上海建工国家大剧院壳体钢结构安装工程

上海建工集团上海市械施工公司ShanghaiMechanizedConstructionCorporation(SMCC)国家大剧院壳体钢结构安装工艺研究综合研究报告CopyRightbySMCC上海市机械施工公司中国国家大剧院是国家重点文化设施。工程位于北京人民大会堂西侧，长安街南面，占地面积约20万m2，总建筑面积15万m2。该工程中心建筑为一超级椭圆形半球壳体，壳体四周环绕巨大水池，使壳体犹如珍珠半浮于水面。壳体长轴为212.20米，短轴为143.64米，半竖轴为46.285米。其内部容纳了歌剧院、戏剧院、音乐厅三个独立的大型建筑。壳体是一个独立的结构，支承于混凝土环梁上，与其内的建筑没有结构上的联系。主体建筑下部为三层地下建筑。

1.1工程概况CopyRightbySMCC上海市机械施工公司模型图CopyRightbySMCC上海市机械施工公司剖面图CopyRightbySMCC上海市机械施工公司壳体系全钢结构，其由顶环梁、梁架、斜撑和环向连杆等结构件组成，通过节点连接，并同壳体坐落的钢筋混凝土环梁连接固定，形成稳定的空间结构体系,壳体总重约6750t。三维合成图CopyRightbySMCC上海市机械施工公司顶环梁位于壳体中心顶部。其平面为折线椭圆形，长轴为53.82米，短轴为36.40米。顶环梁呈曲面状，曲面矢高2.5米。其由圆周环梁（φ1117.6×25.4mm），两根纵向矩箱梁和其它构件组成。

辐射梁架A类梁架箱梁分段顶环梁顶环梁系主要构件图解CopyRightbySMCC上海市机械施工公司CopyRightbySMCC上海市机械施工公司梁架呈中心辐射状分布，共148榀，系由两椭圆弧线构成的刚架，底宽约4米，顶宽约2米，最大长度约98米。梁架分A、B两类。A类梁架采用60mm厚钢板拼焊而成，B类梁架采用H型钢焊接而成。梁架上端与顶环梁连接，下端坐落在钢筋混凝土环梁上。

B类梁架A类梁架CopyRightbySMCC上海市机械施工公司CopyRightbySMCC上海市机械施工公司环向连杆连接梁架的主要构件，呈水平环状布置，自梁架根部至上端共41×2道。采用φ140×8mm～φ194×5mm钢管。连接形式为铸钢件连接和套筒连接。

CopyRightbySMCC上海市机械施工公司环向连杆和连接节点铸钢件节点套筒节点CopyRightbySMCC上海市机械施工公司

斜撑分布在壳体平面正交轴的四个对角线上。每个斜撑区分布范围为9个梁架节间。其作用是增加壳体的稳定性。斜撑采用φ194×12mm钢管连接节点采用插入钢板焊接。CopyRightbySMCC上海市机械施工公司斜撑区斜撑照片北面斜撑变化斜撑节点CopyRightbySMCC上海市机械施工公司1.2工程难点和特点a.

体量巨大

该壳体系超大型空间结构，其结构投影面积约2.5万m2，结构包容的空间约87.3万m3,体量大。b.

结构稳定

该壳体须待整个结构完全形成并连接固定后方为稳定的空间结构。如何保证施工阶段的结构稳定至关重要。c.

变形控制

该壳体为非正椭圆形半球体，几何形体特殊，结构自身变形复杂，施工过程的变形控制难度大。d.

构件单薄

壳体的主要结构构件梁架厚度仅60mm，平面外刚度极差，因而梁架的起板、搬运、吊装和校正必须采取特殊的技术措施。e.

环境复杂

壳体内包容了三个建筑物，且整个壳体结构坐落在多层地下结构之上。周围区域正在进行土建施工，场地标高差异大，施工方案的选择和施工平面布置受到很多限制。f.难以通视壳体外形弧线上拱量较大，周边可退视距离较小。用常规的测量方法，无法解决通视问题。CopyRightbySMCC上海市机械施工公司构件分段跨外综合对称安装即将构件在工厂按部件制作后运输至现场，组合成吊装单元，东、西、南、北各设一条作业线，按中心对称的施工顺序，先中心环梁，后梁架，再环向杆件进行逐件节间安装。安装前，根据控制结构变形，确保安装精度的原则，设置可调节的临时支撑系统，作为各构件支承和施工阶段结构稳定的依托。待结构形成整体，完成全部节点连接后，再根据变形协调、卸载均衡的原则，按一定顺序拆除临时支撑，完成整个钢壳体的安装。

2.施工工艺2.1施工技术路线的确定CopyRightbySMCC上海市机械施工公司

施工总平面布置是以壳体为中心，分三块区域进行安排。南、北两块，分别构件拼装区。其中北块设东、西二块拼装地；南块设东、西、中三块拼装地。中间为吊装区。吊装区及拼装区，分别在±0.000，-7.000，和-13.900的三个不同层面上，最大高差达14m。在吊装区和拼装区周边地区，基坑-7.000米标高处设置施工通道

2.2施工总体方案2.2.1施工总平面布置

CopyRightbySMCC上海市机械施工公司CopyRightbySMCC上海市机械施工公司吊装区域以中心环梁为中心，以壳体斜撑区为分界，划分为中心环梁，四个梁架节间等五个吊装作业区，分块按序对称进行壳体结构安装。2.2.2吊装区域划分

第一工作区第二工作区第三工作区第四工作区第五工作区a.DEMAGCC2800（600t）履带式起重机1台

CopyRightbySMCC上海市机械施工公司先选用超起工况，接60m主臂，84m副臂，定位北面进行中心环梁吊装；然后选用常规工况，接60m主臂，84m副臂，在北面进行第二、三、四作业区的上段梁架节间吊装。

