梅溪湖国际文化艺术中心艺术馆异形钢结构施工技术

任杰强，黄立沙，巫明杰

（1.梅溪湖投资（长沙）有限公司，长沙410205；2.江苏沪宁钢机股份有限公司，江苏宜兴214231）

梅溪湖国际文化艺术中心艺术馆异形钢结构施工技术

任杰强1，黄立沙1，巫明杰2

（1.梅溪湖投资（长沙）有限公司，长沙410205；2.江苏沪宁钢机股份有限公司，江苏宜兴214231）

结合长沙梅溪湖国际文化艺术中心艺术馆异形钢结构施工实例，针对异形钢结构工程的特点和难点，介绍采取一系列关键技术，圆满解决了艺术馆安装的技术难题，供今后类似工程参考。

异形钢结构；拱桁架；凹屋面；合拢缝；分区卸载

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

1 工程概况

长沙梅溪湖国际文化艺术中心位于长沙市岳麓区梅溪湖畔，总占地面积10万m2，总建筑面积12万m2，包括大剧场和艺术馆两大主体功能，能承接世界一流的大型歌剧、舞剧、交响乐等高雅艺术表演。该工程由世界著名设计大师ZAHA Hadid进行设计，犹如美丽的芙蓉花盛开在梅溪湖畔，极具现代感的流线造型给施工带来极大的挑战。

艺术馆地上4层，总高度约42.5m，其钢结构主要包括楼面钢结构、中庭钢结构部分及屋面钢结构、拱墙等异形结构。钢结构整体模型如图1所示。

2 施工难点

2.1 深化设计难度大

图1 艺术馆钢结构整体模型

由于其流线型设计，加工等深化设计必须运用BIM技术，需采用X-steel及CAD软件进行三维建模，实现拱及屋面等结构的可视化，进行碰撞检测和模拟施工。

2.2 高精度安装难度大

本工程钢结构构件吊装重量大，跨度大，高度高，空间弯曲钢管结构和内凹型屋面钢结构的安装测量、校正和定位以及如何避免吊装变形，快速就位是本工程控制的难点。

2.3 焊接及变形控制难度大

本工程钢结构钢材主要为Q345B，部分采用Q390GJ、Q235B及铸钢材料G20Mn5N，节点强度要求高，节点和构件的壁厚较厚，焊接要求高。现场焊接接头基本呈全位置状态，对焊工操作水平要求高。本工程中采用了大量的焊接节点和钢管相贯焊接节点，焊接熔敷金属量比较多，易产生较大的焊接应力。由于结构形式特殊，焊接收缩引起的结构变形不可忽视，必须有针对性的研究和对应措施。

3 艺术馆异形钢结构施工技术

3.1 中庭拱及玻璃顶桁架施工技术

艺术馆中庭为高耸大空间结构，安装顺序为：拱结构、电梯井结构、玻璃顶桁架。中庭结构安装同时安装外围钢柱、楼面钢梁、最后进行钢结构屋面封顶。中庭钢结构模型如图2。

图2 艺术馆中庭钢结构模型

艺术馆中庭结构位于艺术馆中间位置，分为中庭拱及中庭顶部结构。中庭拱为四边形钢管桁架结构，划分为三段吊装后，最大质量不超过15t；中庭玻璃顶桁架由环形箱型弯扭和网格弯扭箱型构件组成，分段后最大单件质量为玻璃顶桁架南侧分段，质量达到33t。

中庭结构总体顺序为自下而上，由外向内安装。钢拱结构安装采用分段自下而上吊装的方法，将每个拱分为3段，分段点下部设置格构式临时支撑。桁架最大横截面尺寸为4.9m× 2.1m，长度为20m。中庭玻璃顶钢结构采用箱型截面组合而成的单层曲面网格结构，现场拼装时先根据拼装分块的尺寸及高度差设置拼装胎架，拼装完成后采用全站仪进行测量验收。玻璃顶安装时先安装边梁分段，再安装中间分块，采用350t履带吊在北侧通道上进行吊装。

3.2 内凹屋面及拱墙施工技术

艺术馆屋面整体成不规则内凹型，主要由主梁、次梁和钢梁之间的钢管斜撑组成，钢梁在多个位置采用折梁做法。屋面钢梁跨度较大，采用径向主梁分段吊装方法。将径向主梁按总长度及跨间距离分成2～4段不等，分段长度控制在25m之内，采用350t履带吊进行安装。钢梁采用两点起吊，钢梁的安装顺序由外向内进行，先安装径向主梁，后安装径向主梁之间连接的环向次梁，最后安装钢管支撑。

艺术馆拱墙位于艺术馆两个凹进处，由环向弯曲的钢管和径向斜钢管组合而成的网格结构。整个拱墙为异形曲面形状，空间定位较复杂。根据其结构特点，拱墙的安装顺序为自下而上分块吊装进行，将本工程拱墙结构分为若干个网格块进行吊装，并在分块位置设置临时支撑。

