國家海洋博物館鋼結(jié)構(gòu)安裝方案分析

吳　微

(天津市建筑工程職工大學(xué)，天津　300074)

國家海洋博物館鋼結(jié)構(gòu)安裝方案分析

吳微

(天津市建筑工程職工大學(xué)，天津300074)

摘要：本文介紹了位于天津市濱海新區(qū)的國家海洋博物館的主體鋼結(jié)構(gòu)施工方案。通過對建立的海洋博物館有限元模型的分析，來分析該工程主體鋼結(jié)構(gòu)的安裝全過程，從而對實(shí)際施工起到指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；安裝方案；施工過程

一、工程概況

國家海洋博物館是我國首座國家級、綜合性、公益性的海洋博物館，建成后將展示海洋自然歷史和人文歷史，成為集收藏保護(hù)、展示教育、科學(xué)研究、交流傳播、旅游觀光等功能于一體的國家級愛國主義教育基地、海洋科技交流平臺和標(biāo)志性文化設(shè)施。

本項(xiàng)目位于天津市濱海新區(qū)濱海旅游區(qū)填海造陸范圍內(nèi)，總用地面積15萬m2，總建筑面積約8萬m2，該工程不僅體量龐大且造型頗具創(chuàng)意，整體設(shè)計(jì)運(yùn)用了隱喻的手法，外形似躍向水面的魚群、停泊岸邊的船塢、張開的手掌、海洋的生物……優(yōu)美但不具象，通過柔美的曲線語言另參觀者產(chǎn)生對海洋元素?zé)o限的遐想。

項(xiàng)目主體由四個仿魚形建筑物構(gòu)成，四個單體建筑由西向東分別規(guī)劃為1號-4號展廳。

圖1　展廳劃分圖及效果圖

本工程造型獨(dú)特、優(yōu)美，共計(jì)四個展廳，每個展廳均為仿魚形建筑形式，展廳之間相互連接貫通，鋼結(jié)構(gòu)最高部分高約33m，四個展廳整體的寬度為251m，長度為214m，各主體平面位置如下：

圖2　各主體平面布置

二、鋼結(jié)構(gòu)安裝思路及控制重點(diǎn)

(一)安裝思路

1.本工程設(shè)計(jì)使用年限為100年，且為沿海工程，所以在現(xiàn)場施工時(shí)需要對安裝質(zhì)量、焊接質(zhì)量及防腐質(zhì)量等要加以特別的重視。

2.合理組織施工，每個展廳在施工過程中盡量從中間開始施工，向兩邊進(jìn)行擴(kuò)展。

3.每個展廳的內(nèi)部框架均需與外框弧形鋼桁架連接固定，當(dāng)具備工作面時(shí)，及時(shí)插入內(nèi)部鋼框架施工。

4.每個展廳在各自主體結(jié)構(gòu)的施工中，弧形門式鋼桁架安裝、內(nèi)部鋼框架的安裝、鋼筋桁架模板的安裝均形成流水作業(yè)。

(二)現(xiàn)場控制重點(diǎn)

1.因?yàn)榛⌒伍T式鋼桁架的安裝精確程度，直接影響了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和造型的準(zhǔn)確。所以要通過各項(xiàng)測量措施和安裝措施，重點(diǎn)控制各個展廳的門鋼桁架安裝精度，進(jìn)而保證每個展廳的安裝精度。

2.弧形門式鋼桁架在立面布置中是朝不同方向傾斜，且在端部有懸挑結(jié)構(gòu)。在施工過程中，構(gòu)件所受內(nèi)力傳遞途徑復(fù)雜，可能會對整體穩(wěn)定性和安裝精度帶來影響，所以要對整個安裝過程進(jìn)行模擬分析，找出在安裝過程中有可能出現(xiàn)的受力最不利、穩(wěn)定性最差的部位和施工點(diǎn)，如果存在必須要采取合理措施。

3.一號展廳與其余三個展廳在桁架的整體布置和構(gòu)件形式上有所不同，其施工安排也不盡相同。

4.展廳端部懸挑桁架處的結(jié)構(gòu)形式相對來說較為復(fù)雜，需要對其安裝工序及措施做出重點(diǎn)布置。

5.中央大廳屋頂桁架容易受側(cè)向力影響，安裝過程中需要重點(diǎn)控制。

6.安裝前應(yīng)對現(xiàn)場的控制點(diǎn)和軸線進(jìn)行細(xì)致的復(fù)核。

7.本工程的焊接工程量很大，也是本工程需控制的重點(diǎn)之一，需要對焊接施工做出周密組織，以保證焊接質(zhì)量。

三、結(jié)構(gòu)施工全過程分析

(一)鋼結(jié)構(gòu)施工分析方法

采用Midas/Gen有限元分析軟件建立結(jié)構(gòu)模型，再采用生死單元、邊界條件技術(shù)等建立施工模型，進(jìn)行施工全過程、分步動態(tài)模擬。

