珠海歌剧院贝壳状空间钢架网格结构施工关键技术*
邢遵胜，刘中华，娄峰
（浙江精工钢结构集团有限公司，浙江绍兴312030）
深化设计、加工制作、施工工艺和作业标准等环节进行研发，确保项目顺利进行.特别是小截面厚壁弯扭构件的深 [摘要】珠海歌剧院钢结构工程造型独特，施工难度大，质量要求高.根据工程结构特点、场地条件和气候条件，从化设计、加工制作工艺和安装方法，以及塔式起重机附着于柔性结构协同工作的研究和应用.
[关键词]钢结构：网格；弯扭构件；塔式起重机；施工技术
[中图分类号】TU758 [文献标识码]A [文章编号】1002-8498（2014）14-0050-04
Key Construction of Conchoidal SpaceSteel Structure for Zhuhai Opera House
Xing Zunsheng Liu Zhonghua Lou Feng(Zhrjiang Jinggong Seel Bailding Group Co. Lad. Shaoxing Zhejiang 312030 China)
o ap u eb u p s ng do og u its unique structure type. According to the project features site conditions and climate conditions researches have been carred out in order to guarantee a successful project execution from detail design fabrication construction technique and working standard especially the research and application of detail design fabrication and installation technique of the small-section thick-walled tortuous steel members and the cooperative work carried out by tower crane attached to flexible struetures.
Key words;steel structures; space grid; tortuous steel members; tower cranes; construction
1工程概况
大剧院、小剧院和人口大天窗3部分.其中，大、小 珠海歌剧院位于珠海市野狸岛填海区域，包括剧院均为贝壳状造型，大剧院结构高90m，宽130m，内部剧院结构高60m，地下3层，地上7层；小剧院结构高56m，宽80m，内部剧院结构高36m，地下1层，地上6层.大、小剧院结构均由放射性径向桁架、环向弯扭构件、中部天窗桁架和钢拉梁几部分构成，如图1所示.
图1珠海歌剧院项目Fig.1 Zhuhai Opera House project
如图2所示，大剧院一半柱脚落在混凝土结构上，采用关节轴承节点进行连接，另一半为理人式刚接柱脚.小剧院均为埋人式刚接柱脚.
1)大项目规模大.大、小剧院均采用剪力墙一墙结构，外部贝壳状构筑物采用巨型钢架网格结 巨型钢网格结构，即内部剧院采用混凝土框架剪力构，内部剧院与外部贝壳状构筑物之间采用钢拉梁形成整体.大、小剧院结构高度高，体量大，项目总用钢量约10000t.
2工程特点和施工重难点分析
地理位置等条件，该项目具有大、异、扭、焊、滨、难、 根据珠海歌剧院项目的结构布置、构件形式、精等特点.
逐渐过渡到向内倾斜11m，径向桁架为放射性布置， 2）异贝壳结构沿竖向先底部向外倾斜2m，
3施工方案概述
图2大剧院结构构成示意Fig.2The big theatre structure
贝壳面为异形双曲面.贝壳中部径向桁架为主受力构件，两侧弯扭构件为主受力构件.
B600×300，B400×300，B400×250，壁厚最厚 3）扭环向构件均为弯扭构件，构件规格为50mm，且弧形构件和弯扭构件占比约80%，厚壁小截面弯扭构件加工制作质量和精度控制是本工程的重点[.
4）焊大、小剧院均为全焊接结构，焊接收缩变形对施工精度影响大，需采取合理的施工顺序， 避免焊接作业在结构内产生较大焊接残余应力.
5）滨本工程位于海滨环境，受亚热带海洋性季风气候影响，施工过程中经常会遇到突发大风或雷阵雨天气影响，吊装作业及高空焊接作业时，制定全面可靠的安全作业准则，是保证本工程安全、 顺利施工的重要环节：另外，滨海环境下，空气湿度大，空气中氯离子含量大，也增加了钢结构防腐涂装作业的难度.
