摘 要:鳳凰國際傳媒中心工程,是全新概念的媒體體驗艙,它超越了以往媒體與觀眾隔著屏幕交流的關(guān)系,將觀眾引入開放的莫比烏斯環(huán)空間中,感受鳳凰傳媒的魅力。辦公樓及演播樓外圍包裹鋼結(jié)構(gòu)外殼,采用莫比烏斯環(huán)造型,獨特新穎,分內(nèi)外兩層,各自采用大小不等的梯形截面的彎扭箱型構(gòu)件,相互交叉編織而成。鋼結(jié)構(gòu)外殼包括鋼結(jié)構(gòu)罩棚、內(nèi)部旋轉(zhuǎn)坡道、通天樓梯、拱橋、鋼平臺、馬道及幕墻次結(jié)構(gòu)七大部分,是繼奧運工程之后鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工的又一力作。
相對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕強度高、延展性好、施工周期短、抗震性能好、可工業(yè)化生產(chǎn)等特點,能夠滿足各種復(fù)雜建筑造型的要求。隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)在建筑市場占有的比例越來越大,建筑造型越來越新穎,結(jié)構(gòu)隨之越來越復(fù)雜,特別是大跨度空間彎扭結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是無法滿足結(jié)構(gòu)受力以及建筑造型的要求。
圖1 鋼結(jié)構(gòu)輪廓圖(鳳凰國際傳媒中心工程)
1. 工程概況
鳳凰國際傳媒中心建筑面積64973m2地上建筑面積29973m2地下建筑面積35000m2由辦公樓和演播樓以及鋼結(jié)構(gòu)外殼三部分組成。辦公樓10層,演播樓4~6層,地下3層為車庫和機房層。結(jié)構(gòu)類型為方鋼管混凝土框架-型鋼混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)外殼包括鋼結(jié)構(gòu)罩棚、內(nèi)部旋轉(zhuǎn)坡道、通天樓梯、拱橋、鋼平臺、馬道及幕墻次結(jié)構(gòu)七大部分。鋼結(jié)構(gòu)罩棚表面積約為27500 m2,重量達(dá)5200t左右,設(shè)計采用莫比烏斯環(huán)造型,獨特新穎,分內(nèi)外兩層,各自采用大小不等的梯形截面的彎扭箱型構(gòu)件,相互交叉編織而成,其頂部通過V型支撐與裙樓和主樓的屋頂混凝土結(jié)構(gòu)相連,建筑造型十分復(fù)雜。
2. 工程施工難點
本工程鋼結(jié)構(gòu)屋架屬超大跨度鋼結(jié)構(gòu),由雙向交叉雙全梁結(jié)構(gòu)及豎向支撐系統(tǒng)組成,長約130m ,寬約124m,由箱形截面構(gòu)件(輪廓尺寸為700mm×500mm)形成的梯形網(wǎng)格構(gòu)成,且構(gòu)件具有不同程度的空間扭曲特征。鋼結(jié)構(gòu)外表面為自由曲面,采用整體鋼結(jié)構(gòu)將辦公樓和演播樓整體覆蓋起來,整體鋼結(jié)構(gòu)為雙向交叉雙全梁結(jié)構(gòu)體系,外層(上層)鋼梁為梯形箱梁截面,內(nèi)層(下層)鋼梁為圓鋼管截面。主肋共618段,次肋共1509段,沒有任何兩根構(gòu)件形狀相同。
鋼構(gòu)件安裝測量難度大。主肋分段安裝、拱橋分段安裝、旋轉(zhuǎn)坡道、馬道及通天樓梯等每一步的安裝、結(jié)構(gòu)體系的卸載以及卸載穩(wěn)定后的定期變形觀測,必須由測量人員進(jìn)行跟蹤控制。同時絕大多數(shù)的構(gòu)件的定位控制均需在高空進(jìn)行,不但需要建立平面控制網(wǎng),還須建立空間三維控制網(wǎng),以便于構(gòu)件的空間定位,保證測量精度。并且構(gòu)件截面按相關(guān)規(guī)定采用了非平口的形式,給測量控制工作帶來相當(dāng)大的難度。
安裝工序復(fù)雜。包括鉸支座安裝、七米平臺安裝、外殼鋼結(jié)構(gòu)安裝、鋼拱橋安裝、旋轉(zhuǎn)坡道安裝、通天樓梯及馬道安裝、東西兩側(cè)連接段安裝、合龍連接段的安裝。