(二)施工全過程分析的目的

1.使施工完成的結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)為一次加載模型，而施工過程中的實(shí)際結(jié)構(gòu)是累加形成，這兩種狀態(tài)的結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力不會相同。同時(shí)，不同的安裝順序和方案所得到的結(jié)構(gòu)累加變形、應(yīng)力也并不相同。所以必須進(jìn)行全過程的施工模擬分析，選擇正確的施工方法確保結(jié)構(gòu)施工變形、應(yīng)力滿足相關(guān)設(shè)計(jì)、規(guī)范的要求。

2.優(yōu)化施工方案。方案滿足相關(guān)設(shè)計(jì)、規(guī)范之后，為使施工完成的結(jié)構(gòu)最大限度的貼近一次加載模型，滿足現(xiàn)場施工工期，施工流水等條件。需要對幾種確定的方案進(jìn)行對比分析，優(yōu)化施工模型中的施工流程、臨時(shí)措施、荷載轉(zhuǎn)換等工序，得出最佳施工方案。

(三)國家海洋博物館工程計(jì)算模型深度及分析對象

1.計(jì)算模型深度。根據(jù)目前招標(biāo)圖紙的深度，建立一次加載結(jié)構(gòu)模型(目前模型僅按現(xiàn)有圖紙建立，例如中庭桁架豎向剛度是否無窮大等問題，目前尚未可知。精確模型需待中標(biāo)后與設(shè)計(jì)方溝通后完成，并形成最終施工狀態(tài)模型)，相關(guān)數(shù)據(jù)以此模型為基準(zhǔn)，并通過此模型建立施工模型的。

2.分析對象。本工程分析主要為門鋼架結(jié)構(gòu)及大跨度中庭桁架結(jié)構(gòu)。框架結(jié)構(gòu)部分受力較明確，施工過程形成穩(wěn)定單元的方法較常見(方法在框架結(jié)構(gòu)安裝一節(jié)中說明)在此不進(jìn)行說明，為達(dá)到較好的顯示效果，分析圖片中除懸挑端外也鈍化了相關(guān)框架模型(但參與計(jì)算)。

(四)鋼結(jié)構(gòu)安裝全過程分析

門鋼架分析。門鋼架存在于1～4號單體之中，其中1號建筑南部為門鋼桁架，北部多為單管門鋼架。2～4號建筑結(jié)構(gòu)形式基本相仿，均為門鋼桁架結(jié)構(gòu)。本文中以1號、3號單體為例進(jìn)行門鋼結(jié)構(gòu)施工分析的論述。

1.1號單體門鋼架結(jié)構(gòu)施工分析、優(yōu)化概述。1號單體門鋼架結(jié)構(gòu)施工分析及總體方案：

1號單體立面圖如下所示，通過分析，發(fā)現(xiàn)左側(cè)的門鋼桁架自身可形成整體空間結(jié)構(gòu)，但單榀門鋼桁架側(cè)向剛度較弱，需要在拐點(diǎn)處設(shè)置臨時(shí)支撐。而右側(cè)單管門鋼結(jié)構(gòu)與下部框架結(jié)構(gòu)結(jié)合形成穩(wěn)定體系，安裝中也需在局部設(shè)立臨時(shí)支撐輔助結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖31號單體模型

根據(jù)分析，制定方案為：施工中先采用臨時(shí)支撐進(jìn)行左側(cè)門鋼架安裝，由中間向兩側(cè)安裝，內(nèi)部框架在隨門鋼桁架進(jìn)行安裝。門鋼桁架部分的安裝及卸荷方案需進(jìn)一步優(yōu)化，具體見“1號單體門鋼桁架安裝順序、卸荷方案優(yōu)化”。

然后進(jìn)行單管門鋼架區(qū)域的安裝，實(shí)際施工中依照由南向北的順序施工：安裝相應(yīng)區(qū)域框架→局部補(bǔ)充臨時(shí)支撐→單管門鋼架安裝→上部門鋼形成穩(wěn)定體系后局部卸荷，具體過程見下圖。最南部幾榀門鋼桁架采用臨時(shí)支撐輔助安裝，整體結(jié)構(gòu)安裝完成后進(jìn)行卸荷。如此完成1號單體結(jié)構(gòu)施工。

1號單體門鋼桁架區(qū)域安裝順序、卸荷方案優(yōu)化：

各單榀門鋼采用臨時(shí)支撐進(jìn)行分段輔助安裝，可采用全部門鋼進(jìn)行支撐然后整體卸荷的方法，但是會占用過多施工場地影響工期，也會大幅提高工程造價(jià)。

