jù)塔吊的起重能力，結(jié)合每榀桁架重量分為3～9段，運(yùn)至現(xiàn)場后進(jìn)行分段吊裝、高空對接；橫向桁架垂直支撐由加工廠整體組裝后，運(yùn)至現(xiàn)場直接起吊；根據(jù)桁架接口位置不同，在腳手架施工前預(yù)設(shè)承重支點(diǎn)，在承重支點(diǎn)上方設(shè)置沙漏千斤頂，以保證主桁架的安裝標(biāo)高，并為將來屋面整體卸荷創(chuàng)造條件。
    由于整個屋蓋形體呈矩形，支撐情況復(fù)雜。南側(cè)9米進(jìn)深、144米長的辦公、科研樓，北側(cè)軸以西的基本展廳以及東北側(cè)位于傾斜橢圓筒體內(nèi)的專題展廳，三座獨(dú)立建筑物群落由覆蓋于其上的鋼結(jié)構(gòu)大屋蓋連接成一個整體，建筑物之間的空間構(gòu)成一個凈空30余米的禮儀大廳，由此形成了整個博物館建筑外型簡潔而不失動感，內(nèi)部空間開敞豐富的建筑風(fēng)格。正是由于上述建筑和結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，使得大屋蓋鋼結(jié)構(gòu)安裝施工成為整個博物館新館工程施工中的一大難點(diǎn)。
    由屋蓋結(jié)構(gòu)及其下部支撐結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)可見，大跨度鋼結(jié)構(gòu)常用的施工方法，如整體提升，分段或整體累計(jì)滑移，整體吊裝，分段吊裝等，無一可以完整運(yùn)用于該項(xiàng)工程的施工。整體吊裝或提升無法應(yīng)用，整榀吊裝現(xiàn)場條件不允許，因而本工程中擬采用高空散拼的安裝方法，即將主桁架在加工廠加工后每榀分為7～8個單元段運(yùn)往施工現(xiàn)場（在施工現(xiàn)場組拼為高空散拼吊裝段）進(jìn)行高空散拼安裝；將加工廠的單元段在地面組拼成已適合塔式吊裝的加工單元段，吊到主樓拼裝架上進(jìn)行就位組拼。
    安裝挑戰(zhàn)高難度
    首都博物館新館工程中鋼屋蓋四周均有尺度較大的懸挑挑檐結(jié)構(gòu)——東西兩側(cè)懸挑12米，北側(cè)懸挑21米。根據(jù)施工方案，屋蓋前九軸范圍內(nèi)的南北兩側(cè)挑檐，屋蓋四角的挑檐采用懸挑法安裝施工。
    挑檐桁架在地面組拼就位后由塔吊吊裝就位，由于構(gòu)件重量相對其他屋蓋構(gòu)件的重量小得多，因而起吊安裝不是難題，但由于建筑設(shè)計(jì)要求屋蓋四角挑檐在尺度上盡量看起來“輕”、“薄”，且挑檐部分的吊頂板為可反映出上部及館內(nèi)空間的不銹鋼板，因此對挑檐鋼結(jié)構(gòu)及吊頂板的安裝平整度提出了很高的要求。本部位懸挑安裝施工的工藝要點(diǎn)就在于精確地控制挑檐下弦軸線的平直度，減小懸挑高度方向的誤差，為吊頂板安裝施工創(chuàng)造條件。
    屋蓋四周大挑檐安裝采用分段吊裝法安裝，可以保證挑檐下弦的安裝位置準(zhǔn)確。但對于屋蓋的四角，由于構(gòu)件斷面小，且縱橫方向均由單根鋼箱梁匯交于角部一點(diǎn)，該部分安裝只能高空散拼。為了切實(shí)保證屋蓋四個大角的標(biāo)高準(zhǔn)確，在屋蓋四角下方搭設(shè)承重支架。由于支架高度大，上層設(shè)攬風(fēng)繩以增加其穩(wěn)定性。承重支架不僅作為四角挑檐構(gòu)件安裝的支點(diǎn)，而且在其上設(shè)置水平儀支架，在屋蓋四周形成一個封閉的標(biāo)高控制網(wǎng)，為挑檐下吊頂板的安裝提供測量基準(zhǔn)。
    鋼屋蓋整體吊裝順序：
    屋面轉(zhuǎn)換柱安裝→轉(zhuǎn)換柱臨時固定→柱間預(yù)應(yīng)力支撐安裝（預(yù)應(yīng)力支撐分三次張拉）→第一間主桁架安裝→校正→固定→驗(yàn)收→以第一間為標(biāo)準(zhǔn)間依次由西向東安裝操作一細(xì)再細(xì)
    因工程鋼桁架的安裝均采用高空散拼法施工，所以需搭設(shè)腳手架，而腳手架的搭設(shè)除每段的受力支點(diǎn)處立桿間距為0.5米外，其余間距均為1.5米。懸挑段腳手架的搭設(shè)： 21米懸挑腳手架的搭設(shè)約需從地下二層頂板開始，高度近36米，因此承重點(diǎn)下的腳手架立桿均為單排，間距為0.5米，其余均為1.5米。
    工程全部搭設(shè)滿堂腳手架，使構(gòu)件在滿堂腳手架上的拼裝胎架上進(jìn)行，有利于拼裝質(zhì)量的保證。由于有腳手架和塔吊的配合，使屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的防水涂料施工和屋面板、吊頂板的安裝施工，屋面吊頂檁條及龍骨的安裝施工均可在腳手架上進(jìn)行，對于保證施工質(zhì)量和加快施工進(jìn)度都有可靠保證，并且腳手架重復(fù)利用率高，這樣也可以大大降低施工成本。
    由于桁架空間直線變化，其高差變化相當(dāng)大，需多次架設(shè)儀器進(jìn)行測定，拼裝操作平臺上垂掛大盤尺，通過高精度水準(zhǔn)儀將后視標(biāo)高逐個引測至每個測量操作平臺上的某一點(diǎn)，做好永久標(biāo)記，作為測量操作平臺上標(biāo)高控制后視點(diǎn)之用。根據(jù)引測各標(biāo)高后視點(diǎn)，分別測出平臺上相應(yīng)下弦控制節(jié)點(diǎn)標(biāo)記點(diǎn)位之實(shí)際標(biāo)高，然后計(jì)算出相應(yīng)控制節(jié)點(diǎn)高度差值，明確標(biāo)注于測量平臺相應(yīng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)記點(diǎn)，以此作為桁架分段組裝標(biāo)高的依據(jù)，標(biāo)高控制目標(biāo)為±10.0毫米。
    根據(jù)工程施工測量面積大、周期長、精度要求高等特點(diǎn)，為了每榀桁架的安裝偏差結(jié)果便于分析比較，以使整個施工過程的誤差處于受控狀態(tài)，施工中采用全過程定點(diǎn)跟蹤測量的方法。根據(jù)測量溫度及測量時間不同，對主桁架安裝偏差進(jìn)行全程觀測，在節(jié)間桿件安裝、焊接及高強(qiáng)螺栓等工序的施工過程中，固定時間進(jìn)行觀測，并記錄軸線標(biāo)高、垂直度誤差結(jié)果，并對結(jié)果進(jìn)行分析，以便及時進(jìn)行調(diào)整控制誤差。
    目前， 首博新館鋼屋蓋工程已經(jīng)完工，并且已獲得鋼結(jié)構(gòu)長城杯。其采用合理的施工方法保證了工程如期完工，為鋼屋蓋系統(tǒng)后續(xù)工作的施工創(chuàng)造了條件。