支持體系要求高。在鋼結(jié)構(gòu)的安裝過程中,一般的腳手架支持無法確保吊裝定位的安全、穩(wěn)定、精確定位,通過采用穩(wěn)定有效的格構(gòu)柱支撐體系實現(xiàn)精密的測量定位控制、焊接質(zhì)量控制和高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
鋼結(jié)構(gòu)合龍控制。為保證結(jié)構(gòu)使用過程中的安全,必須選擇合適的合龍溫度,以減小結(jié)構(gòu)使用過程中的溫度變形和溫度應(yīng)力。由于本工程大跨度鋼結(jié)構(gòu)的平面尺度很大,溫度變化將在結(jié)構(gòu)中引起很大的內(nèi)力和變形,對結(jié)構(gòu)的安全性將產(chǎn)生顯著的影響,必須對鋼結(jié)構(gòu)合龍采取一系列的控制。
卸載是本工程的重中之重。本工程一共布置了399個卸載支撐,卸載點分布范圍較大,對于此類大跨空間結(jié)構(gòu),最優(yōu)的卸載方式是399個支撐同步卸載,但難度巨大,確定采用“分區(qū)分步”的方式卸載。
3. 鋼結(jié)構(gòu)施工工藝
工藝流程:施工準(zhǔn)備→支撐體系安裝→構(gòu)件吊裝就位→測量定位→構(gòu)件焊接→合龍→卸載
3.1施工準(zhǔn)備
3.1.1 巨型埋件施工
外殼鋼結(jié)構(gòu)主次肋落腳點位于-0.2m標(biāo)高位置的樓板或梁上,主次肋與混凝土結(jié)構(gòu)連接點采用預(yù)埋件進(jìn)行過渡。最大預(yù)埋件為7m*2m,約8.6t,實現(xiàn)142個巨型埋件安裝準(zhǔn)確定位,為實現(xiàn)外殼鋼結(jié)構(gòu)安裝奠定堅實基礎(chǔ)。
3.1.2 彎扭構(gòu)件加工
扭曲箱形四塊壁板均為空間彎扭形狀,且彎扭曲率比較大,為控制放樣下料精度,壁板展開采用計算機精確放樣,根據(jù)展開的線型數(shù)據(jù),輸入數(shù)控切割機進(jìn)行壁板的下料切割。
箱體彎扭壁板加工成型時,制作1:1 的加工樣箱,將每塊加工成型后的彎扭壁板用樣箱進(jìn)行檢測,超差處再進(jìn)行加工矯正,保證每塊壁板的加工成型滿足組裝要求。重要構(gòu)件進(jìn)行預(yù)拼裝后出廠。
3.1.3 鉸支座制作安裝
鉸支座為鋼結(jié)構(gòu)罩棚與埋件的連接件,為鑄鋼件,含有萬向軸承,能消除卸載、溫度變化等因素產(chǎn)生的應(yīng)力及變形。鉸支座的準(zhǔn)確定位及焊接質(zhì)量,是整個鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。
3.2 支撐體系安裝
在設(shè)計中除了按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范計算臨時支撐剛度、強度、穩(wěn)定性外,還必須采取必要的措施確保支撐體系的可靠性。并且在臨時支撐的底部應(yīng)當(dāng)有合理的構(gòu)造措施使得下部的荷載有效地傳遞。在滿足前面幾條原則并具有足夠的富余度的基礎(chǔ)上,還需要考慮到支撐設(shè)置的經(jīng)濟性。
3.2.1 臨時支撐形式
根據(jù)工況計算用于本工程的臨時主要有獨立的格構(gòu)式支撐,旋轉(zhuǎn)坡道處的格構(gòu)柱組合的門架式支撐及主樓南北兩側(cè)的三腳架式支撐。
格構(gòu)式支撐標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計截面尺寸為1.2m×1.5m,弦桿(立桿)采用Φ159*6鋼管,腹桿采用L75×6角鋼。水平腹桿的豎向間距取2.0m。頂端根據(jù)所支撐的結(jié)構(gòu)作相應(yīng)的構(gòu)造設(shè)計。
3.2.2 安裝用臨時支撐布置圖
圖2 主肋安裝臨時支撐平面布置圖(莫比烏斯環(huán)鋼結(jié)構(gòu))
圖3旋轉(zhuǎn)坡道及通天梯臨時支撐布置軸測圖(鳳凰國際傳媒中心工程)
3.3、構(gòu)件吊裝就位
吊裝主要工藝流程:
