江蘇大劇院大型空間鋼結構施工技術

藺軍 劉華 丁建強 周永明

摘 要：作為僅次于國家大劇院的中國第二大現代化大劇院，江蘇大劇院鋼結構工程由音樂廳、戲劇廳、歌劇廳、綜藝廳及公共大廳等5個主要部分組成，主要單體的屋面鋼結構由斜柱、搖擺柱、中環梁、頂環梁以及內凹頂蓋的鋼拉梁與環梁等主要結構構件構成。屋面空間鋼結構曲面造型新穎，構件制作及施工難度大。本文主要對其極富特色的屋蓋鋼結構施工安裝過程進行了說明，著重闡述了其中的重要結構部位吊裝施工關鍵技術措施、結構卸載工藝控制措施及其結構施工全過程的有限元數值分析等重點內容，可供同類大型建筑鋼結構工程的設計與施工參考。

關鍵詞：江蘇大劇院；大型空間；鋼結構；內凹頂蓋；施工安裝；數值分析

1 工程結構概況

江蘇大劇院地處長江之濱的南京河西新城核心區，河西中心區東西向文體軸線西端，是一個集演藝、會議、展示、娛樂等功能為一體的大型文化綜合體，包括音樂廳、戲劇廳、歌劇廳、綜藝廳及公共大廳等5個主要部分，其中音樂廳2300座、戲劇廳1000座、歌劇廳1500座，綜藝廳包括一個3000人的會議廳和一個900座的國際報告廳，公共大廳包括一個300座的多功能廳及其他附屬配套設施。項目總建筑面積27萬m2，建筑高度47.3m。建筑空間造型如同4顆晶瑩的“露珠”，分別容納了歌劇廳、戲劇廳、音樂廳、綜藝廳等主要功能，坐落在一個公共活動平臺之上。“露珠”圍繞70m×60m的橢圓形室外中心廣場均勻分布，形成半圍合的空間形態；室內共享大廳處于居中位置，橫跨東西并正對文體軸線，將4個廳聯系起來，整體建筑效果如圖1所示。作為僅次于國家大劇院的中國第二大現代化大劇院，結構用鋼量約為國家大劇院的4倍，2016年建成啟用后將與北京的國家大劇院形成南北呼應的格局。

本工程主體鋼結構的施工范圍主要為屋面鋼結構部分，包括4個大廳的外罩鋼結構和公共大廳的屋蓋部分；次要鋼結構為各大廳的樓面和外罩內小屋面的鋼結構、公共大廳12m平臺連廊鋼結構，及外罩幕墻的龍骨、檁條及等。音樂廳、戲劇廳、歌劇廳和綜藝廳等4個單體的外罩鋼結構由斜柱、搖擺柱、中環梁、頂環梁以及內凹頂蓋的鋼拉梁與環梁等主要構件組成。斜柱柱底為鑄鋼件節點，支承于下方鋼骨混凝土框架柱柱頂上，混凝土柱頂設大截面混凝土環梁拉結形成框架體系。斜柱采用變截面的箱型構件，柱底標高12m（綜藝廳為6m）。部分區域設圓管截面搖擺柱以支撐斜柱，搖擺柱柱底擱置于下方混凝土框架柱或剪力墻上。標高27m處和頂部弧面邊緣分別設大截面圓管的中環梁和頂環梁，并在外罩表皮內布置斜撐和屋面系桿，形成空間受力的單層網殼體系。內凹頂蓋采用徑向布置的H型截面鋼拉梁和若干道圓管截面環梁組成，鋼拉梁與頂環梁采用鉸接連接。此外，斜柱沿各樓層高度設置牛腿和滑動支座，用以擱置室內混凝土樓面。

2 鋼結構的施工安裝

2.1 鋼結構施工總體方案

根據屋蓋結構的特點，將整體鋼結構屋蓋進行合理分段劃分，所有分段在廠內進行制作，再由特殊車輛運到施工現場，通過塔吊和履帶吊進行分段吊裝。根據分段位置設置臨時支撐，臨時支撐通過轉換梁與混凝土柱或梁相接，在混凝土柱或梁上設置預埋件，將轉換梁與預埋件焊接固定。分區安裝時采用2臺1400t行走式塔吊及2臺350t履帶吊作為主要吊裝機械。為滿足吊裝要求，塔吊行走通道及履帶吊吊裝通道均需設置在地下室頂面，利用混凝土結構柱設置吊裝通道。為確保混凝土結構不受影響，對局部區域采用H型鋼及鋼管進行加固。各單體從兩側對稱安裝，先安裝內環梁，再安裝斜鋼柱和頂環梁分段，再將頂環梁分段對應的頂蓋接梁安裝完成使結構形成穩定體系，最后再依次沿著環向對稱安裝直至整體結構成形。

2.2 主要構件施工技術措施

2.2.1 斜鋼柱分段安裝

根據斜鋼柱的分布位置，主要斜鋼柱劃分成3個吊裝分段，部分鋼柱劃分成兩個吊裝分段，斜鋼柱分段通過塔吊或履帶吊進行吊裝，鋼柱落地端的鑄鋼支座與鋼柱下部分段焊接固定后作為一個整體吊裝分段。鋼柱分段起吊離開地面300mm左右停止起鉤，然后通過吊具上設置的手拉葫蘆進行調節使其吊裝角度接近就位的角度。

