中国国学中心主楼钢结构工程施工技术

 罗  岗1，李海兵1，曹丙山2，张  怡1

 （1．北京城建集团有限责任公司，北京  100088；2．北京市机械施工有限公司，北京  100045）

[摘要]中国国学中心工程主楼为偏心支撑钢框架结构，外观造型新颖独特、构件数量繁杂、施工工期较短、安装精度要求高是本工程的重点及难点。根据工程特点，针对性地介绍了平行双榀平面桁架、菱形外框空间斜柱、弧形空间管桁架、大跨预应力圆形屋盖等关键部位的施工方法。根据实际工况选择吊装机械、安装顺序的正确组织，为钢结构的顺利完工提供了重要的技术依据。

[关键词]钢结构；框架；柱；桁架；施工技术

[中图分类号]TU758 [文章编号]1002-8498(2016)08-0076-05

1  工程概况

1.1  工程整体概况

 中国国学中心工程位于北京市奥林匹克公园中心区，鸟巢北侧，东临北辰东路，与周围已建成的国家体育场、玲珑塔、国家体育馆、中国科技馆等公共设施共同构成国家级体育文化设施群落。

 中国国学中心是研究和展示中华优秀传统文化的国家级文化设施，建筑功能主要由展览陈列、教育传播、国学研究、文化交流以及配套设施5大板块组成，是国家级、标志性、开放性的新型公益文化设施。

 中国国学中心工程建筑的总体格局由位于场地中央的主体建筑与环绕主体的东、西裙楼组成。外立面大面积为石材幕墙，局部配以玻璃幕墙。主楼外形上圆下方，如鼎似翠。本工程占地面积35 721m2，总建筑面积103 531m2，地下2层，为劲性混凝土结构（含120根劲性柱，底标高为- 11. 400m）；主楼地上8层，为全钢结构，其中每层之间设一夹层，檐高56. 0m，圆形屋面顶部建筑高度65. 3m。本工程钢结构用量为1.3万t，材质主要为Q345C。工程效果如图1所示。

1.2结构体系概况

 主楼结构形式采用东、西对称的偏心支撑钢框架结构，由中心区、核心筒、外圈空腹桁架3个结构体系由内至外构成。以4个巨柱及其间的钢梁、钢桁架形成结构水平抗力的中心区；4个核心筒通过柱间偏心支撑形成4个支撑框架，通过楼层钢梁连接到中心区；结构最外侧由外框柱及柱间梁形成空腹桁架，整体结构形成相对独立的内中外3层。如图2所示。

 1～7层结构平面投影形状为正方形，根据结构造型需要，1～4夹层外圈通过50根菱形柱向内倾斜由72m边长逐渐向上缩至58. 9m，4~7层则采用36榀拱肋向外悬挑至80. 6m，7层结构外挑檐标高52. 000m，8层以上突出结构为圆形的钢屋盖，直径42. 8m，结构顶标高为65. 300m，如图3所示。

 钢柱截面形式主要为菱形、箱形、H形和圆形，菱形截面大小为600mm×600mm，箱形截面大小为600mm×600mm～1 800mm x1 800mm，板厚为20～50mm，H型钢柱截面大小为H600×400×16×24，H800×400×20×24；钢梁截面形式主要为H形和箱形，板厚为6.5~ 50mm。本工程主要采用栓焊刚接节点和螺栓铰接节点连接，螺栓采用10.9级扭剪型高强螺栓，主要位于梁、柱和梁、梁节点处，高强螺栓规格有M16，M20，M22，M24等，摩擦面系数为0.45，如图4所示。