6）难本工程施工难度大，具体为：①弯弧及弯扭构件占比大，深化设计效率较低：②小截面厚壁弯扭箱形构件加工制作难度大，精度控制不易； ③贝壳状结构异形、双曲，施工难度大：④地下室范围大，施工机械和施工方法的选择难；天窗桁架均为弧形桁架，桁架跨度大，且天窗桁架平面与径向桁架平面平行，天窗桁架吊装变形对施工精度影响大：径向桁架均为放射性倾斜设置，施工方案 受结构布置制约大；构件均为箱形截面，径向桁架弦杆上牛腿主梁多，节点构造复杂：B施工组织难度大.
7）精珠海歌剧院贝壳构筑物内直接作为建筑空间使用，设有走道、楼梯等，钢构件直接裸露在行人视线里，焊接质量要求高.
基于以上特点，从深化设计、加工制作、施工方法和施工顺序、防腐涂装、安全作业标准等方面，进行专项研究，采取针对性措施，保证本工程顺利实施.
本工程为大型综合性建筑，功能分区较多，且各个分区之间建筑基本连成整体.大小剧院贝壳结构位于土建结构中间，周边-4.500-6.000m标高范围全部为地下室和框架楼面结构，场地条件给构件拼装、倒运和常规的起重机吊装行走等增加了 难度.因此考虑现场的复杂环境，选择经济、可靠、合理的安装方案是本工程的重点.
结合工程实际特点及现场场地条件，采用1台D800-42型、1台D1100-63型、1台C7052型塔式起的施工方法，克服周边地下室等建筑对贝壳结构形 重机作为主要吊装设备，采用地面拼装、分段吊装成包围的难题.中部大天窗则采取汽车式起重机上楼面作业的形式施工.如图3所示.
图3吊装机械布置Fig. 3 Hoisting machines arrangement
的外侧，避免结构拼装对混凝土结构的影响.拼装 现场拼装作业时，将拼装场地设在地下室范围场地塔式起重机无法覆盖的区域采用在楼面设置滑移倒运的措施，将构件滑移至塔式起重机起重区域，解决构件拼装场地塔式起重机覆盖不到的问题.
选用设置3台固定式重型塔式起重机分段吊装的施工方法，具有塔式起重机覆盖范围广、作业效 率高，对周边建筑影响小、其他专业可交叉施工等优点，但因为贝壳结构高度最高90m，超出塔式起重机独立自由高度，需考虑在主结构上设置附着措施“”.
向中间逐层施工.深化设计时，根据结构布置和运 贝壳状结构整体施工顺序为自下面上、从两边输限制，对径向桁架进行分段，以大剧院为例，施工时结构整体分为6层，即6个分段进行施工，如图4-6所示.
缝处的环向构件施工时仅采用螺栓临时固定，待该 因结构宽度较大，施工时设置2道合龙缝，合龙
图4大剧院结构施工分段示意
Fig. 4 Construction segments for the big theatre
图5径向析架单体分段示意
Fig.5Segmenting for radial truss
Fig. 6 Truss installation sequence 图6桁架安装顺序
层结构施工完成后，最后施焊.
小剧院天窗桁架跨度较小，单福桁架质量也较小，采取地面拼装、整福吊装.大剧院天窗桁架跨度较大，大部分天窗桁架质量均超出起重机起重性能，故考虑在跨中处设置支撑架，分2段吊装.
4施工关键技术
4.1弯扭构件专业深化设计软件开发
本工程弧形构件和弯扭构件占整个工程用量的80%，弯扭等异形构件和复杂节点深化设计工作量大，深化设计周期成为制约本工程周期的重要环节.
