壳体钢结构安装工程.docx

1、壳体钢结构安装工程第一章工程概况1.1 结构概况及特点国家大剧院（图1）位于人民大会堂西侧，北至西长安街，南面、西面均为居民区；总占地面积约20 万m2。由北侧建筑（201 区地下停车场）、中心建筑（202 区大剧院主体建筑）和南侧建筑（203 区地下主机房）三部分构成。图1 国家大剧院鸟瞰202 区大剧院主体建筑由歌剧院、戏剧院、音乐厅组成（见图2）。整个工程由北京城建香港建设上海建工国家大剧院工程总承包联合体承建，其中联合体钢结构分部承担壳体钢结构工程的制作及安装任务。国家大剧院主体建筑钢结构椭球体壳体（以下简称“壳体”）为一超大空间的壳体，东西长约212m，南北约144m，高约46m。整

2、个钢壳体由顶环梁、梁架构成骨架；梁架之间由连杆、斜撑连接。图2 大剧院主体建筑顶环梁通长采用1117.6-25.4THK 钢管，中间矩形框采用矩形箱型梁。整个顶环梁长约60m，宽约38m。顶环梁半圆区内搁栅呈放射状分布；矩形框内南北向搁栅采用60mm 钢板梁，东西向采用194钢管，搁栅呈网格状分布。整个顶环梁总重约700t。梁架分为A 类（短轴梁架）、B（长轴梁架）；A 类梁架采用60mm厚钢板制作，B 类梁架采用上下翼缘不等的焊接H 型钢。A 类梁架共46 榀，B 类梁架共102 榀。斜撑及连杆均采用钢管；短轴梁架之间连杆节点采用铸钢节点连接，长轴梁架连杆采用钢套筒连接。结构特点：1.1.1

3、 该壳体为一超大型空间结构，结构体量大。整个结构待壳体完全形成后，方为稳定的空间结构，所以保证施工阶段的结构稳定至关重要；1.1.2 该壳体为非正椭圆球体，且壳体内外两球面的椭圆方程并不一样，因而施工中平面、空间定位测量的难度颇大；1.1.3 壳体的主要结构体梁架（尤其是短轴梁架，侧向厚度仅为60mm）平面外刚度极差，因而构件的起扳、搬运、起吊难度颇大；1.1.4 梁架呈中心对称辐射状布置，因而每种同类构件最多只有四件，对构件的制作放样及安装顺序要求颇高。1.2 参建单位建设单位：国家大剧院建设单位委员会设计单位：ADPi-ARCHITECTS-ENGINEERS-PLANNERS监理单位：北

4、京双圆工程咨询监理有限公司工程总承包：北京城建-香港建设-上海建工国家大剧院工程总承包联合体钢结构主 承 包：联合体钢结构分部1.3 主要施工内容由顶环梁、梁架和连杆等组成的钢壳体的制作、安装。1.4 工程目标北京市优质工程“长城杯” 、国家优质工程“鲁班奖”。第二章编制依据2.1 钢结构工程施工质量验收规范GB 50205-2001。2.2 建筑工程施工质量验收统一标准GB 50300-2001。2.3 建筑钢结构焊接规程JGJ81-2002。2.4 国家大剧院工程内部质量控制标准壳体钢结构工程部分。2.5 法国ADPi 设计图及技术文件。2.6 国家大剧院建设单位委员会对工程的要求。2.7

5、 冶金部建筑研究总院设计院钢结构深化设计图。2.8 同济大学国家大剧院壳体钢结构验算报告。第三章主要机械选用及性能一览表主要机械选用及性能 表3-1序号设备名称数量主要工作性能工作内容备注起重臂长半径起重量1CC2800 600t 履带1主臂：60m 副臂：84mSFSL 工况超起102m35t第一作业区吊装第二、三、四作业区上段梁架吊装超起时配300t 压铁式起重机主臂：60m 副臂：84mSW 工况62m18tM440D 塔吊安装、拆除2M440D 塔式起重机255m37.5m13.2t拆装QM18 、SK560 柱靴安装第二、三、四作业区下、中段梁架吊装行走式3SK560 塔式起重机15

