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1、空间弯扭钢结构施工技术报告中国二十二冶集团北京天润建设有限公司二零一二年五月二十日空间弯扭钢结构施工技术报告1、课题摘要随着建筑业的快速发展，钢结构在建筑市场占有的比例越来越大，建筑造型越来越新颖，结构随之越来越复杂，特别是大跨度空间弯扭结构，传统的钢筋混凝土结构是无法满足结构受力以及建筑造型的要求。相对于钢筋混凝土结构，钢结构具有自重轻强度高、延展性好、施工周期短、抗震性能好、可工业化生产等特点，能够满足各种复杂建筑造型的要求。工业化生产能够保证空间扭曲结构构件的质量以及精度要求，如何将这些成品构件通过施工现场组装成一个建筑成品，满足结构与建筑的要求，因此需要一套空间弯扭钢构件安装技术。中国
2、二十二冶集团北京天润建设有限公司开展了一系列科技创新活动，实践了一整套空间弯扭钢结构施工方法，取得了良好的效果。于2012年5月份通过国内科技查新。本文结合凤凰国际传媒中心工程的应用实际，主要介绍了莫比乌斯环空间弯扭钢结构施工技术。2、立题依据2.1本课题研究项目发展概况及趋势钢结构在建筑市场占有的比例越来越大，建筑造型越来越新颖，结构随之越来越复杂，特别是大跨度空间弯扭结构，传统的钢筋混凝土结构是无法满足结构受力以及建筑造型的要求。复杂的莫比乌斯环空间弯扭结构的钢构件呈现双向弯扭形式，这种结构在中国乃至世界较为少见，对施工单位是一种挑战，而通过该结构的施工有利于积累复杂钢结构的施工经验，为同
3、类型复杂空间弯扭钢结构施工技术提供依据。与国内外同类技术水平比较，这种莫比乌斯环空间弯扭钢结构施工技术具有安全可靠、节约成本、施工速度快、安装精度高、经济效益和社会效益显著的特点。以其精美的造型、流畅的线条为世人呈现一件完美的建筑艺术品。3、技术方案3.1 研究的主要技术指标（1）异形结构巨型埋件深化设计精确，埋件角钢与钢筋相避开保证埋件顺利精确安装；（2）铸钢万向铰支座的应用及准确定位；（3）莫比乌斯环空间弯扭钢构件保证加工精确，以保证现场安装准确；（4）莫比乌斯环空间弯扭钢构件安装工序复杂，合理安排工序保证钢结构顺利安装；（5）莫比乌斯环空间弯扭钢结构合拢对接准确；（6）莫比乌斯环空间弯扭
4、钢结构卸载达到合理、有序、平稳、缓慢、均匀、可操作的效果；（7）莫比乌斯环空间弯扭钢构件空间定位准确；（8）空间格构柱支撑应用保证构件安装方便准确；（9）双曲幕墙连接杆与主肋同时加工制作，保证幕墙杆件与主肋一样线形光顺、圆滑。3.2需要解决的技术问题（1）异形结构巨型埋件深化设计及安装；（2）铸钢万向铰支座的应用及定位；（3）莫比乌斯环空间弯扭钢构件加工；（4）莫比乌斯环空间弯扭钢构件安装；（5）莫比乌斯环空间弯扭钢结构合拢；（6）莫比乌斯环空间弯扭钢结构卸载；（7）莫比乌斯环空间弯扭钢构件空间定位；（8）空间格构柱支撑应用；（9）双曲幕墙连接杆与主肋同时加工制作。3.3本课题研究实施过程3.