弯扭构件的深化设计表达方法与普通构件的拆板表达法不同，需要采用基于点坐标的多阶段深化设计表达方法，即深化设计图纸分为节点加工图、杆件加工图、节点与杆件各弯扭板件下料图、节 点与杆件各弯扭板件成型图、节点胎架定位坐标表（立体组立装配）、现场安装定位坐标表（拼装和安构内部产生较大的焊接残余应力，故考虑在结构装）、节点材料表等，需根据下料、组焊、拼装、现场
施工的需要，分别出具深化设计图纸.
根据本工程的特点，联合高校科研团队，研发了基于CAD平台的深化设计专用软件.使用本软件，可以自动根据样条曲线计算构件方向性，生成弯扭构件，构件过渡圆滑，精度高，并可以自动将构件、复杂节点展开，生成弯扭板件下料图，自动选取 控制点生成组焊、拼装和现场施工的定位坐标图等.本工程深化设计共投人设计人员21人，耗时50余d，即完成深化设计任务，为按时完工提供保障.
4.2小截面厚壁箱形弯扭构件制作
本工程弯扭构件截面较小，且最大板厚为50mm，小截面厚壁弯扭构件的加工制作难度大.采用基于CAD-CMA的无模成型设备，制作弯扭板件，然后在组立胎架上组立.无模成型工艺与火焰加热成型、冷压折弯成型、压模成型等方法相比，具有 对弯扭板件材性影响小、外观成型质量好、精度高、效率高等优点.
4.3弯扭构件安装测量方法及技术改进
以往类似项目中，弯扭构件与主构件相连处，一般均在主构件上设置牛腿，牛腿根据长度大小，可做直或做成弯扭状，弯扭构件和牛题对接焊接. 但采用该方法施工时，因制作、施工会产生细微偏差，经常导致弯扭构件和牛腿对不上，导致需要在现场返工，消耗大量人力、物力和时间，且返工质量不佳.鉴于此，本项目中进行研发，采取不设置牛腿，弯扭构件和主构件通过定位耳板直接对接的 方法.
深化设计时，在主构件侧面设置定位耳板，定位耳板一边与弯扭构件外表面平行，施工时，通过调整弯扭构件空中姿态，使弯扭构件两个外表面与定位耳板对齐，则弯扭构件安装就位.定位耳板还 起到临时固定的作用，施工时将弯扭构件调整就位并放置在定位耳板上后，起重机就可以松勾，此方法也可以提高吊装作业效率，有利于保证工期.
采用此技术的重点在于：①深化设计阶段，需要根据弯扭构件的空间位置，在主构件上合适位置 设置定位耳板：②工厂加工制作精度的保证，需保证定位耳板和弯扭构件的制作质量和精度，才能达到通过定位耳板定位的目的.如图7所示.
4.4全焊接结构低附加应力施工技术
本工程为全焊接结构，构件分为径向和环向两顺序吊装、焊接，环向杆件的焊接收缩作用将在结 种，经计算分析，如采取自下而上、从两边到中间的~，轴之间设置合龙缝，合龙缝处环
图7定位耳板的设置Fig.7 Location ear plate setting
向弯扭构件在施工时仅采用螺栓临时固定，待该层结构施工完成后，最后施焊.
此外，因结构布置原因，两侧的径向桁架向外侧倾斜，故施工时必须从两边向中间吊装.考虑焊在安装时均先采用螺栓临时固定，待该层构件全部吊装就位后，再从中间向两边施焊，完成弯扭构件和径向桁架之间的焊缝焊接作业.
宜在环境温度15~20℃时施焊. 根据计算分析，合龙缝处弯扭构件的焊接作业
4.5重型塔式起重机附着于柔性结构协同作用
求，D1100-63塔式起重机需要搭设的理论高度为113m，超出塔式起重机允许的自由高度，故需要设置附着措施.