2  施工重点难点及解决办法

 1)异形钢构件加工制作和安装

 中国国学中心主楼结构造型独特新颖，外形呈鼎状，上圆下方。主楼四侧为36榀弧形空间管桁架（拱肋）、50根外框柱为2个方向倾斜的空间菱形柱，顶部为圆形钢桁架。空间弯扭构件的加工精度和安装精度难度大。解决措施：①为了保证拱肋的加工精度，钢管构件相贯口的切割采用圆管数控相贯线等离子切割机床加工。②对空间弯扭的桁架上下弦杆采用油压机进行冷压加工，弯管前先按钢管的截面尺寸制作上下专用压模，加工成型后在专用胎架上进行检测。③对于空间结构的安装，尽量减少构件高空分段在地面拼装成安装单元，采用分块分片吊装，根据结构设计坐标采用三维坐标测量，保证安装精度。

 2)钢构件安装数量多、工期紧

 本工程钢结构用量为1.3万t，构件安装数量13 152根，实际安装工期180d，主要吊装机械为2台TC7052型塔式起重机，部分钢柱、钢梁及钢桁架吊重超出单台塔式起重机工况。解决措施：①提高吊装效率，对于质量轻、长度短的钢梁采用串吊的方式节约塔式起重机的吊次；对于质量超重的构件，采用双机抬吊的吊装工艺。②增加吊装机械，采用6台吊装机械，其中4台汽车式起重机，2台塔式起重机。③加大劳动力投入，钢结构施工高峰时段共投入200人左右（焊工50人）。

 3)现场焊接量大、焊接质量要求高

 中国国学中心是国家重点工程，钢结构现场一级全熔透焊缝长度达8 600m，焊接质量要求高，需确保结构获得“长城杯”金杯、全国钢结构金奖等优质工程奖项。解决措施：①正式焊接施工前完成现场焊接工艺评定和焊工附加考试，挑选技术过硬的焊工来参与本工程的焊接工作；②所有一级全熔透焊缝100%自检，第三方抽检10%，北京市建设工程安全质量监督总站抽检；③发现缺陷后依不同缺陷类型进行返修，并对缺陷返修情况详细记录、分析原因、总结经验，尽量避免类似缺陷的出现，提高现场焊接合格率；④建立奖惩制度，不定期淘汰焊接合格率低的焊工。

3现场施工方案

3.1  钢结构现场安装总体方案

 1)现场安装总体思路

 中国国学中心工程钢结构主要采用高空散装法和分块吊装法施工。根据结构体系确定总体施工顺序：遵循先柱后梁、先主后次、由内而外、自下而上的原则，即先安装中心区钢结构，其次对称安装核心筒钢结构，中心区钢结构领先核心筒钢结构的安装，然后安装外圈由钢柱、梁组成的空腹桁架结构，最后安装拱肋、7层外圈钢管桁架、屋盖等造型钢结构。施工总体流程如图5所示。

 本工程钢结构安装共分为7个吊装区域，每台塔式起重机吊装范围为4个吊装区域，其中核心区为2台塔式起重机共同吊装范围，其余3个区按照塔式起重机覆盖范围对称施工。每层吊装完毕，及时焊接并检验，楼层结构验收不得迟于吊装进度2个楼层，如图6所示。

 中国国学中心钢结构工程安装过程中，东、西裙房也在施工，构件堆放场地异常紧张，北侧借用永久道路两侧，其余三侧经过计算利用已经浇筑好的地下室顶板作为构件的堆放和拼装场地。

 2)吊装机械选定

 由于本工程工期紧及吊次多，为保证施工进度，选择了较多的吊装机械。各楼层钢构件主要以2台TC7052型塔式起重机为吊装机械，根据工期安排，在主楼四周动态安排4台50~130t汽车式起重机安装质量较轻、数量较多的零散构件。

 3)吊装分段划分

 中心区是整个结构的核心部位，根据2台TC7052塔式起重机工况的限制，4根巨柱分段按照塔式起重机最大起重能力及设计要求，共分为22段，分段质量为8~ 12t。内、外框柱分节位置设在结构层梁顶面上方1. 2m处，各分为6段。

 巨柱之间钢梁与4，7层桁架跨度为23. 5m，根据构件规格、质量及运输路线要求必须在工厂分段加工运输到现场拼装，其中钢梁分为2段，分段位置避开钢梁跨中；钢桁架分为3段，分段位置为桁架1/3处，分段质量为7.5~10t，如图7所示。