5、3.1巨型埋件深化设计与安装施工外壳钢结构主次肋落脚点位于-0.2m标高位置的楼板上，主次肋与混凝土结构连接点采用预埋件进行过渡。最大预埋件为7m*2m，约8.6t，最小埋件为1.3m*1.3m,约0.92t， 数量达116个。3.3.1.1巨型埋件深化原则（1）梁主筋根据箍筋支数设置，等间距摆放（根据角钢适当调整间距）；（2）角钢位置可避开梁筋进行调整，但必须保证角钢数量与设计数量相符；（3）埋件四角处的角钢角与钢板角相对应；（4）为了保证焊接强度，角钢与灌浆孔相避开；（5）距外壳主次肋焊缝100mm范围内不得开灌浆孔；（6）灌浆孔直径为150mm；（7）埋件角钢中心间距不得超过400mm，
6、否则需加设角钢或者钢筋。典型埋件加工深化图3.3.1.2巨型埋件安装前要求巨型埋件锚爪角钢最大为L200，角钢占用空间大，数量多，并且埋件部位配筋密集，角钢与梁板钢筋冲突。埋件需进行三维设计，以三维的方式展示埋件角钢与梁板钢筋间的相对关系，在规范及设计允许的范围内重新调整埋件角钢位置以及梁板钢筋的布置。3.3.1.3巨型埋件安装深化设计是在有限的空间进行埋件角钢以及梁板钢筋布置，深化设计时，埋件角钢与梁板钢筋间保证有效间隙。由于钢筋在加工、绑扎过程中存在着误差，钢筋绑扎前在模板上准确弹出埋件边线以及角钢位置，采用多层板 1:1制作出角钢模型，并固定在模板上，然后再进行钢筋绑扎，埋件安装前取出模
7、型即可。大埋件安装大埋件预定位木箱 3.3.2莫比乌斯环钢结构加工制作3.3.2.1深化设计本工程钢结构屋架属超大跨度钢结构，由双向交叉双全梁结构及竖向支撑系统组成，长约130m ，宽约124m，由箱形截面构件（轮廓尺寸为700mm*500mm）形成的梯形网格构成，且构件具有不同程度的空间扭曲特征。钢结构外表面为自由曲面，采用整体钢结构将办公楼和演播楼整体笼罩起来，整体钢结构为双向交叉双全梁结构体系，外层（上层）钢梁为梯形箱梁截面，内层（下层）钢梁为圆钢管截面。主肋共618段，次肋共1509段，没有任何两根构件形状相同。本工程深化设计中为保证和设计方的资料能够良好结合，在深化过程中采用了犀牛和
8、AutoCAD软件进行图纸的深化和出图。3.3.2.2空间弯扭箱形结构加工制作加工制作包括：压制直缝管的加工、常规箱型钢梁加工、拼焊H钢加工、弯扭箱型钢梁加工及钢管弯制等，在此以弯扭箱型梁加工说明加工工艺。加工完毕的样箱扭曲箱形四块壁板均为空间弯扭形状，且弯扭曲率比较大，箱体弯扭壁板加工成型时，制作1：1 的加工样箱，为控制放样下料精度，壁板展开采用计算机精确放样，根据展开的线型数据，输入数控切割机进行壁板的下料切割。将每块加工成型后的弯扭壁板用样箱进行检测，超差处再进行加工矫正，保证每块壁板的加工成型满足组装要求。本工程屋盖构件除少量为单曲形箱梁外，其余均为空间弯扭箱形结构。另外，由于箱体壁
9、厚从16mm115mm厚薄相差较大，并且扭曲幅度非常大，加工成型和焊接变形较难控制，所以加工制作难度非常大，必须按特殊构件进行重点分析并制订相应可行的加工工艺来保证其制作精度要求。3.3.2.3空间弯扭箱形构件胎架制作箱体拼装采用将构件卧放于平台上进行拼装，将箱体轴心线两端处于同一水平面内，沿轴心线作一水平面，以此水平面作为胎架制作的基准面，胎架模板数据可根据此水平面进行计算得到。采用胎架的优点如下：箱体胎架（1）构件制作精度易于控制、监测，可操作性强；（2）焊接变形易于监控；（3）节点牛腿位置定位精度易于掌握、监控；（4）构件的板材定位方便。3.3.2.4空间弯扭箱形构件的检测双曲弯扭构件检
10、测示意图选择可利用的原组装胎架进行定位，定位必须定对端面垂直度、腹板左右水平对合线的水平度，以及与胎架接触面的间隙尺寸，然后在弯扭构件四条棱线上进行弧长等分，将等分点划出，用两台全站仪进行对各等分点的空间坐标进行测量，然后根据测得的坐标点经转化后与图纸理论坐标进行核对，得出弯扭构件组装焊接后的实际变形情况，对超差处用火焰进行局部校正。3.3.2.5构件预拼装为检测构件加工精度以及保证现场安装的顺利进行，在构件加工完毕后需进行预拼装。次肋为圆管，主肋安装完毕后次肋在安装过程中无法定位测量，通过预拼装进行次肋准确定位，并进行连接板的焊接，以便于次肋在现场安装时定位需要。主次肋单元预拼装钢拱桥预拼装