6、0.8m50m11.36t第五作业区吊装柱靴安装需设一道附墙450t 履带式起重机428m9m12t拆装600t 主机下段梁架抬吊拼装梁架5QM18 屋面吊135m15m15t拆装SK56012m 塔身注：以上的起重量均未扣吊钩自重。第四章施工总平面布置4.1 施工区域划分施工总体布置以壳体为中心，分三块区域进行施工平面安排，三块区域分布布置为：吊装区：位于壳体所在区域（即202 区）构件拼装区：分第一、第二、第三拼装区，分别位于吊装区南北两侧；施工主信道：位于吊装区和拼装区东西两侧。由于壳体吊装时，202 区地下结构和地面建筑结构虽然已经施工完毕，但壳体四周的消防信道尚未施工，以及201 区

7、部分地下结构也未施工。因此，以上各个区域在吊装阶段处于不同的标高位置，其中：吊装区 位于-6.750 标高位置；构件第一拼装区 位于-9.000 标高位置；构件第二拼装区 位于0.000 标高位置和位于-7.000 标高位置；大型机械和构件进出场信道 位于0.000 标高位置。各施工区域划分及标高位置见图3。4.2 吊装施工作业区域划分整个壳体钢结构的构件平面分布情况见图4；考虑到设计要求及结构体形特点，吊装作业划分为五个区域，安排多台起重机分别进行综合吊装。五个作业区域的具体划分如下：图3 各施工区域划分及标高位置图图4 构件平面分布图第一拼装区：设在壳体北面201 区，南北长度约70m，东

8、西向长度约230m。第一拼装区划分为 1 号、2 号拼装场地。每块场地设置拼装平台；2 块场地各配置50t 级履带式起重机一台承担拼装起重作业，合计2 台。第一拼装区向CC2800 与两台M440D 塔吊提供构件吊装单元件。第二拼装区：设在壳体南面203 区东西两端，分为3 号、4 号、5 号拼装场地。在3 号、4 号场地各配置50t 级履带式起重机一台，承担拼装起重作业，分别向位于东西二侧的M440D 塔吊构件吊装单元件。5 号拼装场地，向SK560 塔吊提供吊装单元。构件根据工厂制作编号直接运送至相应拼装场地。拼装区域划分见图3。4.4 大型机械和构件进出场信道东侧主信道宽度25m，长度约

9、434m；西侧主信道宽23m，长度约440m。另有10m 宽道路在靠近第二拼装区南端将两信道相连，在壳体东北处有从0.000 标高到-9.000 标高的坡道，便于运输车辆进入第一拼装区域。将运输道路与工地现场这个大门接通。主要信道和坡道的承载能力为10t/m2􀁂，路面为素混凝土。南面203 区第二拼装区5 号拼装场地处构件的运输将通过卡车信道进入。所有施工设备和构件运输车辆，均可通过主信道和坡道进入吊装区域和构件拼装区。（见图3）4.5 主要施工机械布置CC2800（600t）履带式起重机（一台）：先采用超起（SFSL）性能，接60m 主臂84m 副臂，后挂300t 超起配重

10、，停在壳体北面，定点中心位置在土建坐标（0.000，+86.000），跨外综合吊装，完成第一作业区域施工；然后向北退8m，采用SW 性能，安装M440D 塔吊二台。再恢复使用SFSL 性能，在原位进行梁架吊装。最后在壳体安装完成后拆除M440D 塔式起重机。（见图5）图5 CC2800停机位置各吊机吊装范围见图6。施工时剖面图见图7、图8。图6吊机吊装范围图图7 长轴安装剖面图图8 短轴安装剖面图4.6 起重机组装、拆除场地4.6.1 履带式起重机CC2800 履带式起重机装拆场地布置在壳体北部201 区，具体位置见图9。场地的承载能力为16t/m2，起重臂组装采用东北面M440D行走轨道处空

