解析首博新馆钢屋盖的施工法

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首博新馆以大跨度钢屋盖而业内闻名，这个外形看似简单，但内部结构体系及节点构造复杂的建筑物，其施工法当时着实让施工单位动了一番脑筋。
    首都博物馆新馆工程是2001年北京市60项重点工程之一，是新世纪北京市标志性建筑。新馆位于西长安街延长线白云路西侧，该馆建筑为地上五层、地下二层，总建筑面积为61680平方米，建筑工程预算投资7.8亿元，是新中国成立以来，北京市投资规模最大的文化公益设施。
    该项目以大跨度钢屋盖而闻名业内。其大跨度钢屋盖是由18榀南北向平均分布的主桁架和节间垂直及水平支撑系杆组成。整个钢屋盖支撑于34根摇摆钢柱上，东西边桁架下端分别设8根抗风柱，34根摇摆柱，柱顶标高均为34.13米（主桁架下弦杆中心标高为34.4米），柱距8米（个别16米），整个大屋盖系统南北向跨度56米，东、西、南三个方向悬挑12米，北侧悬挑21米，单榀主桁架重10～21吨不等，桁架自身高度最大4.5米，间距8米。主桁架及横向垂直支撑均采用平行弦桁架，主桁架由B轴-G轴2%起坡。主桁架杆件均采用英钢联生产的S355J2H钢材，此种钢材具有材质轻、刚度大等特点，屋盖总用钢量仅约800吨。
    由此，工程的主要施工特点便是钢桁架跨度大，悬挑长；屋盖钢结构在施工过程中刚度小，安装精度要求高；钢桁架采用方、圆钢管杆件，节点构造复杂，加工和安装难度大，桁架间支撑杆件与主桁架采用高强螺栓连接，高强螺栓总量30000余条；屋盖钢结构在安装过程中受环境温度变化和焊接收缩变形影响大；屋盖与出屋面的椭圆斜筒体在结构上互不相连，使屋盖系统在椭圆筒周围由单纯的桁架结构变为桁架加网架的复合结构系统，加工和安装的难度进一步加大；因整个屋盖结构用钢量低，导致结构所用材料构件规格多（仅屋盖系统杆件就有5000余根，其中方钢管共有22种规格），加大了加工和施工难度。
    独辟蹊径施工
    屋盖钢结构虽外形简单，但内部结构体系及节点构造复杂，大跨度钢结构常用的施工方法，如整体提升（顶升）、整体吊装、滑移法施工等工艺均不适合本工程。综合考虑屋顶后续屋面及吊顶工程的施工作业及屋盖钢结构的特点，施工方决定采用满堂脚手架、分段吊装、高空组拼的施工方法。
    具体施工方案是：在预拼装场地进行89米主桁架的整体拼装，然后考虑运输情况及根据现场吊装机械的性能分段运往现场；利用现场土建的施工东南西北四个角部均布四台塔吊，作为屋架吊装的主要机械—运往现场的分段桁架要根据现场四台塔吊的机械性能来确定；单榀主桁架经预拼装验收合格后，根据塔吊的起重能力，结合每榀桁架重量分为3～9段，运至现场后进行分段吊装、高空对接；横向桁架垂直支撑由加工厂整体组装后，运至现场直接起吊；根据桁架接口位置不同，在脚手架施工前预设承重支点，在承重支点上方设置沙漏千斤顶，以保证主桁架的安装标高，并为将来屋面整体卸荷创造条件。
    由于整个屋盖形体呈矩形，支撑情况复杂。南侧9米进深、144米长的办公、科研楼，北侧轴以西的基本展厅以及东北侧位于倾斜椭圆筒体内的专题展厅，三座独立建筑物群落由覆盖于其上的钢结构大屋盖连接成一个整体，建筑物之间的空间构成一个净空30余米的礼仪大厅，由此形成了整个博物馆建筑外型简洁而不失动感，内部空间开敞丰富的建筑风格。正是由于上述建筑和结构上的特点，使得大屋盖钢结构安装施工成为整个博物馆新馆工程施工中的一大难点。
