中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
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(dú)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(yùn)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(qiáng)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(diǎn)，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(jī)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(dú)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(diǎn)
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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)精確放樣，根據(jù)展開的線型數(shù)據(jù)，輸入數(shù)控切割機(jī)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(qiáng)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(jì)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(dú)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(diǎn)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(diǎn)
施測前工應(yīng)對軸線控制點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行檢查和必要的復(fù)核。
本工程測量定位重點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)做好標(biāo)記。
d 臨時支撐點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行測量定位調(diào)整至控制點(diǎn)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(diǎn)選擇在分段上端口外邊線的中點(diǎn)（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(diǎn)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(diǎn)的三維坐標(biāo)，或直接采用施工圖紙中的點(diǎn)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(diǎn)上架設(shè)單棱鏡（后視）；
測站（操作全站儀的地點(diǎn)）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(diǎn)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(diǎn)按要求放置小棱鏡；
照準(zhǔn)小棱鏡得到測控點(diǎn)的三維坐標(biāo)與內(nèi)業(yè)中的已知控制點(diǎn)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(diǎn)
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(diǎn)材質(zhì)為GS-20Mn5V鋼板、節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度要求高，節(jié)點(diǎn)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(dú)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(jī)，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(diǎn)，結(jié)構(gòu)外側(cè)對稱布置8個點(diǎn)，中心廣場處布置1個點(diǎn)。
圖7 測溫點(diǎn)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(diǎn)的溫度信息，并形成數(shù)據(jù)文件，重點(diǎn)對各測量點(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)，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(diǎn)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(qiáng)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(jì)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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