梅溪湖國際文化藝術中心藝術館異形鋼結構施工技術

任杰強，黃立沙，巫明杰

（1.梅溪湖投資（長沙）有限公司，長沙410205；2.江蘇滬寧鋼機股份有限公司，江蘇宜興214231）

梅溪湖國際文化藝術中心藝術館異形鋼結構施工技術

任杰強1，黃立沙1，巫明杰2

（1.梅溪湖投資（長沙）有限公司，長沙410205；2.江蘇滬寧鋼機股份有限公司，江蘇宜興214231）

結合長沙梅溪湖國際文化藝術中心藝術館異形鋼結構施工實例，針對異形鋼結構工程的特點和難點，介紹采取一系列關鍵技術，圓滿解決了藝術館安裝的技術難題，供今后類似工程參考。

異形鋼結構；拱桁架；凹屋面；合攏縫；分區(qū)卸載

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.10.048

1 工程概況

長沙梅溪湖國際文化藝術中心位于長沙市岳麓區(qū)梅溪湖畔，總占地面積10萬m2，總建筑面積12萬m2，包括大劇場和藝術館兩大主體功能，能承接世界一流的大型歌劇、舞劇、交響樂等高雅藝術表演。該工程由世界著名設計大師ZAHA Hadid進行設計，猶如美麗的芙蓉花盛開在梅溪湖畔，極具現(xiàn)代感的流線造型給施工帶來極大的挑戰(zhàn)。

藝術館地上4層，總高度約42.5m，其鋼結構主要包括樓面鋼結構、中庭鋼結構部分及屋面鋼結構、拱墻等異形結構。鋼結構整體模型如圖1所示。

2 施工難點

2.1 深化設計難度大

圖1 藝術館鋼結構整體模型

由于其流線型設計，加工等深化設計必須運用BIM技術，需采用X-steel及CAD軟件進行三維建模，實現(xiàn)拱及屋面等結構的可視化，進行碰撞檢測和模擬施工。

2.2 高精度安裝難度大

本工程鋼結構構件吊裝重量大，跨度大，高度高，空間彎曲鋼管結構和內凹型屋面鋼結構的安裝測量、校正和定位以及如何避免吊裝變形，快速就位是本工程控制的難點。

2.3 焊接及變形控制難度大

本工程鋼結構鋼材主要為Q345B，部分采用Q390GJ、Q235B及鑄鋼材料G20Mn5N，節(jié)點強度要求高，節(jié)點和構件的壁厚較厚，焊接要求高?，F(xiàn)場焊接接頭基本呈全位置狀態(tài)，對焊工操作水平要求高。本工程中采用了大量的焊接節(jié)點和鋼管相貫焊接節(jié)點，焊接熔敷金屬量比較多，易產(chǎn)生較大的焊接應力。由于結構形式特殊，焊接收縮引起的結構變形不可忽視，必須有針對性的研究和對應措施。

3 藝術館異形鋼結構施工技術

3.1 中庭拱及玻璃頂桁架施工技術

藝術館中庭為高聳大空間結構，安裝順序為：拱結構、電梯井結構、玻璃頂桁架。中庭結構安裝同時安裝外圍鋼柱、樓面鋼梁、最后進行鋼結構屋面封頂。中庭鋼結構模型如圖2。

圖2 藝術館中庭鋼結構模型

藝術館中庭結構位于藝術館中間位置，分為中庭拱及中庭頂部結構。中庭拱為四邊形鋼管桁架結構，劃分為三段吊裝后，最大質量不超過15t；中庭玻璃頂桁架由環(huán)形箱型彎扭和網(wǎng)格彎扭箱型構件組成，分段后最大單件質量為玻璃頂桁架南側分段，質量達到33t。

中庭結構總體順序為自下而上，由外向內安裝。鋼拱結構安裝采用分段自下而上吊裝的方法，將每個拱分為3段，分段點下部設置格構式臨時支撐。桁架最大橫截面尺寸為4.9m× 2.1m，長度為20m。中庭玻璃頂鋼結構采用箱型截面組合而成的單層曲面網(wǎng)格結構，現(xiàn)場拼裝時先根據(jù)拼裝分塊的尺寸及高度差設置拼裝胎架，拼裝完成后采用全站儀進行測量驗收。玻璃頂安裝時先安裝邊梁分段，再安裝中間分塊，采用350t履帶吊在北側通道上進行吊裝。