2.2.2 環梁分段安裝

環梁分段采用四點吊，首分段安裝時先將分段起吊離開地面300mm左右停止起鉤，然后通過吊具上設置的手拉葫蘆進行調節，使其吊裝角度接近就位的角度，吊裝時利用臨時支撐輔助安裝，采用全站儀精確測量定位，通過手拉葫蘆和千斤頂微調，定位完成后，將環梁首分段與臨時支撐點焊固定。從第二個分段開始，安裝時利用環梁分段兩端的定位對合線輔助定位，再采用全站儀配合進行精確定位，定位完成后，相鄰兩個分段間通過擱排進行臨時固定，另一端通過點焊與臨時支撐焊接固定。頂環梁最后兩節同攏段安裝時需要嚴格控制合攏溫度，合攏溫度控制在20℃±5℃，為了確保合攏段的安裝精度，在加工制作時每個合攏段考慮加長50mm，現場安裝時根據實測數據對合攏段進行調整。

2.2.3 頂蓋拉梁安裝

由于頂蓋拉梁長度較長，因此采取分段辦法發運到現場，再由現場拼接成整體進行吊裝。拉梁采用3個吊點吊裝，安裝時通過兩端的定位對合線輔助定位，拉梁兩端與內環梁和頂環梁間通過擱排臨時固定，通過全站儀進行精確定位，利用千斤頂進行微調，定位完成后將擱排與內環梁和頂環梁上的牛腿焊接加固，如圖2所示。

2.2.4 送風平臺安裝

送風平臺位于頂蓋拉梁下方，由H型鋼栓焊接而成，通過H型鋼吊桿懸掛在頂蓋拉梁及頂環梁下方。送風平臺安裝時采取分塊吊裝，在每個吊裝分塊下方設置臨時支撐點，分塊與分塊之間的散件作為嵌補桿。送風平臺分塊吊裝時采用5點吊，利用全站儀進行測量定位，通過吊具上的手拉葫蘆和千斤頂進行微調，定位完成后將吊裝分塊與臨時支撐點焊接固定，等上部頂蓋拉梁安裝完成后，將吊桿與拉梁連接固定。

3 屋蓋鋼結構的卸載施工工藝

3.1 本工程卸載施工區域主要為屋蓋鋼結構的臨時支撐，卸載作業主要有以下幾個特點

（1）支撐數量多，形式復雜，卸載點空間分布規律性不強

（2）結構復雜，卸載計算分析工作量大

3.2 屋面鋼結構卸載施工的主要難點及所采取的相應技術措施

3.2.1 施工協調指揮難度大

為了確保這個卸載過程按審批通過的方案實施，并且同卸載工況分析能夠相結合，對于不同區域和標高位置的卸載能有序進行，協調指揮的難度較大；采取的技術措施是：組織素質較高的施工作業人員，在卸載前進行詳細作業指導，在作業過程中采用獨立的信號（對講機使用統一頻道）進行統一指揮。

3.2.2 卸載工況分析和實際結果可能存在差異

雖然在卸載前對卸載工況進行了詳細的分析和計算，但實際卸載結果和理論數值必定會存在差異，對卸載過程中可能出現的意外情況必須作好充分準備。采取的技術措施是：卸載部位的構造措施要有足夠的釋放空間，在卸載過程中根據卸載測量控制點（如音樂廳和戲劇廳各布置9個點）進行變形測量并匯總，確保卸載完成的狀態在預計范圍內。如在卸載實施過程中出現異常情況，暫停卸載，研究分析異常情況的原因，并制定相應的對策，同時對較高的臨時支撐的變形進行觀測，以確保安全。

3.2.3 卸載過程高空操作安全措施難度大

由于采用的是在支撐頂部進行卸載的方式，幾乎所有工作均在不同層面的高空進行，防止設備墜落及保障操作人員安全方面的措施是關鍵。采取的技術措施是：為防止器具和設備墜落，將所有高空設置的器具和使用的工具設備采用保險繩的方式將其固定，以保證在發生特別情況時，可以確保器具不墜落；同時對所有施工作業人員進行教育和安全交底，進一步增強安全意識，并保證人員的作業平臺、通道、安全維護等安全措施全部落實到位，安全管理人員同時加強卸載過程中的安全管理。

4 結語

作為僅次于國家大劇院的中國第二大現代化大劇院，江蘇大劇院空間鋼結構設計新穎，結構構件類型多樣，構造復雜，其節點深化設計，構件加工制作與結構施工安裝具有相當的難度。本文主要對其極富特色的屋蓋空間鋼結構的施工安裝過程進行了說明，著重闡述了其中的重要結構部位吊裝施工關鍵技術措施，結構卸載工藝控制措施及其結構施工全過程的有限元數值分析等重點內容，可供同類大型建筑鋼結構工程的設計與施工參考。

參考文獻

[1]陳紹蕃，顧強.鋼結構（上冊）[M].北京：中國建筑工業出版社，2003.

[2]李和華.鋼結構連接節點設計手冊（第二版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.

[3]江蘇滬寧鋼機股份有限公司.經典建筑鋼結構工程[M].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[4]江蘇滬寧鋼機股份有限公司.經典建筑鋼結構工程（續集）[M].北京：中國建筑工業出版社，2012.

（作者單位：江蘇滬寧鋼機股份有限公司）