3.3 复杂空间结构测量控制技术

该工程整体安装精度要求较高，不但要重视其空间绝对位置，更需精确控制各施工环节的相对精度。

针对本工程结构特点，采用高精度全站仪建立平面控制基准网，采用激光准直仪和全站仪进行平面控制基准的竖向传递；采用电子水准仪建立高程控制基准网，采用全站仪进行高程控制基准的竖向传递。对累积误差的处理，采用在各个吊装单元之间设置嵌补进行调整的办法，逐节消除，防止因累积量过大一次性消除而对结构产生影响。对测量数据，在设计值的基础上加上预变形值后使用，并根据施工同步监测数据，及时调整预变形值。经过以上措施控制，艺术馆钢结构安装达到了其设计精度。艺术馆钢结构施工过程如图3。

图3 艺术馆钢结构施工过程

3.4 焊接变形控制技术

艺术馆钢结构构件材质大量采用了低合金高强钢Q345，且板厚最大达40mm，如何确保现场焊接质量是钢结构现场施工的主要重点。本工程采取以下措施进行焊接应力控制。

1）采用CO2药芯焊丝气体保护焊和焊条手工电弧焊相结合的焊接方法，可减少焊接道数，降低焊接变形和残余应力。

2）焊接坡口以单面开坡口型式为主，减少焊接填充量。现场接头采用单面单边V型，反面设置衬板，根部间隙6～8mm，坡口角度35°。

3）采用“跳仓法”按顺序进行施焊，采取对称焊、分段焊等措施；先焊收缩量大的接头，后焊收缩量小的接头，在尽可能小的拘束下焊接，同一构件两端不同时焊接。

4）部分厚板及铸钢节点焊接采取预热方式，焊接预热是防止低合金高强钢焊接氢致裂纹的有效措施，可以控制焊接冷却速度，减少或避免热影响区中淬硬马氏体的产生，同时还可以降低焊接应力，并有助于氢的逸出。

3.5 分区合拢及卸载施工技术

3.5.1 艺术馆分区合拢缝设置

艺术馆中庭的左右两侧各布置了一组混凝土竖向通风管井，具有很大的竖向刚度，经研究可在上述两个混凝土管井处设置两道钢结构合拢缝，将整个艺术馆钢结构分为3个相对独立的区块。合拢缝位置如图4所示。

图4 艺术馆屋面钢结构合拢缝平面示意图

艺术馆两条合拢缝下部是混凝土空调管井，原钢结构设计在混凝土剪力墙顶部设置了若干竖向钢柱，在钢柱顶与纵向钢梁交接处设置了横向连系梁（合拢缝设置后便成了共用边界）。经计算，艺术馆形成的3个相对独立区块空间刚度与整体模型相比，空间刚度衰减不大，在钢结构允许变形限值及钢材强度允许设计值范围内，合拢缝两侧杆件的位移量叠加值约在10mm左右，在采取必要的焊接措施后，可以保证合拢缝的焊缝焊接质量。实际施工数据证明艺术馆设置合拢缝后，未对结构安全产生明显不利影响，保证了钢结构安全使用。

3.5.2 分区卸载施工技术

结构卸载是将屋盖钢结构从支撑受力状态下，转换到自由受力状态的过程，即在保证现有钢结构临时支撑体系整体受力安全、主体结构由施工安装状态顺利过渡到设计状态。本工程卸载方案遵循“分区、分级、均衡、缓慢”的原则实现。

艺术馆临时支撑按照从上到下，由内而外的总体顺序进行卸载。馆内所有屋盖桁架安装焊接结束，并完成混凝土支座上埋件的焊接后，开始进行馆内临时支撑的卸载。根据卸载工况，先完成中间部位临时支撑的卸载，随后向南北两侧逐根卸载其他临时支撑。馆外部位先拆除支撑结构钢管立柱（斜柱）的支撑胎架，随后进行馆外桁架临时支撑的卸载。

卸载采取分级切割方式，对构件与胎架模板接触点面进行切割，每次切割深度8～10mm。

卸载过程对艺术馆进行检测布控，变形数据控制在允许范围内。

4 结语

长沙梅溪湖国际文化艺术中心艺术馆钢结构形式复杂，构件形状各异，施工难度大。结合现场施工条件，通过采取中庭拱、玻璃顶桁架、内凹屋面及拱墙结构分块拼装吊装、焊接变形控制、分区合拢及卸载等施工技术，有效地解决了施工难题，保证了施工进度、质量和安全。本工程荣获2015—2016年度中国钢结构金奖，收到了良好的经济及社会效益。

【1】中国钢结构协会.建筑钢结构施工手册[K].北京：中国计划出版社，2002.

【2】GB 50661—2011钢结构焊接规范[S].

【3】张利.大跨度钢结构屋盖分块吊装施工技术[J].建筑施工，2011（6）：481-483.

【4】杜秀丽.大跨度钢结构合拢与卸载研究[D].太原：太原理工大学，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.

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TU391

A

1007-9467（2016）10-0109-03

2016-09-29

任杰强（1983～），男，湖南长沙人，一级建造师、工程师，从事建筑工程研究。