多个场馆椭圆形屋盖钢结构的深化设计及施工

孙云飞

上海建工一建集团有限公司 上海 200120

随着钢结构场馆类建筑的大规模建造，建筑外形逐渐由传统大型场馆的几何形屋盖，转变为多个几何图形组合的屋盖形式。对于多个圆形、椭圆形结合一体的屋盖施工，如何提高非标准钢构件的制作精度，提高多构件拼接质量和效率，实现大跨度空间内机械最优配置，都是必须解决的问题。

本文结合工程案例，通过充分发挥BIM三维模拟技术的可视性、参数化、模型化特点，对场馆构件进行建模、定位以及合理分段，利用施工模拟分析，从而优化屋盖吊装过程[1-6]。

1 工程概况

本工程基地总面积约4 2 8 5 7 m2，总建筑面积5 436 m2。其中，艺术馆建筑面积4 999 m2，辅助用房建筑面积437 m2，由4个圆形展览单元和1个椭圆形综合单元组成（图1）。

图1 场馆平面布置

艺术馆展览单元圆馆半径约为16 m，建筑高度为7.93 m，综合单元椭圆馆长轴长度约53 m，短轴长度约35 m，建筑高度为10.81 m；辅助用房建筑高度为4 m，均为钢梁、钢柱结构形式。

综合单元：椭圆形结构，由24根方钢柱（柱顶标高＋6.80 m）以及4道环形屋面钢梁（约102根）组成，屋面由内向外第1道环形钢梁为内悬挑钢梁，第4道环形钢梁为外悬挑钢梁。

椭圆馆长轴长度约53 m，短轴长度约35 m，其中外侧悬挑钢梁长度最长为9.5 m，最短悬挑长度为1.0 m，内侧悬挑长度为1.5～4.0 m。

钢连廊：馆与馆之间设有连廊结构，连廊顶标高为＋3.35 m，每段连廊两端与馆内钢结构吊柱焊接连接，其中1#与2#馆之间连廊设有双曲方管支撑，双曲方管支撑与倒插式钢柱（倒插约1.95 m）连接。

2 施工难重点及措施

2.1 艺术馆屋顶钢梁造型新颖，安装精度控制难

本项目5个单元屋顶钢梁均存在一定的坡度，且屋顶钢梁涉及大量的悬挑钢梁，钢梁安装过程中，钢梁的安装定位精度控制难。

应对措施：综合考虑结构形式、安装工况、构件尺寸等因素后，根据安装顺序合理进行构件分段，减少悬挑钢梁的安装。次梁安装时，钢梁端部设置靠码板，安装时用高精度全站仪对每根构件进行三维定位测量，以保证钢梁的安装精度。

2.2 施工场地狭小，工期紧，吊装布置困难

本项目5个单元同时施工，周边运输道路尚未施工完成，前期桩基施工时场地内设有放坡，场内道路仅有临时便道和5个单元中间区域的临时道碴堆场，施工场地狭小，钢结构吊装设备无法靠近构件安装位置，同时本项目工期要求紧，因此合理的吊装布置是本项目钢结构施工的一大重点。

应对措施：根据本工程的建筑、结构及施工特点，结合现场的场地布置，对钢构件进行合理的分段。受场地限制，经综合比选，投入1台150 t履带吊作为主要吊装施工机械，另外投入1台50 t汽车吊和1台25 t汽车吊作为辅助吊装施工机械。

2.3 弧形屋面悬挑构件类型多，施工效率低

本项目场馆存在较多悬挑钢梁，悬挑钢梁长度1.0～9.5 m，悬挑钢梁质量0.5～5.0 t。如何保证焊接质量，提高焊接效率是本项目的重大难点。

应对措施：建立弧形屋盖三维模型，进行编号分类堆放，分馆集中进行钢结构安装。

3 技术路线及机械部署

综合考虑本工程工期紧、施工场地有限等特点，设计总体技术路线为：场馆主体钢结构施工（3#→4#→5#→2#→1#）→各馆夹层钢结构施工→馆间弧形连廊钢结构施工。

场馆钢柱、钢梁（包括部分悬挑钢梁）吊装阶段，因施工场地内施工道路限制，主要施工机械有1台150 t履带吊、2台50 t汽车吊（图2）。

图2 施工机械平面布置

馆内夹层钢结构吊装采用卷扬机和手拉葫芦配合安装，汽车吊负责构件翻运至起吊所需位置。

馆间连廊钢结构施工时，主体结构和吊夹层已施工完成，受限于运输车辆不得超宽，因此连廊钢结构考虑分段进入现场，地面拼装成整体后安装就位。连廊采用50 t汽车吊安装，25 t汽车吊作为辅助施工机械用以翻运构件及场地内拼装。