11、间。图9 600t组装场地装拆工艺详见CC2800 履带吊拆装实施细则（另附）。4.6.2 塔式起重机4.6.2.1 M440D 塔式起重机在201 区组装，落脚标高为-6.750m。组装机械选用CC2800 履带式起重机。塔身高25m（不包括行走机构的高度），55m 巴杆。塔吊的路基采用钢筋混凝土形式。装拆工艺详见M440D 塔吊拆装实施细则（另附）。4.6.2.2 SK560 塔式起重机安装在202 区的壳体南边，落脚标高为0.000m 的歌剧院外侧，具体位置详见图10-1。使用两根14m 长箱梁，一端支于混凝土底环梁上，另一端支于56 轴钢筋混凝土弧形墙上。为减小支承点的受力，在标高+2

12、1.185 处设置一道附墙，见图10-2。塔吊的基础加固及拆装方案详见SK560 塔吊拆装实施细则（另附）。塔式起重机的安装与拆除选用QM18 与M440D 塔吊，拆装时QM18 与M440D 塔吊的停机位置见图10-3。4.6.2.3 QM18 屋面吊的装拆选用M440D 塔吊。塔身高12m，36m 巴杆。拆装方案详见QM18 屋面吊拆装实施细则（另附）。4.7 场地处理4.7.1 吊装区图10-1 SK560塔吊平面位置图10-2 SK560塔吊布置立面图图10-3 SK560安装示意图4.7.1.1 施工机械和构件运输线路施工机械部件采用100t 平板车通过东侧主信道，经过坡道进入设备组

13、装场地。构件运输车辆通过东/西两侧主信道，经过东/西面坡道，进入构件第一拼装区，经过南面的信道可到达第二拼装区的3 号、4 号、5 号拼装场地。根据现场情况，东、南、西三侧的主信道，在土建施工阶段已经铺设完成，北侧的信道及坡道，采用土路基，路面承载力在10t/m2 以上。4.7.1.2 起重机工作区域（1） CC2800CC2800 履带吊采用定点吊装，下设2.7m8m 路基箱；路基箱铺设的位置与形式见图11。路基箱下土路基的承载力要求在16t/m2以上。顶环梁区域吊装时，CC2800 超起配重不设轨道小车；待梁架吊装时，加设超起配重小车，轨道采用P43 钢轨。由于路基箱数量有限，两侧轨道基础

14、采用600t 履带吊专用路基箱铺设，中间部分轨道采用钢筋混凝土基础，见图11。图11 600吨路基箱布置图（2）M440DM440D 塔吊位于壳体底环梁外侧，标高为-6.750 的位置。M440D开行采用P43 钢轨，轨距8m；内轨中心离混凝土底环梁外侧6m。轨道沿混凝土环梁外侧环向布置，内轨最小半径56m；M440D 塔吊中心开行东边起始于壳体E7 轴，终于E58 轴；西边起始于壳体W7 轴，终于W58 轴；行走台车长约14m，再考虑加3m 安全距离，即考虑在W（E）7 轴至W（E）58 轴的轨道长度上再各加10m 的长度，具体见图2-平面布置图。M440D 开行区宽度在12m 以上，土路基

15、的承载力要求在16t/m2 以上。轨道基础采用钢筋混凝土路基，混凝土采用C30 强度等级，钢筋采用I 级钢筋，具体见图12-1、图12-2，详见M440D 路基安装技术要求。行走轨道与混凝土路基采用轨道压板固定，压板螺栓采用 M24“U”型螺栓，长度方向每隔0.5m 设置一道，见图12-3。图12-1 M440D塔吊行走轨道路基配筋图12-2 基础与混凝土环梁剖面图图12-3 轨道压板螺栓示意图钢筋用量见下表4-1：表4-1编号内容长度(m)截面积(mm) 2总体积(m3)重量(t)1121692024112.21817.521615092002011.84914.534129204520.4