11、3.3.2.6双曲幕墙连接杆加工制作为消除幕墙杆件现场焊接带来的误差，影响幕墙的曲面，以及现场焊接对主肋受力的不利影响，在主肋加工制作时双曲幕墙杆件须一同施工，保证幕墙杆件与主肋一样线形光顺、圆滑。幕墙杆件在工厂内与主肋一同加工，不但对幕墙安装带来便利，而且能够提高施工速度，缩短整改工期。3.3.3莫比乌斯环钢结构安装施工3.3.3.1钢结构罩棚施工难点安装工序复杂。包括铰支座安装、七米平台安装、外壳钢结构安装、钢拱桥安装、旋转坡道安装、通天楼梯及马道安装、东西两侧连接段安装、合拢连接段的安装。钢构件安装测量难度大。主肋分段安装、拱桥分段安装、旋转坡道、马道及通天楼梯等每一步的安装、结构体系的
12、卸载以及卸载稳定后的定期变形观测，必须由测量人员进行跟踪控制。同时绝大多数的构件的定位控制均需在高空进行，不但需要建立平面控制网，还须建立空间三维控制网，以便于构件的空间定位，保证测量精度。并且构件截面按相关规定采用了非平口的形式，给测量控制工作带来相当大的难度。支撑体系要求高。在钢结构的安装过程中，一般的脚手架支撑无法确保吊装定位的安全、稳定、精确定位，通过采用稳定有效的格构柱支撑体系实现精密的测量定位控制、焊接质量控制和高质量标准。钢结构合拢控制。为保证结构使用过程中的安全，必须选择合适的合拢温度，以减小结构使用过程中的温度变形和温度应力。由于本工程大跨度钢结构的平面尺度很大，温度变化将在
13、结构中引起很大的内力和变形，对结构的安全性将产生显著的影响，必须对钢结构合拢采取一系列的控制。卸载是本工程的重中之重。本工程一共布置了399个卸载支撑，卸载点分布范围较大，对于此类大跨空间结构，最优的卸载方式是399个支撑同步卸载，但难度巨大，确定采用“分区分步”的方式卸载。 3.3.3.2钢结构施工流程3.3.3.3钢结构罩棚测量控制A 平面控制网建立测量控制点布置图根据总平面图及施工场地的地形条件本工程采用导线网。以前期土建主体结构的控制网作为场区控制网。B 高程控制网测设根据水准基准点（考虑到现场通视和场地条件布设），采用闭合水准路线的测量施测方法建立本工程场区高程控制网，距离建筑物、构
14、筑物不宜小于25m，距离回填土边线不宜小于15m。高程水准点精度不宜低于三等水准的精度。C 安装测量是本工程测量工作中的重中之重，对其测量要求必须严格按施工图纸及相应的国家测量规范要求做到从整体到局部，先控制后细部。D 要求在工厂加工制作时用洋冲对测量定位点做好标记。E 临时支撑点高程的复测及控制临时支撑作为本工程结构安装的辅助措施，要求对其高程进行测量定位。F 埋件的复测及主次肋支座分段的测量控制测量导线点引测示意图根据场区实际情况，全部布设导线网点覆盖整个测区的前提下，地面区域的导线点，采用闭合导线的测量施测方法，进行导线点的布设。共布设导线点5点。同时为方便外壳上部区域的观测，在办公楼以
15、及演播楼各布设1点导线点，并采用附合导线的测量施测方法与已知点位进行联测。构件安装测量定位措施根据测量控制点及工程的平面尺寸，进行预埋件的复测及支座定位轴线的放线。构件的测量定位以钢结构施工图中的定位数据为依据；主肋结构的测量定位保证措施如下：主肋在吊装就位进行固定前应根据施工图对其控制点进行测量定位调整至控制点坐标在规范规定的允许范围内方可进行定位固定；主肋的测量控制点选择在分段上端口外边线的中点（当有卸载监测要求的部位，对相应的主肋测量控制点进行另行标记）。当进行至主肋中间分段安装前需要对其两端连接的分段进行测量，以确认其偏差在允许范围内而后再进行安装；如果其两端偏差过大，先找出偏差原因，并采取有效措施调整至正确位置后再进行中间分段的安装。利用全站仪对吊装构件的测量定位具体操作如下：在内业利用三维模型获得定位控制点的三维坐标，或直接采用施工图纸中的点位坐标；在适当的位置设置全站仪，并精确调平；单棱镜的司尺人员在测量控制网中的一个已知控制点上架设单棱镜（后视）；测站（操作全站仪的地点）的人员
