广州某美术馆穹顶钢网壳安装技术

周彦哲

（广东省建筑工程集团有限公司 广州 510013）

1 工程概况

广州某美术馆位于广州市珠江南岸，建筑设计以“水中盛放的英雄花”为题，突出建筑所反映的岭南风格和广州地域特色［1−2］。独特的建筑设计造就了独特的建筑结构，项目主楼除中心核心筒区域采用钢筋混凝土结构外，建筑外围均采用钢框架结构。其中建筑物中庭顶部为跨度36 m 的单层穹顶钢网壳［3］。穹顶钢网壳位于整个建筑物核心筒内部，大型机械出入场地受限，且不具备施吊空间。

2 方案选择

项目穹顶钢网壳安装采用临时支墩作为穹顶钢网壳内圈环梁支点，取代了传统采用搭设满堂式脚手架的施工方法，采用环向移动钢操作平台，操作平台可以临时支墩为圆心进行环向移动，焊接工人以操作平台为落脚点对每个钢网壳扇形区域进行焊接作业，穹顶钢网壳的吊装采用建筑周围的四台塔吊进行分件吊装（见图1），在拼装及焊接作业时采用两台环向移动钢操作平台并进行分扇对角线布置，作业顺序遵循对角线原则，在每施工一个区域后，在下个区域施工前，对节点坐标进行检查，发现偏差可采用千斤顶等工具进行调整，检查无误后再进行下个区域施工，通过不断调整安装偏差，实现穹顶钢网壳的精确拼装［4−6］。

图1 广州某美术馆项目施工平面布置Fig.1 Construction Floor Plan of an Art Museum Project in Guangzhou （mm）

3 创新点分析

穹顶钢网壳位于整个建筑物核心筒内部，大型机械出入场地受限，且不具备施吊空间，该部分施工首先排除了采用地面拼装后整体吊装的施工方法。整个建筑物外围共布置了4 台塔吊，由于塔吊施吊重量有限，只能进行钢构件分件吊装，而钢网壳需要进行中心内环定位及固定，才能进行后续的吊装焊接工作。传统施工方法中通常可采用搭设满堂脚手架作为整个钢网壳的支座，钢网壳结构顶部标高为45.3 m，起拱高度为3.0 m，满堂脚手架须搭设高度约42.3 m，而地下室中庭为高19.5 m 的星空画意展厅（见图2），若地上部分采用满堂脚手架则地下室中庭还需搭设满堂回顶支架，由于支架搭设高度较高，该部分的回顶效果难以保证。从经济上看，采用搭设满堂脚手架的方法在人工费、材料费上耗用较高，且占用下部流通空间，对整体工期也造成一定影响。

图2 建筑物内部层高剖面示意图Fig.2 Section Diagram of Storey Height Inside Building

本项目最终采用以临时支墩作为支点，以环向移动式钢操作平台作为工人焊接作业落脚点，以周围的4 台塔吊进行钢构件吊装的高空散装法施工，其创新点包括：

⑴ 利用超高临时支墩固定穹顶钢网壳内圈环梁，避免了传统采用搭设满堂式脚手架的施工方法，节约了人工费和材料费，同时节省了架体搭设时间，缩短了工期［7］；

⑵采用了一种环向移动钢操作平台进行钢网壳的焊接安装，平台一端固定在临时支墩上，另一端安装移动滚轮，放置在楼面上，焊接工人可以每个扇形区域分别进行焊接作业，同时操作平台可兼做接火斗使用，使用过程安全高效，且符合绿色施工的环保要求；

⑶采用的分扇对角线对称拼装的高空散装法施工，可减少随着杆件的拼装和荷载的不断增加而产生的节点坐标与预变形空间坐标偏差。

4 具体施工工艺流程

施工工艺流程为：临时支墩搭设➝环向移动钢操作平台搭设➝穹顶钢网壳吊装施工（内圈环形梁安装➝径向贯通主梁安装➝环向连梁、径向非贯通次梁安装）➝卸载➝临时支墩拆除

4.1 临时支墩搭设

4.1.1 临时支墩柱脚预埋

临时支墩4 个柱脚直接在地下室底板生根，每根圆管柱下部焊接直径φ=600 mm、厚度t=12 mm 的柱脚垫板，垫板通过4颗M16化学锚栓固定（见图3）。

图3 临时支墩柱脚大样Fig.3 Detail of Temporary Piers Column Base （mm）

4.1.2 临时支墩吊装搭设

临时支墩采用4 根φ400×8 mm 的无缝钢管作为竖向受力构件，钢管柱间距4 300 mm，竖向每间隔4 m沿支墩四周设置一道水平支撑，水平支撑由HN150型钢及12#槽钢两种材料间隔交替使用，水平支撑间布置连续12#槽钢竖向斜撑，焊接节点均为角焊缝焊接，无须进行探伤检查。临时支墩搭设总高度62.15 m，标高范围−19.150～43.000 m（见图4）。