現(xiàn)場吊裝施工主要工藝流程為:先進(jìn)行鋼外殼支座節(jié)點的安裝,然后進(jìn)行裙樓和主樓外殼鋼結(jié)構(gòu)的安裝(裙樓安裝時穿插7m平臺鋼梁的安裝),而后進(jìn)行內(nèi)部鋼拱橋、旋轉(zhuǎn)坡道、通天樓梯的安裝及馬道結(jié)構(gòu)的初步安裝,再進(jìn)行主、裙樓中間連接部位外殼體的安裝,最后進(jìn)行馬道的安裝定位。
3.4 測量定位
3.4.1測量重點
施測前工應(yīng)對軸線控制點和水準(zhǔn)點認(rèn)真校核,對圖紙進(jìn)行認(rèn)真審核。由測量人員對構(gòu)件及定位位置的控制點進(jìn)行檢查和必要的復(fù)核。
本工程測量定位重點是鉸支座安裝、主肋分段安裝、拱橋分段安裝及旋轉(zhuǎn)坡道分段的安裝。
3.4.2安裝測量步驟
a平面控制網(wǎng)建立
圖4 測量控制點平面布置圖(鳳凰國際傳媒中心工程)
b高程控制網(wǎng)測設(shè)
c要求在工廠加工制作時用洋沖對測量定位點做好標(biāo)記。
d 臨時支撐點高程的復(fù)測及控制
e 埋件的復(fù)測及主次肋支座分段的測量控制
3.4.3構(gòu)件安裝測量定位措施
根據(jù)測量控制點及工程的平面尺寸,進(jìn)行預(yù)埋件的復(fù)測及支座定位軸線的放線。構(gòu)件的測量定位以鋼結(jié)構(gòu)施工圖中的定位數(shù)據(jù)為依據(jù);主肋結(jié)構(gòu)的測量定位保證措施如下:
主肋在吊裝就位進(jìn)行固定前應(yīng)根據(jù)施工圖對其控制點進(jìn)行測量定位調(diào)整至控制點坐標(biāo)在規(guī)范規(guī)定的允許范圍內(nèi)方可進(jìn)行定位固定;主肋的測量控制點選擇在分段上端口外邊線的中點(當(dāng)有卸載監(jiān)測要求的部位,對相應(yīng)的主肋測量控制點進(jìn)行另行標(biāo)記)。當(dāng)進(jìn)行至主肋中間分段安裝前需要對其兩端連接的分段進(jìn)行測量,以確認(rèn)其偏差在允許范圍內(nèi)而后再進(jìn)行安裝;如果其兩端偏差過大,先找出偏差原因,并采取有效措施調(diào)整至正確位置后再進(jìn)行中間分段的安裝。
利用全站儀對吊裝構(gòu)件的測量定位具體操作如下:
在內(nèi)業(yè)利用三維模型獲得定位控制點的三維坐標(biāo),或直接采用施工圖紙中的點位坐標(biāo);
在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置全站儀,并精確調(diào)平;
單棱鏡的司尺人員在測量控制網(wǎng)中的一個已知控制點上架設(shè)單棱鏡(后視);
測站(操作全站儀的地點)的人員將各項相關(guān)參數(shù)設(shè)置到符合測量的狀態(tài):如棱鏡常數(shù)的設(shè)置等;
照準(zhǔn)單棱鏡進(jìn)行測量,得到后視點的坐標(biāo)數(shù)據(jù);
小棱鏡的司尺人員在臨時支撐或構(gòu)件分段的測量控制點按要求放置小棱鏡;
照準(zhǔn)小棱鏡得到測控點的三維坐標(biāo)與內(nèi)業(yè)中的已知控制點的坐標(biāo)進(jìn)行比較若偏差符合定位要求即定位;否則調(diào)整、復(fù)測至符合要求再進(jìn)行定位。
圖5主肋分段測量控制點
圖6典型主肋的安裝順序
3.5 構(gòu)件焊接
本工程鋼結(jié)構(gòu)鋼材主要為Q345、Q390、Q420、Q460,鑄鋼節(jié)點材質(zhì)為GS-20Mn5V鋼板、節(jié)點強度要求高,節(jié)點和構(gòu)件壁較厚,焊縫要求高。
結(jié)構(gòu)最大高度達(dá)54m,高空作業(yè)量大;高空環(huán)境條件下對焊工操作影響很大,高空風(fēng)速較大,并且貫穿于現(xiàn)場焊接全過程,尤其是對氣體保護(hù)焊的影響較大。
絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件都為傾斜彎扭構(gòu)件,焊接接頭基本呈前位置狀態(tài),對焊工操作水平要求高。
焊接工作量大,現(xiàn)場焊接材料消耗將達(dá)1000t,按6個月安裝工期計,月平均耗用焊材達(dá)到167t左右,焊接工作量相當(dāng)大.