圖41號單體門鋼桁架區(qū)域安裝順序圖

為此，我們對安裝過程進(jìn)行優(yōu)化，采用“內(nèi)部分階段荷載轉(zhuǎn)換，外部臨時(shí)支撐持荷傳遞”的方案進(jìn)行施工。具體如下：此結(jié)構(gòu)門鋼桁架有中間開始(上圖標(biāo)注的位置)向兩側(cè)逐漸傾斜，左右兩側(cè)門鋼架相互牽引形成空間結(jié)構(gòu)。因此可以由中間直立門鋼架開始向兩側(cè)對稱安裝，進(jìn)行安裝，在對稱安裝幾榀門鋼架后，對中間的門鋼架臨時(shí)支撐進(jìn)行卸荷，由于未形成整體結(jié)構(gòu)，外側(cè)門鋼架不卸荷，使其替代未安裝結(jié)構(gòu)的剛度作用。這樣再安裝外側(cè)門鋼后進(jìn)行內(nèi)部門鋼荷載轉(zhuǎn)換，以此類推直到最外側(cè)門鋼(包括懸挑端)安裝完成，進(jìn)行最終卸荷完成整體門鋼空間結(jié)構(gòu)。

在確定卸荷方法后，我們從安裝3榀卸荷中間1榀，后每安裝2榀卸荷中間2榀；安裝5榀卸荷中間一榀后，每安裝2榀卸荷中間2榀；安裝8榀卸荷中間4榀后，每安裝4榀卸荷中間4榀；三種方案進(jìn)行分析對比，最終確定采用安裝5榀卸荷中間1榀，后每安裝2榀卸荷中間2榀的方案，進(jìn)行1號單體門鋼桁架的安裝。

2.3號單體門鋼架結(jié)構(gòu)施工分析、優(yōu)化概述。3號單體里面圖如下所示，均為門鋼桁架結(jié)構(gòu)其安裝思路與1號單體北部門鋼桁架基本相同。從中間部位開始對稱安裝，內(nèi)部分階段荷載轉(zhuǎn)換，外部臨時(shí)持荷傳遞，直至懸挑部位安裝完畢，進(jìn)行最終卸荷完成結(jié)構(gòu)安裝，期間內(nèi)部框架隨門鋼桁架進(jìn)行安裝。

圖53號單體門鋼桁架區(qū)域安裝順序圖

3號單體門鋼桁架卸荷方案優(yōu)化與1號單體不同，為保證結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求，選擇安裝8榀門鋼后卸荷中間4榀，后每安裝4榀卸荷中間4榀的方案進(jìn)行3號單體門鋼桁架的安裝。

3.中庭梭型桁架。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，中庭梭型桁架采用單榀雙機(jī)抬吊裝就位，就位后四根風(fēng)繩做臨時(shí)穩(wěn)固措施的方案進(jìn)行安裝。安裝為順序由南向北安裝。

圖6　中庭梭型桁架安裝順序圖

四、施工全過程分析結(jié)果

工程應(yīng)力變形最不利的位置是1～4號門鋼架結(jié)構(gòu)、懸挑結(jié)構(gòu)及中庭梭型桁架結(jié)構(gòu)。其中1～4號單體中2～4號單體結(jié)構(gòu)形式相仿，1號單體存在單管門鋼結(jié)構(gòu)，故分析以1、3號(3號作為2～4號單體的代表)單體進(jìn)行說明。1號單體及3號單體最不利結(jié)構(gòu)為門鋼結(jié)構(gòu)(包括單管)、懸挑結(jié)構(gòu)，主要介紹這兩種結(jié)構(gòu)的安裝全過程變形，應(yīng)力的情況。最后進(jìn)行最大跨度單榀桁架安裝分析。

變形要求：垂直度偏差不大于h/1000，且不應(yīng)大于25mm。對于撓度應(yīng)與一次加載結(jié)構(gòu)相近，且不超過本工程起拱值：跨度/300，最小約100mm。應(yīng)力要求：門鋼架施工完成應(yīng)力比貼近一次加載結(jié)構(gòu)，且施工階段不大于0.7。

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Analysis of Steel Structure Installation Program of the National Maritime Museum

WU Wei

(TianjinConstructionEngineeringStaffCollege，Tianjin, 300074)

Abstract:this paper makes an introduction about the main body steel structure construction program of national maritime museum located at Binhai New Area of Tianjin. By analyzing the finite element model of maritime museum, it analyzes the whole installation process of the main body steel structure of this project to play a guiding role for the practical construction.

Key words:steel structure; installation program; construction process

收稿日期：2015-12-08

作者簡介：吳微(1980-)，女，滿族，天津市人，天津市建筑工程職工大學(xué)教師，講師，工程碩士，畢業(yè)于天津大學(xué)，主要從事土建方面的教學(xué)工作。

中圖分類號：TU39

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-582X(2016)05-0049-05