16、163.4410150736078.50.584.6510450736078.50.584.6合计44.6混凝土用量V=AL=0.40m2920m=368m34.7.2 构件拼装区构件拼装区中，胎架的具体布置详见图3 施工平面布置图。胎架布置规则是在适应场地形状的要求下，保证相互之间的间距大于5m，即满足50t 级履带吊开行，梁架的胎架应布置在吊机工作半径内，以减少构件的二次搬运。场地地面荷载要求为12t/m2。拼装平台拟采用路基箱上设置胎架的方法，在拼装平台使用时，定期测量平台的沉降和变位情况，实时调整，保证拼装胎架的精确度。4.8 施工临时用电布置（详见施工用电组织设计）（另详）第五章施工

17、工艺及施工方法5.1 施工总流水如前吊装作业区共划分为五个作业区，除第一吊装区为顶环梁吊装，其他四个作业区的吊装均为梁架节间吊装。根据吊装作业区划分，壳体吊装顺序按四个步骤进行：第一步骤：顶环梁的吊装；第二步骤：梁架节间吊装从壳体四个斜撑区同时开吊。四个区域第一榀吊装的梁架分别是位于E18 轴、E56 轴、W18 轴和W56 轴四榀梁架。然后，以此为中心对称进行相邻梁架的吊装。斜撑区十个梁架节间完成后，进行斜撑吊装。连杆安装随梁架同步进行，以形成稳定体系。至少在完成1/3 连杆的固定工作后，才能开始相临梁架的吊装工作。第三步骤：斜撑区域吊装完毕后，四个作业区继续同步作业，以斜撑区为中心，对称进

18、行其他梁架节间吊装，最终四个作业区分别在W01 轴E01 轴、E37 轴E38 轴、W37 轴W38 轴梁架节间收尾。第四步骤：拆除SK560 塔式起重机，同时补缺W70、W71、W73和W74 轴的下段梁架，使壳体最终合龙。第五步骤：所有构件全部吊装完毕，按经过计算的卸载顺序进行整体卸载。第六步骤：待屋面恒载全部作用在壳体上后，对梁架柱靴下进行细石混凝土（C60）浇筑。施工整体顺序流程图(见图13、图13-1)。图13 施工整体顺序流程图图13-1 施工整体顺序流程图5.3 钢结构吊装5.3.1 吊装构件说明5.3.1.1 主要吊装构件分段（1）顶环梁圈周环梁分段除南北二侧，环梁平面呈折线型

19、椭圆，总长度约160m，环梁截面为1117.625.4mm 钢管，总重量约为500t。根据设计对环梁分段的要求和环梁制作、运输、吊装要求，环梁和其内的箱形梁共分为14 段，分段位置及尺寸要求见图14。图14 顶环梁分段分段重量及吊机性能表见表5-1：顶环梁分段重量及吊机性能表 表5-1施工编号图纸编号长度重量设备半径起重量1aBC-W35 m30 t86 m44 t1bBC-E35 m30 t86 m44 t2aTB-00116 m30 t66 m53 t2bTB-01216 m30 tCC280066 m53 t3aTB-00216 m44 t600t76 m49 t3bTB-01116 m

20、44 t履带吊76 m49 t4aTB-00312 m33 t60m 主臂90 m42 t4bTB-01012 m33 t84m 副臂90 m42 t5aTB-00410 m27 tSFSL 工况98 m35 t5bTB-00910 m27 t带300t98 m35 t6aTB-00510 m27 t超起配重100m33 t6bTB-00810 m27 t100m33 t7aTB-00610 m18 t100m33 t7bTB-00710 m18 t100m33 t（2）梁架分段根据设计对梁架分段要求，结合具体施工时的需要，长轴、短轴均分为四段，分段位置：柱靴：柱靴底向上1.2m 处断开；下段