    由屋盖结构及其下部支撑结构的特点可见，大跨度钢结构常用的施工方法，如整体提升，分段或整体累计滑移，整体吊装，分段吊装等，无一可以完整运用于该项工程的施工。整体吊装或提升无法应用，整榀吊装现场条件不允许，因而本工程中拟采用高空散拼的安装方法，即将主桁架在加工厂加工后每榀分为7～8个单元段运往施工现场（在施工现场组拼为高空散拼吊装段）进行高空散拼安装；将加工厂的单元段在地面组拼成已适合塔式吊装的加工单元段，吊到主楼拼装架上进行就位组拼。
    安装挑战高难度
    首都博物馆新馆工程中钢屋盖四周均有尺度较大的悬挑挑檐结构——东西两侧悬挑12米，北侧悬挑21米。根据施工方案，屋盖前九轴范围内的南北两侧挑檐，屋盖四角的挑檐采用悬挑法安装施工。
    挑檐桁架在地面组拼就位后由塔吊吊装就位，由于构件重量相对其他屋盖构件的重量小得多，因而起吊安装不是难题，但由于建筑设计要求屋盖四角挑檐在尺度上尽量看起来“轻”、“薄”，且挑檐部分的吊顶板为可反映出上部及馆内空间的不锈钢板，因此对挑檐钢结构及吊顶板的安装平整度提出了很高的要求。本部位悬挑安装施工的工艺要点就在于精确地控制挑檐下弦轴线的平直度，减小悬挑高度方向的误差，为吊顶板安装施工创造条件。
    屋盖四周大挑檐安装采用分段吊装法安装，可以保证挑檐下弦的安装位置准确。但对于屋盖的四角，由于构件断面小，且纵横方向均由单根钢箱梁汇交于角部一点，该部分安装只能高空散拼。为了切实保证屋盖四个大角的标高准确，在屋盖四角下方搭设承重支架。由于支架高度大，上层设揽风绳以增加其稳定性。承重支架不仅作为四角挑檐构件安装的支点，而且在其上设置水平仪支架，在屋盖四周形成一个封闭的标高控制网，为挑檐下吊顶板的安装提供测量基准。
    钢屋盖整体吊装顺序：
    屋面转换柱安装→转换柱临时固定→柱间预应力支撑安装（预应力支撑分三次张拉）→第一间主桁架安装→校正→固定→验收→以第一间为标准间依次由西向东安装操作一细再细
    因工程钢桁架的安装均采用高空散拼法施工，所以需搭设脚手架，而脚手架的搭设除每段的受力支点处立杆间距为0.5米外，其余间距均为1.5米。悬挑段脚手架的搭设： 21米悬挑脚手架的搭设约需从地下二层顶板开始，高度近36米，因此承重点下的脚手架立杆均为单排，间距为0.5米，其余均为1.5米。
    工程全部搭设满堂脚手架，使构件在满堂脚手架上的拼装胎架上进行，有利于拼装质量的保证。由于有脚手架和塔吊的配合，使屋盖钢结构的防水涂料施工和屋面板、吊顶板的安装施工，屋面吊顶檩条及龙骨的安装施工均可在脚手架上进行，对于保证施工质量和加快施工进度都有可靠保证，并且脚手架重复利用率高，这样也可以大大降低施工成本。
    由于桁架空间直线变化，其高差变化相当大，需多次架设仪器进行测定，拼装操作平台上垂挂大盘尺，通过高精度水准仪将后视标高逐个引测至每个测量操作平台上的某一点，做好永久标记，作为测量操作平台上标高控制后视点之用。根据引测各标高后视点，分别测出平台上相应下弦控制节点标记点位之实际标高，然后计算出相应控制节点高度差值，明确标注于测量平台相应节点标记点，以此作为桁架分段组装标高的依据，标高控制目标为±10.0毫米。
    根据工程施工测量面积大、周期长、精度要求高等特点，为了每榀桁架的安装偏差结果便于分析比较，以使整个施工过程的误差处于受控状态，施工中采用全过程定点跟踪测量的方法。根据测量温度及测量时间不同，对主桁架安装偏差进行全程观测，在节间杆件安装、焊接及高强螺栓等工序的施工过程中，固定时间进行观测，并记录轴线标高、垂直度误差结果，并对结果进行分析，以便及时进行调整控制误差。
    目前， 首博新馆钢屋盖工程已经完工，并且已获得钢结构长城杯。其采用合理的施工方法保证了工程如期完工，为钢屋盖系统后续工作的施工创造了条件。