3.2 內凹屋面及拱墻施工技術

藝術館屋面整體成不規(guī)則內凹型，主要由主梁、次梁和鋼梁之間的鋼管斜撐組成，鋼梁在多個位置采用折梁做法。屋面鋼梁跨度較大，采用徑向主梁分段吊裝方法。將徑向主梁按總長度及跨間距離分成2～4段不等，分段長度控制在25m之內，采用350t履帶吊進行安裝。鋼梁采用兩點起吊，鋼梁的安裝順序由外向內進行，先安裝徑向主梁，后安裝徑向主梁之間連接的環(huán)向次梁，最后安裝鋼管支撐。

藝術館拱墻位于藝術館兩個凹進處，由環(huán)向彎曲的鋼管和徑向斜鋼管組合而成的網(wǎng)格結構。整個拱墻為異形曲面形狀，空間定位較復雜。根據(jù)其結構特點，拱墻的安裝順序為自下而上分塊吊裝進行，將本工程拱墻結構分為若干個網(wǎng)格塊進行吊裝，并在分塊位置設置臨時支撐。

3.3 復雜空間結構測量控制技術

該工程整體安裝精度要求較高，不但要重視其空間絕對位置，更需精確控制各施工環(huán)節(jié)的相對精度。

針對本工程結構特點，采用高精度全站儀建立平面控制基準網(wǎng)，采用激光準直儀和全站儀進行平面控制基準的豎向傳遞；采用電子水準儀建立高程控制基準網(wǎng)，采用全站儀進行高程控制基準的豎向傳遞。對累積誤差的處理，采用在各個吊裝單元之間設置嵌補進行調整的辦法，逐節(jié)消除，防止因累積量過大一次性消除而對結構產(chǎn)生影響。對測量數(shù)據(jù)，在設計值的基礎上加上預變形值后使用，并根據(jù)施工同步監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時調整預變形值。經(jīng)過以上措施控制，藝術館鋼結構安裝達到了其設計精度。藝術館鋼結構施工過程如圖3。

圖3 藝術館鋼結構施工過程

3.4 焊接變形控制技術

藝術館鋼結構構件材質大量采用了低合金高強鋼Q345，且板厚最大達40mm，如何確?，F(xiàn)場焊接質量是鋼結構現(xiàn)場施工的主要重點。本工程采取以下措施進行焊接應力控制。

1）采用CO2藥芯焊絲氣體保護焊和焊條手工電弧焊相結合的焊接方法，可減少焊接道數(shù)，降低焊接變形和殘余應力。

2）焊接坡口以單面開坡口型式為主，減少焊接填充量。現(xiàn)場接頭采用單面單邊V型，反面設置襯板，根部間隙6～8mm，坡口角度35°。

3）采用“跳倉法”按順序進行施焊，采取對稱焊、分段焊等措施；先焊收縮量大的接頭，后焊收縮量小的接頭，在盡可能小的拘束下焊接，同一構件兩端不同時焊接。

4）部分厚板及鑄鋼節(jié)點焊接采取預熱方式，焊接預熱是防止低合金高強鋼焊接氫致裂紋的有效措施，可以控制焊接冷卻速度，減少或避免熱影響區(qū)中淬硬馬氏體的產(chǎn)生，同時還可以降低焊接應力，并有助于氫的逸出。

3.5 分區(qū)合攏及卸載施工技術

3.5.1 藝術館分區(qū)合攏縫設置

藝術館中庭的左右兩側各布置了一組混凝土豎向通風管井，具有很大的豎向剛度，經(jīng)研究可在上述兩個混凝土管井處設置兩道鋼結構合攏縫，將整個藝術館鋼結構分為3個相對獨立的區(qū)塊。合攏縫位置如圖4所示。