21、：柱靴分段线R13；中段：R14R26；上段：R27R40。分段图见图 15、图 16。图15 长轴梁架分段图16 短轴梁架分段环梁、箱形梁吊装单元段等。附表一为顶环梁吊装参数表，附表二为梁架吊装参数表。5.3.1.3 吊装构件拼装由于受运输条件的限制，构件工厂制造时先加工成较小的单元件，运到现场后再拼装成构件或吊装单元件。除第五拼装区外，其余拼装区内构件均由50t 履带吊卸车、就位。顶环梁中心区域的A 类梁架（14 榀，每榀重约9.7t），要求组装后吊装。14 榀梁架组装成7 大件，每件由2 榀梁架在地面上组成大件，然后由CC2800 吊机吊装到位，详见5.3.2.1 顶环梁吊装步骤及工艺。

22、所有下段梁架均采用立拼，先在拼装平台上将梁架拼装成吊装单元段，搭设操作及侧向稳定脚手，然后起吊安装。上、中段梁架采用平拼（第五拼装区内上、中段梁架亦采用立拼），起扳扶直后，搭设操作及侧向稳定脚手，然后用起重机吊装。拼装工作由钢结构制作方负责。5.3.1.4 吊装构件预检构件吊装前须进行验收和预检。不需拼装的构件由加工厂供货时，同时提供质量保证书，构件吊装前须对构件进行预检；需拼装构件在现场拼装后经质量检验合格后，方可吊装。(1) 验收标准按钢结构工程施工质量验收规范（GB 502052001）的相关规定，同时结合本工程的特点，同建设单位、设计、监理、总承包部共同讨论确定的国家大剧院壳体钢结构工

23、程制作标准，具体实施时以本标准为准，标准另详。(2)标识对进场构件必须进行状态标识。进入现场未检验或预检的构件，应作待检标识；已经过检验或预检的应作好记录，并在构件上作已检标识。对于构件的编号应当明显，符号大小适当、多处标识。安装单元件同时应当有准确的方向标识，特别应当将需要现场焊的部位，做好必要的防护。对于构件上的标识，发现缺失或模糊的应当及时予以修复。5.3.2 钢结构安装工艺综合大剧院壳体的结构特性与施工条件，吊装方法选用跨外对称吊装。采用支架法施工，即吊装阶段在壳体内设置三道临时网架支撑作为构件空间定位的依托，并解决吊装阶段的结构稳定。网架支撑在壳体安装全部完成后，再卸载，拆除支撑。5

24、.3.2.1 顶环梁吊装步骤及工艺顶环梁吊装选用CC2800 600t 履带吊的SFSL（超起）性能；选用60m 主臂加84m 副臂，起重量为1564t，起重高度为47125m，作业半径为122 38m，可以满足顶环梁吊装要求。吊装作业时，起重机停于壳体北面短轴正交轴外侧（见图3、图11），进行跨外定点综合吊装（见图17-1）。构件拼装利用第一拼装区，拼装点应在起重作业半径内，以供其直接吊装。图17-1 顶环梁分段安装示意图由于顶环梁分段吊装时，600t 主臂局部碰S1 支撑，采取的调整措施如下：网架支撑在顶环梁吊装时S1 只安装至设计标高下2m，范围从W5E5；待顶环梁安装完后，进行S1 支

25、撑的补缺。顶环梁分段吊装步骤：第一步 壳体平面空间定位测量。吊装前先进行壳体平面空间定位测量，将顶环梁安装临时支撑S0 支腿所在位置测点引到歌剧院屋顶及相关平面上；第二步 进行S0 临时支撑及转换层安装（网架临时支撑及转换层的安装技术要求详见实施细则）。支撑及转换层安装完毕后，在转换层平面上引出顶环梁平面和标高定位点，并安装定位支座。第三步 进行中间的矩形框部分构件的安装。该部分主要由1a、1b，2a、2b 与7a、7b 组成（见图14）；吊装顺序为1a1b7a7b2a2b（见图17-2）；箱梁（1a、1b）采用八点吊，其余构件采用三点吊，见图17-3。吊装索具配置见附表一顶环梁吊装参数表。起