图4 临时支墩搭设剖面示意图Fig.4 Section Diagram of Temporary Pier Construction

4.1.3 临时支墩构造措施

⑴首层混凝土板在临时支墩钢柱穿过楼板处预留4 个φ600 mm 预留洞，方便临时支墩钢柱通过及地下室临时支墩材料进出，当临时支墩拆除完毕后再进行楼板洞口封堵。

⑵临时支墩钢管柱穿过首层楼板时，通过H 型钢将钢管柱与首层混凝土梁固定焊接，并在该截面4根钢管柱间架设12#槽钢内部剪刀撑，以提高该截面的抗剪能力及刚度。

⑶在平面外每间隔8 m（即每个楼层处）分4 个方向分布4 根φ12 镀锌缆风绳（6×19 公称抗拉强度1 400 MPa）水平固定在每个楼层的预埋件上，缆风绳与相邻钢柱形成的平面夹角为30°～60°夹角区间。

⑷临时支墩顶部架设一层HN700的H 型钢作为平台垫钢，并根据内圈环梁位置定位布设相应的支撑点及操作平台（见图5、图6）。

图5 临时支墩顶部平台立面示意图Fig.5 Elevation of Temporary Piers Top Platform

图6 临时支墩顶部平台支撑点平面示意图Fig.6 Floor Plan of Temporary Piers Top Platform Supporting Point （mm）

4.1.4 临时支墩焊缝探伤检测

临时支墩底部及顶部钢梁对接时采用对接烧焊，其余杆件采用普通角焊缝，其中对接烧焊部分在焊接完成后须经焊缝探伤检测合格后方可进行穹顶钢网架吊装安装［8］。

4.2 环向移动钢操作平台搭设

环向移动钢操作平台搭设跨度13.8 m，穹顶跨中端比外圈梁段高3.255 m，靠近中间临时支墩一侧焊接固定于临时支墩顶部的HN700的热轧H型钢顶部。跨度方向上主梁采用截面高度为500 mm 桁架，桁架上下弦采用□80×40×3 的矩形管，腹杆采用□40×3 的矩形管。腹杆间距512 mm，桁架下弦采用［160×20×2.0 镀锌檩条，檩条间距0.512 m，檩条上铺0.426 mm厚830 型压型彩钢板（见图7）。桁架间每4.6 m 跨用直径20 mm的螺纹钢作为剪刀斜撑。

图7 环向移动钢操作平台平面及侧面示意图Fig.7 Floor Plan and Profile of Circular Moving Steel Operating Platform （mm）

钢操作平台一共搭设2 台，分别置于与钢网壳圆心对称的位置作为相应扇形区域的施工操作平台。

4.3 穹顶钢网壳吊装施工

4.3.1 穹顶钢网壳构件分段

穹顶钢网壳采用QTZ125（6513）塔吊进行分件吊装，塔吊安装臂长60 m，各构件分段重量如下：

最内圈环形圈梁按对称轴平均分为2段半圆弧形箱梁，单个分段重量1.235 t（距离塔吊57 m，塔吊57 m作业半径时起重量约1.79 t），径向贯通梁整段为1.60 t（距离塔吊51 m，塔吊51 m作业半径时起重量约2.09 t），环向连梁重量0.4 t/件（距离塔吊45～53 m 区间，塔吊起重量1.98～2.48 t），径向非贯通梁重量0.4 t/件（距离塔吊45 m 及51 m，塔吊起重量2.48 t及2.09 t）。塔吊作业半径施吊重量如表1所示。

表1 塔吊作业半径施吊重量Tab.1 Hoisting Weight Scale for Tower Crane Operating Radius （t）

4.3.2 穹顶钢网壳吊装施工流程［9］

钢网壳拼装及焊接采用分扇对角线对称拼装的高空散装法，首先将内圈环形梁固定于临时支墩顶部平台上，而后进行分扇对角线对称拼装，每个扇形区域施工顺序分别为径向贯通主梁、环向连梁、径向非贯通次梁（见图8）；