圖4 藝術館屋面鋼結構合攏縫平面示意圖

藝術館兩條合攏縫下部是混凝土空調管井，原鋼結構設計在混凝土剪力墻頂部設置了若干豎向鋼柱，在鋼柱頂與縱向鋼梁交接處設置了橫向連系梁（合攏縫設置后便成了共用邊界）。經(jīng)計算，藝術館形成的3個相對獨立區(qū)塊空間剛度與整體模型相比，空間剛度衰減不大，在鋼結構允許變形限值及鋼材強度允許設計值范圍內，合攏縫兩側桿件的位移量疊加值約在10mm左右，在采取必要的焊接措施后，可以保證合攏縫的焊縫焊接質量。實際施工數(shù)據(jù)證明藝術館設置合攏縫后，未對結構安全產(chǎn)生明顯不利影響，保證了鋼結構安全使用。

3.5.2 分區(qū)卸載施工技術

結構卸載是將屋蓋鋼結構從支撐受力狀態(tài)下，轉換到自由受力狀態(tài)的過程，即在保證現(xiàn)有鋼結構臨時支撐體系整體受力安全、主體結構由施工安裝狀態(tài)順利過渡到設計狀態(tài)。本工程卸載方案遵循“分區(qū)、分級、均衡、緩慢”的原則實現(xiàn)。

藝術館臨時支撐按照從上到下，由內而外的總體順序進行卸載。館內所有屋蓋桁架安裝焊接結束，并完成混凝土支座上埋件的焊接后，開始進行館內臨時支撐的卸載。根據(jù)卸載工況，先完成中間部位臨時支撐的卸載，隨后向南北兩側逐根卸載其他臨時支撐。館外部位先拆除支撐結構鋼管立柱（斜柱）的支撐胎架，隨后進行館外桁架臨時支撐的卸載。

卸載采取分級切割方式，對構件與胎架模板接觸點面進行切割，每次切割深度8～10mm。

卸載過程對藝術館進行檢測布控，變形數(shù)據(jù)控制在允許范圍內。

4 結語

長沙梅溪湖國際文化藝術中心藝術館鋼結構形式復雜，構件形狀各異，施工難度大。結合現(xiàn)場施工條件，通過采取中庭拱、玻璃頂桁架、內凹屋面及拱墻結構分塊拼裝吊裝、焊接變形控制、分區(qū)合攏及卸載等施工技術，有效地解決了施工難題，保證了施工進度、質量和安全。本工程榮獲2015—2016年度中國鋼結構金獎，收到了良好的經(jīng)濟及社會效益。

【1】中國鋼結構協(xié)會.建筑鋼結構施工手冊[K].北京：中國計劃出版社，2002.

【2】GB 50661—2011鋼結構焊接規(guī)范[S].

【3】張利.大跨度鋼結構屋蓋分塊吊裝施工技術[J].建筑施工，2011（6）：481-483.

【4】杜秀麗.大跨度鋼結構合攏與卸載研究[D].太原：太原理工大學，2007.

Special-shaped Steel Structure Construction Technology of Meixihu International Culture&Arts Center Gallery

REN Jie-qiang1,HUANG Li-sha1,WU Ming-jie2
（1.MeixihuInvestmen（tChangsha）Co.Ltd.，Changsha 410205,China; 2.JiangsuHuningSteelMachanismCo.Ltd.,Yixing 214231,China）

Combinedwiththeexampleofspecial-shapedsteelstructureconstructionofMeixihuInternationalCultural&ArtsCenterGalleryin Changsha,thispaperisaimingatthefeaturesanddifficultiesofspecial-shapedsteelstructureprojects,andintroducesaseriesofkeytechnologies, whichperfectlysolvedthetechnicaldifficultyofinstallation,inordertoofferreferenceforsimilarprojectsinthefuture.

special-shapedsteelstructure;archtruss;concaveroof;structureseams;partitionunloading

TU391

A

1007-9467（2016）10-0109-03

2016-09-29

任杰強（1983～），男，湖南長沙人，一級建造師、工程師，從事建筑工程研究。