26、吊就位后，支承在安装支座上，进行标高和位置调整，达到要求后进行焊接固定。图17-2 顶环梁吊装顺序示意图图17-3 顶环梁构件吊装示意图第四步 进行环梁两边半圆环部分构件吊装。该两部分分别由圆周环梁3a、3b、4a、4b、5a、5b、6a、6b 段（见图14）。吊装顺序为6a6b5a5b3a3b4a4b。所有构件均为曲线构件，采用三点吊，即两端设两点，中间设一可调节吊点，以防止构件起吊过程中发生倾斜（见图17-3），索具配置见附表一顶环梁吊装参数表。梁起吊就位后，支承在安装支座上。第五步 进行半圆环部分环梁构件标高和位置的调整，达到要求后进行焊接固定。在进行环梁焊接固定的同时，进行矩形框内的1

27、4榀A 类梁架及之间水平连杆的吊装。梁架在地面组装后再分块安装，共分7 块，每块2 榀；吊装时由两边对称向中间进行，块与块之间的连杆采用散装；梁架吊装采用八点吊，见图17-4，索具配置见附表一顶环梁吊装参数表。图17-4 顶环梁区A类梁架吊装示意图第六步 进行14 榀A 类梁架标高和位置的调整，达到要求后进行焊接固定。焊接固定的同时进行两个半圆环内辐射梁架的吊装，起吊就位后，调整构件的标高和位置至符合要求，再进行焊接固定。第七步 所有构件吊装就位且复校合格后，进行顶环梁各构件连接节点固定。应按顺序：圆周环梁分段连接固定纵向梁与圆周梁连接固定矩形框内构件固定两半圆环内构件固定。第八步 顶环梁吊装

28、结束。对顶环梁整体外形复测并进行记录。梁架节间吊装期间，顶环梁整体外形及整体标高需定期复测（每周一次），并根据复测结果，必要时对顶环梁进行标高补偿，以确保整个壳体安装精度。所有的焊接均遵循从短轴正轴线向东西两侧对称进行的原则。5.3.2.2 梁架节间吊装步骤及工艺梁架安装示意图见图18-1 和图18-2。（1）准备工作1）进行壳体平面空间定位测量，将梁架节间吊装用临时支撑S1、S2 所在位置测点引到音乐厅、戏剧院屋顶及相关平面上。2）进行S1、S2 临时支撑安装（详见网架支撑安装实施细则）。S1、S2 临时支撑采用竖面空间网架结构，两支撑之间设数道柱面网架间的径向连接，以作为施工信道。其中S1

29、 支撑在R13 和R14 中间；S2 支撑在R26 和R27 之间。3）由于网架结构只能在网格点受力的特性，而各榀梁架的分段点一般不会在网格点上，因此在网架支撑面层上设置支点的转换层将梁架各分段点处的竖向荷载传递到网格点上（详见转换层安装实施细则）。转换层安装完毕后，在其平面上引出各梁架定位点。4）安装梁架搁置用支座。梁架搁置支座作为梁架吊装的依托，其平面和标高需定位精确控制，误差不超过2mm，并有足够的刚度，以保证稳定可靠。5）对混凝土环梁预埋钢管位置预检。划分梁架底座控制中心线。预检过程中注意对预埋钢管管口及时覆盖，禁止杂物进入。图18-1 梁架(短轴)分段安装示意图图18-2 梁架(长轴)分段安装示意图（2）柱靴安装1）测出梁架基础标高块下预埋件的标高及平整度。根据测得的资料修正标高块，将修正好的标高块焊接到对应的柱靴下。2）柱靴用M440D 和SK560 塔吊安装。3）为控制柱靴的位置，采用设置限位的方法，即在标高块下的预埋件上事先焊上限位（a）（见图19-1、图19-2），而标高块事先与柱靴焊接，安装时标高块对准下面的限位（a）就位后，根据柱脚基准十字线进行精确调整。图19-1 柱靴底部施工示意图图19-2 标高块限位(a)施工详图4）为防止柱靴轴线与梁架轴线的偏斜，在柱靴长边的两端设置限位（b）。在柱靴短边两端设置钢楔，以调整柱靴的水平度及侧