4 钢结构安装施工

4.1 平面及三维模型定位

结合弧形异形钢构件建筑结构平面图，利用Tekla软件制作BIM三维模型，施工前复核模拟主体结构钢构件的优化分段、馆间夹层施工、节点处构件的安装组合（图3）。

图3 椭圆形钢结构三维模型

1#、2#馆间的钢连廊斜支撑为不规则单曲面构件，建立BIM构件模型，利于提取构件相关尺寸信息，以便构件加工，减少安装误差（图4）。

图4 连廊斜支撑三维模型

4.2 构件分段设计

4.2.1 钢柱分段

根据结构设计图纸及项目总体施工流程，钢柱分为2段吊装，第1段为预埋段，标高为－1.90～＋1.10 m，第2段标高为＋1.10～＋6.90 m。

4.2.2 连廊斜支撑分段

场馆之间的连廊长度（约13 m）满足运输要求，但宽度存在超宽，因此将连廊沿长度方向分为2个部分。另外较长的馆间连廊根据结构形式及长度尺寸，在长度上将连廊分为3段，每段长度13～15 m，每段同样沿长度方向分为2个部分。1#～2#馆连廊斜支撑分为3段（图5）。

图5 斜支撑分段及质量

4.3 钢结构安装

4.3.1 钢柱吊装

先进行预埋段钢柱安装。钢柱安装前进行柱脚螺杆安装，按照坐标放置定位钢板，在预埋段钢柱吊装前进行安装质量复核。

第2节钢柱最大质量为7.3 t，吊装半径为40 m，大臂长度66 m，起重量为8.8 t，满足要求。构件为3.6 t时，吊装半径为56 m，起重量为4.1 t，满足要求。

4.3.2 屋面钢梁吊装

1 t以下构件由2台50 t汽车吊在26 m以内半径吊装，50 t汽车吊大臂长度32.75 m，起吊半径26 m时，起重量为1.4 t，满足要求。

1 t以上构件，屋面钢梁最大质量为6.0 t，采用1台150 t履带吊吊装施工，主臂长度66 m，吊装半径为40 m时，起重量为8.8 t，满足吊装要求。

4.3.3 操作脚手架设计

钢柱安装完成后搭设脚手架进行钢梁的安装，操作平台围绕钢柱设垂直爬升通道，搭设1.2 m×1.2 m、步距1.8 m的钢管操作平台。

4.3.4 连廊安装工艺

馆间连廊斜撑安装：先安装倒插式钢柱，再安装两侧斜撑。安装斜撑时，在斜撑悬挑端设置胎架作支撑，采用φ609 mm支撑，支撑下设置路基箱，待1#、2#连廊安装完成后拆除支撑（图6）。

图6 连廊斜支撑分段及安装示意

钢连廊主要由4根主钢管（φ203 mm×8 mm）组成，钢管之间每间隔1 m采用钢管（φ108 mm×5 mm）构件现场散拼。馆间钢连廊分3榀进行拼装就位，先在安装平面位置正下方散拼完成，再利用50 t汽车吊将3榀钢连廊进行整拼吊装，安装就位。

5 结语

应用BIM三维模拟技术，对圆形椭圆形屋盖，馆间连廊、连廊单曲面斜支撑等构件进行建模。因为悬挑结构多，长度不一，应力和变形较复杂，进行模拟建造，实现了构件合理分段，分段构件信息的信息精准提取，优化了场馆施工路线，保证了钢结构构件制作精度，减少了吊装拼接误差，有效缩短了屋盖吊装施工工期。