根据大剧院的结构构成，为保证塔式起重机附着撑杆轴力的传递，将附着点设置在天窗桁架与径向桁架相交范围内，并沿贝壳面内和径向桁架面刚度. 内，在附着点处设置加强撑杆，以保证节点强度和
将附着点反力代人主结构整体模型中，进行计算分析，比较了自重作用、塔式起重机附着撑杆反力和风荷载作用对主结构的影响，计算结果表明，重型塔式起重机附着作用对主结构变形影响较大，会造成附着点处出现约15mm的变形增量，而风荷 载对结构影响较小.在自重、塔式起重机附着作用和风荷载作用下，塔式起重机塔身垂直度满足规范规定，故本工程重型塔式起重机附着于柔性结构可以协同工作，重型塔式起重机对结构影响较小.
4.6贝壳状结构安装坐标预调整
大、小剧院均为贝壳状造型，形状不规则，且因结构布置的原因，结构自重作用下变形规律较复杂：贝壳面中部以竖向变形为主，贝壳面两侧以竖向变形和向外侧的水平变形为主，同时发生面外方向的变形.结构的施工过程是结构从无到有、逐步 成型的非线性过程，为保证施工精度满足要求，需进行预调整，以减小甚至消除施工过程中结构因边界条件和成型情况不同面产生的变形.
目前工程界采取的常规做法有2种：①设计师指定变形预调整数值，如大跨度结构预起拱等，采取根据跨度或高度的固定幅度预调：②根据计算结果对每个控制点位进行坐标调整.对本工程面言，因吊装单元构件尺寸较大，相对而言变形预调整值较小，故最终采取现场安装时控制坐标预调整的方法.
施工完成后，对典型控制节点坐标复测，实测坐标与理论坐标偏差均较小，施工精度满足要求.
4.7滨海环境下施工质量和施工安全保证措施
本工程位于野狸岛填海区域内，滨海环境下气接变形的因素，根据计算对比结果，环向弯扭构件天气状况，另外施工周期较长，可能遭受多次台风 象条件多变，时常会遭受突发性大风或雷南等恶劣过境的考验，故针对这种恶劣天气状况，需要制定专门的作业规范，保证施工质量和施工安全性.
4.8施工全过程仿真分析
根据拟定的施工顺序，对大、小剧院结构进行施工过程仿真分析.计算结果表明，非线性施工过 程会造成部分杆件应力增大，部分杆件应力减小，大剧院结构顶标高约90m，为满足吊装作业要其中结构杆件中应力增大的，大部分杆件附加应力均较小，附加应力>20MPa的构件，大部分是应力出现变号导致的，其实际应力绝对值仍较小，对于个大，以保证结构杆件具有足够的安全储备. 别应力较大的杆件，经分析将其杆件截面进行加
5结语
珠海歌剧院钢结构工程具有大、异、扭、焊、滨、难、精等特点，施工时综合考虑场地条件和气候条件，采取使用塔式起重机地面拼装、分段吊装的施 工方法.根据结构特点和计算分析结果，设定特定的安装顺序和构件焊接顺序，以减小施工过程在结构内部产生的附加应力大小.针对小截面厚壁弯扭构件研发了深化设计专用软件，依托于CAD-CMA系统的无模成型技术，和新研发的弯扭构件测量定位施工技术，保证了本工程异形构件的施工质量.
参考文献：
[1]卜龙境，陈一，刘传佳，等，珠海歌剧院屋盖钢结构设计[2]张伟，叶期，杜冰冰，等.珠海歌剧院双由立面箱型构件制作 [C]//第十四届空间结构学术会议论文集，2012.工艺[J].电焊机 2013 43(4）：16-22.[3]邢遵胜，李银标，邹航，等，重型塔式起重机附着于柔性钢结 构设计方法和施工技术探讨[J].施工技术，2014 43（14）：175-178.[4]GB/T5031-2008塔式起重机[S].北京：中国标准出版[5]张成，空间网格结构的鲁棒性理论与试验研究[D].杭州：新 社，2008.江大学，2013问题[J].建筑结构学报，2013（2）;1-19 60.