图8 穹顶钢网壳吊装施工流程示意图Fig.8 Construction Process Diagram of Dome Steel Mesh Shell Hoisting

⑴内圈环形梁安装。内圈环形梁安装前，须先复核临时支墩顶部平台支撑点位标高，若有偏差应及时调整纠正。内圈环形梁吊装完成后，再复核环形梁顶部标高。

⑵ 径向贯通主梁安装。内圈环形梁固定完成后，进行径向贯通主梁安装。焊接工人将径向贯通主梁分别焊接在内圈环形梁及外圈环形梁上，内外圈环形梁焊接工人分别利用临时支墩顶部平台和电动剪叉式高空作业车进行焊接作业，径向贯通主梁应以每两根与圆心对称的贯通主梁作为一组同时安装，并确保两根贯通主梁在同一直线上。

⑶环向连梁、径向非贯通次梁安装。当完成3～4组径向贯通主梁焊接后，放置环向钢操作平台，两台钢操作平台应保持好对角线位置，可相互错开一个扇形区域。焊接工人在环向钢操作平台上分扇由内而外依次安装环向连梁及径向非贯通次梁，安装环向连梁时，应注意每圈环向连梁之间的相互位置关系，确保每圈环梁形成最终形成圆形闭环，每个扇形区域施工完成后，焊接工人应先撤出操作平台，用塔吊吊起钢操作平台一端，钢操作平台另一端的工人推动滚轮，将平台移动至下一个扇形区域进行施工。

4.4 临时支墩拆除

4.4.1 临时支墩拆除准备工作

⑴临时支墩拆除前，必须确保穹顶钢网壳已经卸载，钢网壳与临时支墩已完全脱离；

⑵临时支墩拆除前，必须确保穹顶钢网壳所有焊接工作已全部完成。

4.4.2 临时支墩拆除顺序

临时支墩拆除顺序原则上按照先装后拆、后装先拆的顺序进行，先拆除支墩上方的操作平台，缆风绳等构造措施应随钢柱拆除进度依次拆除（严禁先将缆风绳全部拆除后再拆除钢柱），最后拆除支墩柱脚。

临时支墩拆除采用塔吊将单元片逐个缓慢放至首层楼面，将单元片拆解成零星杆件后运出施工场地。

4.4.3 拆除方法及注意事项［10］

⑴先检查临时支墩与主体结构是否完全脱离，不能有未脱离或焊点粘连现象；

⑵按照先围栏，再平台次梁，再平台主梁，再片体件约束，后缆风绳的顺序自上而下逐层拆除。

⑶每拆除一根杆件前，先检查防坠器及安全带是否牢靠，切忌将安全绳固定在即将拆除的杆件上或相关联的杆件上；

⑷杆件解除约束前先用塔吊将需要拆除的杆件（单元片）绑扎牢固，再进行切割或螺栓拆除；

⑸杆件约束解除后，拆除人员需离开到安全区域方能指挥塔吊将已经割除的杆件吊开；

⑹每拆除一根杆件需要一令一动，严禁擅自拆除。

5 施工技术使用效果

广州某美术馆项目采用的穹顶钢网壳安装技术科学可行、先进合理，成功克服了该项目场地局限性，周边环境复杂等一系列问题，节省了施工成本，同时能有效保证施工安全。施工过程中对各施工节点采用的定位监测均满足相关设计及规范要求。

6 结论

广州某美术馆穹顶钢网壳安装技术中，利用超高临时支墩固定穹顶钢网壳内圈环梁，避免了传统采用搭设满堂式脚手架的施工方法，节约了人工费和材料费，同时缩短了工期；采用了一种环向移动钢操作平台进行钢网壳的焊接安装，平台一端固定于临时支墩上，另一端安装移动滚轮，放置于楼面，焊接工人可以每个扇形区域分别进行焊接作业，同时操作平台可兼做接火斗使用，使用过程安全高效，且符合绿色施工的环保要求；采用的分扇对角线对称拼装的高空散装法施工，可减少随着杆件的拼装和荷载的不断增加而产生的节点坐标与预变形空间坐标偏差，为同类工程提供了可靠的经验参考。