71 m机器人雕塑主体钢结构吊装施工技术

李子清 周铁刚 李 强 刘丁刚 邹 鹏 马江滨

中建三局集团有限公司 湖北 武汉 430064

随着城市化进程的加快，文化地标雕塑逐渐成为城市的名片，承载着提升市民文化自信与文化认同的使命。大型地标雕塑往往具有外形复杂、结构特异的特点，目前国内缺少对大型地标雕塑的系统性研究，尤其是针对人形钢结构雕塑工程，尚无相关研究。在人形钢结构施工过程中，采用三维仿真模拟、Midas非线性分析辅助施工模拟分析，为类似大型异形雕塑项目钢结构设计及施工提供了参考[1-6]。

1 工程概况

迪梦温泉小镇（一期）项目机器人雕塑工程位于潍坊市峡山区潍峡路以东、潍胶路以南，星球大战（机器人）雕塑底部为筏板基础，局部为柱下独立基础，基础持力层为②细砂层，上部建设高71.3 m钢结构机器人，手中武器至场馆底部。

钢结构形式采用单层壳体＋钢管桁架组合结构。钢结构主钢架高67.952 m，平面尺寸19.4 mh 33.3 m，按照结构部位，机器人可以划分为主骨架部分＋外层部分＋宝剑部分＋背部部分（图1）。

图1 机器人雕塑结构组成

主骨架为整个机器人的首要受力传力结构，采用空间管桁架结构，f 0 m以下基础部分为外包混凝土钢管柱，各部位均为主管和次管形成的空间结构，其中脚部、腿部、手部和头部均为4根主管形成的空间管结构，胸腹部位为6根主管形成的空间管结构。机器人外层结构通过中间的连接结构和内层主结构连接。剑和背部结构均为管桁架空间结构，背部为全悬挑，悬挑跨度达到6 m。

2 工程特点和难点

1）机器人钢结构主钢架高67.952 m，大构件质量达17 t，吊装高度高、异形空间结构复杂，挠度控制及吊装难度大。

2）机器人背部结构为全悬挑结构，悬挑跨度达6 m，而火箭筒结构总质量达44.4 t，超重悬挑结构安装变形控制难度大。

3）机器人雕塑含多层结构（主骨架＋外层骨架＋外层金属壁板），工程量大，工期紧张，如何通过合理部署实现3层结构不等高同步施工，是实现工期目标的关键。

3 钢结构吊装关键技术

3.1 吊装方案选择

机器人钢结构主钢架尺寸过大，高度高，无法拼装成整体后一次性吊装到位，故而采用主骨架分段吊装、外层结构整散结合的方法减少短时间内所需要的人、材、机配置，同时降低吊装机械要求及对周围地上障碍物影响。

核心主骨架、剑体、背部结构均考虑工厂制作为立体吊装单元体，现场分单元吊装；外层和连接结构部分尽可能在工厂分层制作成片状单元，分层安装过程各层自成工作平台，辅以局部脚手架，自下至上逐层安装。为满足工期要求，主骨架与外层结构、连接结构考虑不等高同步施工，分段主骨架吊装完成后，外层结构同步安装，同时进行下一段主骨架吊装准备。

现场设置1台TC7013塔吊，主要吊装散件等较轻构件，同时配备1台150 t履带吊、1台150 t汽车吊吊装分段单元（图2）。

图2 总体安装布置

3.2 主体钢结构分段

机器人雕塑主骨架按照结构部位最大吊装高度达71 m，核心主骨架、剑体、背部结构均考虑工厂制作为立体吊装单元体，现场分单元吊装。分段时要综合考虑分段质量、分段尺寸大小（是否方便运输）及其安装顺序。

3.2.1 核心主骨架分段

核心主骨架分为脚、腿、躯干、手臂、头部等几个安装单体，每个安装单体根据质量、尺寸分成若干个吊装单元进行吊装，每个吊装单元自重控制在不超过17 t。分段全部在主管位置进行划分，考虑到吊装变形控制，大腿部位设置临时加固单元进行加固。

3.2.2 宝剑及背部结构分段

宝剑部分单元工厂按12 m段加工，质量原则不超过17 t。现场逐段吊装，其中第1段和第2段各分2段加工，长度约12 m，上部根据后续吊装的需要进行分段。背部部分单元吊装全部在地面拼装后再分段进行吊装。