焊接等級高,焊材施工焊縫其總長度的60%均為一級全熔透對接縫,100%UT檢查,要求十分高
3.6 合龍
鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中,采用南北分開安裝法,即先將結(jié)構(gòu)在高空先拼裝成二個各自獨立板塊,為保證結(jié)構(gòu)使用過程中的安全,必須選擇合適的合龍溫度,溫度變化將在結(jié)構(gòu)中引起很大的內(nèi)力和變形,對結(jié)構(gòu)的安全性將產(chǎn)生顯著的影響,必須對鋼結(jié)構(gòu)合龍采取一系列的控制。
3.6.1 合龍溫度的確定
本工程設(shè)計要求合龍溫度為15℃~20℃。
3.6.2 合龍溫度的測量
合龍時鋼結(jié)構(gòu)本體溫度是結(jié)構(gòu)的整體溫度,為確切掌握整個屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的溫度分布情況,以及不同部位鋼結(jié)構(gòu)實際溫度同氣溫的對應(yīng)關(guān)系,確定最佳的合龍時機,該系統(tǒng)測溫范圍為-5℃~+120℃,測試精度為±1℃,溫度測試共布置9個點,結(jié)構(gòu)外側(cè)對稱布置8個點,中心廣場處布置1個點。
圖7 測溫點布置(莫比烏斯環(huán)鋼結(jié)構(gòu))
特建立以熱電偶作為測溫元件的自動測溫系統(tǒng)。溫度測試在合龍前5天開始進(jìn)行全天24h跟蹤監(jiān)測,并覆蓋合龍過程的所有工作,為形成連續(xù)的測量資料,每間隔0.5~1h讀取各測量點的溫度信息,并形成數(shù)據(jù)文件,重點對各測量點的夜間溫度進(jìn)行整理分析,以獲取夜間鋼結(jié)構(gòu)整體溫度的具體數(shù)值和分布情況。
3.6.3 合龍安裝要點控制
1)盡量選擇在與合龍溫度相近的溫度條件下或低于該溫度的條件下進(jìn)行安裝,以方便構(gòu)件的進(jìn)擋,控制合龍時的坡口間隙,該間隙大小要考慮溫度變形計算結(jié)果和焊接收縮變形,以減少合龍口的焊接量和焊接殘余應(yīng)力,確保焊接口的焊接質(zhì)量,如達(dá)不到預(yù)定的焊接要求,可調(diào)整合龍段先焊一端的坡口間隙,同時,對合龍口的錯邊量也要加以控制,保證合龍的順利進(jìn)行。
2)盡量采用小間隙安裝法,避免合龍時合龍口間隙過大。
3)為確保合龍段施工過程中的安全,合龍段安裝就位后,除設(shè)計要求的合龍口不進(jìn)行焊接連接外,其余接口均須及時焊接完畢,以增強結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。
4)為確保合龍口在施工過程中因溫度變化而自由收縮,合龍口采用卡馬搭接連接,卡馬的大小和數(shù)量需根據(jù)該接口部位的受力計算確定,此受力計算不僅要考慮合龍段安裝過程中的搭接受力要求,而且要考慮合龍過程中合龍口的受力要求,包括構(gòu)件本身的受力。
5)合龍順序控制
因合龍口數(shù)量眾多,如一次合龍,則需投入大量的人力和物力,且施工組織管理也相當(dāng)困難,根據(jù)現(xiàn)場實際情況,結(jié)構(gòu)設(shè)計提出的先行合龍構(gòu)件需納入后續(xù)合龍段合龍溫度要求范圍這一基本原則,本工程的合龍從合龍口中部向兩側(cè)對稱進(jìn)行安裝和焊接。
3.7 卸載