3.2  主要构件安装方法

 1)平行双榀平面桁架安装方法

平行双榀平面桁架位于中心区4，7层巨柱之间，16榀平面桁架和巨柱组成一个27. 1m×27. 1m正方形框架结构，桁架跨度为23. 5m，构件的截面均为H型钢。其中4层桁架高度为4. 1m，7层桁架高度为3m，两榀平面桁架上下弦之间由H型连系钢梁组成一个整体桁架结构，如图8所示。

 根据4，7层之间的平行双榀平面桁架的结构特点，考虑了双榀桁架整体吊装、单榀桁架吊装、单榀桁架分块吊装3种方法，但局限于塔式起重机的起重能力限制，选择了单榀桁架分块吊装的方法。

 将单榀平面桁架分为3段吊装，需在桁架下弦安装临时支撑，临时支撑采用口250×250 x8，下部支撑在已经安装好的3层或6层的楼层钢梁上面。安装顺序为由两侧到中间，即先安装两侧桁架，再安装中间段桁架。先安装两端桁架的优点是由于桁架和巨柱为栓焊节点，这样能减少因桁架组装误差而影响高强螺栓穿孔率。两榀平面桁架安装校正完成后进行整体焊接，最后安装桁架之间的连系梁和拆除临时支撑。

 2)外框钢柱安装方法

 本工程共有50根截面边长为600mm×600mm由底到顶的菱形外框内倾空间钢柱。每节外框柱采用柱顶的连接耳板作为吊耳4点吊装，就位时采用“夹板·耳板”连接方式临时固定，就位后设置缆风绳临时固定和调校。在外框柱临时固定后，首先对柱顶进行初次调整，调整后及时连接外框柱、核心筒柱之间楼层钢梁，使结构形成稳定的体系。为减小安装误差，在外结构边的中间位置确定1根基准柱，参照基准柱由中间到两边的顺序安装。

 每节外框钢柱全部安装完成后统一校正，利用柱顶中点采用三维坐标测量法测量反光片，如有偏差进行调整，调整的方法为：上下两节钢柱对接口的错边，使用千斤顶调整，采用缆风绳和导链校正柱顶精度，最后校正钢柱牛腿的扭转偏差。

 3)拱肋钢结构安装方法

 由于结构造型的需要在主体结构四周设置了36榀拱肋，它是由屋檐到柱身的檐下曲线，体现了中国建筑最为优雅的特征性线条。拱肋为弧形管桁架，截面大小为800mm×500mm，弦杆为ɸ203×(6~12)无缝圆钢管，腹杆为ɸ83 x5，ɸ121 x5无缝圆钢管，采用相贯焊接节点。

 拱肋平均分布在正方形结构四周，每榀桁架从22. 780m标高支撑于菱形外框柱侧面柱身，顶部和7层Z形屋檐钢梁连接，顶标高50. 680m。由于桁架长度为32—38m，为了保证桁架的稳定性，在5层( 30. 780m)、6层(38. 780m)、6夹层(42. 780m)通过牛腿栓焊节点与主体结构相连。管桁架的最大悬挑距离为31. 6m，位于结构4个角部；最小外挑距离为22m，位于结构边中部，如图9所示。

 拱肋安装在主体7层结构完成后开始。由于拱肋的长细比较大且为弧形，不便于运输和整体吊装，因此将拱肋分为4段，分段位置在拱肋与主体结构连接牛腿处，即30. 780，38. 780，42. 780m，如图10所示。

 单榀拱肋的安装顺序由下至上，即从第1段到第4段的吊装，整体的平面安装顺序由中间向两侧，第4段拱肋相临两榀安装完成后及时连接中间的连系钢梁，最后安装4个角部的拱肋，如图11所示。