3.3 悬挑结构临时支撑设置

机器人雕塑背部结构为悬挑结构，总质量达44.4 t，为控制背部结构的受力变形，经过受力验算，采用设置临时支撑方式，于背部结构底部设置2处临时支撑架（图3）。

图3 临时支撑架设置示意

临时支撑架以6 m为一标准节，由A、B、C共3个组件构成，可在施工中根据需要随意组合，任意扩展。标准节支撑架截面宽度为1.5 mh 1.5 m，垂直步距为2 m，立杆采用φ168 mmh 8 mm无缝钢管，其他腹杆采用φ89 mmh 5 mm无缝钢管；连接法兰板厚16 mm，其他节点板厚12 mm。钢结构采用Q235B普通结构钢，钢管采用无缝钢管；支撑所有组件均由圆管构成。

3.4 三维施工模拟

确定好最优的杆件拼装顺序后，利用BIM技术三维模拟建模（图4、图5），分析验证起重设备不同工况下在各个站位的吊装能力，同时避免起重设备与塔吊等的碰撞，确定最优的施工顺序和吊装方案。同时对杆件的拼装工序进行三维可视化模拟，通过三维可视化的施工模拟，使施工现场拼装有序进行，保证施工进度与质量。

图4 主龙骨吊装施工模拟

图5 背部结构吊装施工模拟

3.5 不等高同步吊装

主骨架与外层骨架、连接结构考虑不等高同步施工，分段主骨架吊装完成后，外层骨架同步安装，同时进行下一段主骨架吊装准备。躯干部3个单元及散件（最大自重≤15 t）吊装就位后，开始搭设底部局部脚手架，自下至上分层安装脚部、腿部至腰部外层结构。

后续主骨架与外层结构同步不等高施工，直至完成整体安装（图6）。

图6 不等高同步吊装示意

4 异形钢结构有限元分析

根据总体施工方案，运用Midas非线性施工过程分析模块，将计算模型定义为一个施工序列，按照施工顺序，对结构进行逐步激活，得到结构在整个施工过程中刚度及内力的变化情况，验证结构安装顺序、临时支撑方案，确保结构在施工过程中的稳固安全，以及结构在施工过程中内力不超限，变形不超差，并根据结构逐步成形过程中各临时支撑点的受力分析结果，进行临时支撑体系的设计。

结构施工过程中的荷载包括结构自重及施工过程中的施工活荷。结构自重考虑1.2倍的系数。结构位移变形按照结构荷载标准值进行考虑，结构受力荷载组合按1.2恒＋1.4活进行分析考虑。

临时支撑架所承受的荷载包括悬挑桁架结构部分自重、支撑架自重、风荷载。由于安装过程存在诸多不可预见的不利因素，需对主要的荷载进行工况组合。支撑架最大支撑高度为37.0 m，上部所承受最大集中力按照360 kN考虑，同时考虑支撑架上部施工活荷载为2 kN/m2。查GB 50009ü 2012《建筑结构荷载规范》，按照潍坊地区10年一遇风荷载考虑临时支撑架风荷载，基本风压取0.30 kN/m2。

有限元分析结果显示，整个吊装过程中，结构最大位移为26.984 mm，最大应力比为0.253，根据设计规范要求位移率不超过1/400、最大应力比不超过1，经计算，结构位移率为0.001 7，小于1/400，满足变形和强度要求，因此，结构分段安装阶段结构安全，施工可行。

从有限元分析结果还可以看出，背部结构临时支撑最大位移为16.005 mm，最大应力比为0.252，根据设计规范要求位移率不超过1/400，最大应力比不超过1，背部结构临时支撑的最大位移率为0.000 4，小于1/400，满足变形和强度要求，因此，临时支撑设置满足结构要求。

5 结语

本文以71 m机器人雕塑工程为研究对象，针对安装高度高、空间结构复杂、悬挑结构变形控制要求高等难点，研究出 分段拼装＋整散结合＋不等高同步吊装 方式，同时采用三维仿真模拟进行碰撞分析，利用非线性分析方法得到刚度及内力变化，验证了方案可行性。

经现场实际实施，降低了异形钢结构生产安装难度，施工效率大为提高，可为类似大型异形雕塑项目钢结构设计及施工提供参考。