考慮到如此復(fù)雜的空間鋼結(jié)構(gòu),支撐反力和各個支撐點的卸載變形量均有較大差異,要實現(xiàn)399個支撐的整體同步卸載,不僅從卸載的硬件條件、卸載的整體控制管理,以及同步的精度等方面實施難度巨大。根據(jù)工程的實際情況以及整體鋼結(jié)構(gòu)的受力和變形特點,確定采用“分區(qū)分步”的卸載總原則,卸載過程中遵循“合理、有序、平穩(wěn)、緩慢、均勻、可操作”的原則。
根據(jù)卸載原則結(jié)合本工程實際,根據(jù)屋蓋主次肋等其它結(jié)構(gòu)安裝后支撐反力情況,遵循頂層樓板支撐先卸載,反力較大的支撐先卸載,結(jié)構(gòu)豎向變形較大處先卸載的原則,共分析了9個典型工況,分別得出各卸載工況下的整體變形、支撐變形、應(yīng)力及支撐反力情況。
根據(jù)施工卸載分析所分的9個工況,卸載時按9個批次采取分區(qū)逐次分步卸載的辦法。
支撐拆除時采取對支持頂部的鋼板分條割除的辦法進(jìn)行,根據(jù)支撐位置的卸載位移量控制每次割除的高度△H(每次割除量控制在5~10mm)直至完成某一步的割除后桁架不再產(chǎn)生向下的位移后拆除支撐;在支撐卸載過程中注意監(jiān)測變形控制點的位移量,如出現(xiàn)較大偏差時應(yīng)立即停止,會同各相關(guān)單位查出原因并排除后繼續(xù)進(jìn)行。
圖8 支撐頂部鋼板割除卸載
4 結(jié) 語
鳳凰國際傳媒中心工程設(shè)計采用的莫比烏斯環(huán)形狀理念是前所未有的,我單位通過嚴(yán)密的策劃和實施,解決了梯形截面的彎扭箱型構(gòu)件及拱橋、環(huán)形坡道等特殊構(gòu)件的加工制作,加工完成的構(gòu)件在工廠進(jìn)行檢測以及預(yù)拼裝,保證了現(xiàn)場順利安裝。通過有效協(xié)調(diào)科學(xué)安排鋼結(jié)構(gòu)罩棚、內(nèi)部旋轉(zhuǎn)坡道、通天樓梯、拱橋、鋼平臺、馬道六大部分異形構(gòu)件的穿插施工,確保施工立體交叉作業(yè),工作順暢。通過精良的測量人員及設(shè)備建立平面控制網(wǎng),建立空間三維控制網(wǎng),解決了鋼結(jié)構(gòu)軸網(wǎng)系統(tǒng)為環(huán)形、放射、正交軸網(wǎng)相結(jié)合的軸網(wǎng)系統(tǒng)施工難題,完成所有構(gòu)件的空間定位,保證測量精度。采用格構(gòu)式支撐,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范計算臨時支撐剛度、強度、穩(wěn)定性外,還必須采取攬風(fēng)繩以及相鄰支撐間的剛性連接確保支撐體系的可靠性。支撐底部承臺的可靠性:解決了回填土地基問題,使得下部的荷載有效地傳遞,在保證安全的前提下,還盡量降低構(gòu)造措施的用鋼量,實現(xiàn)了支撐設(shè)置的經(jīng)濟性。焊接工作量大,絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件都為傾斜彎扭構(gòu)件,焊接接頭基本呈前位置狀態(tài),對焊工操作水平要求高。現(xiàn)場焊接材料消耗將達(dá)1000t,焊接等級高,焊材施工焊縫其總長度的60%均為一級全熔透對接縫,100%UT檢查合格,并且焊縫觀感美觀。
目前工程已成功完成合龍及最終卸載,鋼結(jié)構(gòu)罩棚卸載最大沉降為36mm,各項數(shù)據(jù)指標(biāo)均滿足規(guī)范及設(shè)計要求,實現(xiàn)了大跨度莫比烏斯環(huán)鋼結(jié)構(gòu)施工的順利突破,為我單位積累了寶貴的施工經(jīng)驗。
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