 考虑到拱肋为异形空间结构，吊装前利用XSTEEL模型计算构件重心点位置，第1~3段根据重心点设置3个吊点，其中2点在柱顶部，1点在柱中位置。利用导链调节吊装钢丝绳的长度，控制钢柱空中形态与设计形态基本相同，以便于就位。由于本工程施工工期短、散件多，2台塔式起重机吊次不够，为减少塔式起重机的吊次，拱肋安装根据构件就位位置使用80~130t汽车式起重机吊装。每段拱肋就位后采用耳板、夹板节点与牛腿临时固定。

 第4段拱肋顶部与屋檐Z形钢梁连接，此处为高悬挑结构，如果采用高空散装法安装风险很大，工人安全难以保证，同时桁架和Z形钢梁连接处为全熔透一级焊缝，焊接位置为仰焊，焊接质量难以保证，因此将第4段桁架和Z形钢梁地面拼装成整体后再吊装。拼装完毕后在桁架和钢梁之间增加临时加固支撑保证结构安装精度和刚度，同时根据重心位置采用2点吊装，就位时首先连接桁架，然后连接悬挑钢折梁。

 在36榀拱肋全部安装完成后再统一校正，在Z形屋檐钢梁最远端设置测量控制点，和实体模型的三维坐标控制点对比再进行调整。首先调整拱肋控制点标高，然后调整偏移，坐标点的校正可采用斜拉钢丝绳和千斤顶。每一侧8榀拱肋校正完毕后进行焊接，焊接的顺序遵循安装顺序，即由中间向两边、先固定端后自由端，最后焊接4个角部的4榀拱肋。焊接完成形成稳定体系后拆除Z形屋檐钢和拱肋之间的临时加固支撑。

 4)圆形屋盖钢结构安装

 主楼屋盖通过16根变截面H形铰接钢柱、8根 箱形刚接钢柱环向支撑于标高56. 750m环桁架上。屋盖由内、外环形钢梁及24榀径向钢架组成，并呈1/4对称。圆环中心点为锥形芯柱，芯柱上部2层均匀布置24根径向钢梁，下层为24根高钒拉索，内外环之间通过24榀钢架及支撑连接，屋盖最大跨度42. 8m，如图12所示。

 根据圆形屋盖钢结构的特点，施工时先安装半径8. 8m的内环桁架，由于运输条件和塔式起重机起重性能限制，将内环桁架分为6段运输到现场，然后拼接成3段弧形桁架吊装。圆形屋盖为大跨度空间结构，考虑施工过程临时稳定，采用高空散装法安装内环桁架需设置7根临时支撑柱，其中6根环向支撑柱和1根中心点支撑柱。临时支撑柱选用ɸ600×10圆钢管，下部支撑于7层已安装好的标高47. 180m楼层钢梁上，然后再分3块安装内环桁架。如图13，14所示。

 每块弧形桁架采用3点吊装，中间点钢丝绳设置5t导链调节钢丝绳长度，使得桁架保持水平状态，桁架采用3点控制坐标的方法确定位置，3块弧形桁架形成封闭后统一进行位置校验，并进行对接口的临时固定和焊接。

 内环桁架安装完成后施工外侧24榀“戈”形钢架，外钢架由2台塔式起重机对称吊装，首先安装和箱形钢柱相连的8榀钢架，使内环桁架和钢架形成稳定的结构体系，然后对称安装铰接钢架，最后安装内环桁架里侧的芯柱及上部2层均匀布置的24根径向钢梁，下层的24根高钒拉索。

 在屋盖钢结构安装和拉索张拉完成后进行临时支撑的卸载。临时支撑的拆除根据变形协调、卸载均衡的原则，通过其上可调节支撑装置的多次循环微量下降实现，卸载顺序由中间向四周，即先拆除芯柱下面的中心点临时支撑，再拆除内环桁架下的6根临时支撑。

4  结语

 本文详细阐述了中国国学中心主楼钢结构重点部位的技术难点和安装方法，现场安装时钢构件合理吊装分段，根据实际工况选择吊装机械，安装顺序的正确组织，为钢结构的顺利完工提供了重要的技术依据。