2.2.3施工机械选用

b.行走式M440D（600t·m）塔吊二台CopyRightbySMCC上海市机械施工公司两台M440D(600t·m)塔式起重机接55m起重臂，位于壳体东、西两侧行走，进行第二、三、四作业区的中、下段梁架节间及柱靴吊装。c.SK三56三0三（6三00三t·三m）三固定三式塔三吊三1台Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司SK三56三0(三60三0t三·m三)塔三式起三重机三定位三于壳三体南三面，三接5三0.三8m三起重三臂，三进行三第五三作业三区的三吊装三。2.三2.三4三施工三总流三程Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司施工三流程三安排三对于三壳体三施工三阶段三的结三构稳三定和三壳体三变形三控制三至关三重要三。在三满足三对称三安装三总原三则的三前提三下，三遵循三以下三三个三原则三：先三中心三结构三，后三周边三结构三；先三结构三加强三区域三，后三一般三结构三区域三；先三安装三固定三，后三结构三荷载三转换三。2.三3三主要三构件三吊装三工艺Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司本壳三体主三要结三构件三梁架三构件三细长三，平三面外三刚度三较差三，其三起板三和安三装难三度极三大。三因此三，在三梁架三起板三和安三装时三采用三了如三下施三工工三艺。合理三分段三，减三小构三件长三度。Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司下段梁架中段梁架上段梁架梁架柱靴利用三悬挂三脚手三架，三进行三侧向三加固三，增三加构三件刚三度。Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司合理三选择三吊点三吊具三，减三少构三件吊三装附三加荷三载。Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司临时三支撑三（浪三索）三校正三固定三，保三证梁三架就三位稳三定。Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司2.三3.三1三壳三体变三形分三析壳体三结构三自重三引起三壳体三变形三是结三构变三形的三主要三矛盾三。2.三3三壳三体预三变形其变三形分三析如三下：壳体三由中三心环三梁和三14三8榀三梁架三组成三。其三中长三轴梁三架1三02三榀，三按短三轴对三称分三布在三东、三西两三侧；三短轴三梁架三46三榀，三相对三于长三轴，三北边三分布三32三榀，三南边三分布三16三榀。三由于三短轴三梁架三及屋三面覆三盖自三重均三较长三轴梁三架及三覆盖三层自三重大三。因三而壳三体结三构按三短轴三对称三分布三，按三长轴三不对三称分三布。三按变三形计三算结三果，三结构三自重三引起三的变三形量三比较三大，三并通三过结三构安三装过三程逐三步累三积，三是壳三体变三形的三主要三因素三。结三构自三重引三起的三变形三见下三面对三照：a.三壳三体在三结构三自重三作用三下：三Z向三（竖三向）三14三3三mm三；X三向8三3三mm三；Y三向三20三mm三。与三壳体三结构三分布三状况三对应三，壳三体顶三部向三南变三形三83三m三m。b.三壳三体在三恒载三作用三下：三Z向三（竖三向）三1三91三mm三；X三向三98三mm三；Y三向3三2三mm三。与三壳体三结构三分布三状况三对应三，壳三体顶三部向三南变三形9三8m三m。Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司2.三3.三2三壳三体变三形控三制根据三变形三分析三，对三壳体三变形三控制三的思三路是三针对三壳体三变形三主要三矛盾三，简三化变三形关三系，三将空三间关三系转三化为三平面三关系三。通三过多三向、三多环三节的三平面三变形三控制三措施三控制三和减三少壳三体变三形，三确保三壳体三结构三安装三精度三。这一三思路三通过三以下三的环三节实三施，三一是三上段三梁架三在竖三向平三面内三做竖三向预三变形三。根三据壳三体顶三部最三大下三挠值三，竖三向变三形为三17三0三mm三。这三样解三决了三竖向三变形三的主三要问三题，三使大三部分三节点三的变三形接三近或三控制三在允三许偏三差范三围内三；二三是通三过梁三架上三段的三屋面三支座三作适三当调三整，三解决三径向三变形三和局三部竖三向变三形。Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司竖向三预变三形示三意图Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司通过三梁架三上段三的屋三面支三座作三适当三调整三，解三决径三向变三形和三局部三竖向三变形三示意三图Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司为验三证我三们的三预变三形方三案可三能导三致的三结构三初始三偏差三对壳三体整三体稳三定性三的影三响，三在同三济大三学协三助下三，进三行反三复分三析验三算。三验算三结果三证明三其整三体稳三定性三与法三国设三计方三的方三案相三当（三验算三结果三如下三表一三、二三）。BucklingMode123预变形方案（法方）3.426543.579403.71836预变形方案（中方）3.389173.540333.67817表二三：自三振特三性对三照表频率(frequency)1（Hz）2（Hz）3（Hz）预变形方案（法方）0.465590.555670.76054预变形方案（中方）0.467530.558860.76124表一三：整三体稳三定系三数对三照表Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司2.三4三壳三体预三拼装三和节三点优三化对壳三体预三拼装三方案三研究三的基三本思三路是三从节三点构三造优三化着三手，三将壳三体整三体预三拼装三化为三局部三结构三整体三预拼三装和三主要三构件三单件三平面三预拼三装，三并通三过壳三体制三作安三装过三程的三控制三以及三过程三数据三的传三递，三以达三到整三体预三拼装三的效三果。2.三4.三1三壳体三预拼三装研三究Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司中心三环梁三整体三空间三预拼三装。Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司梁架三平面三预拼三装Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司为实三施上三述壳三体预三拼装三方案三，必三须对三原设三计的三梁架三与环三向水三平连三杆的三连接三节点三构造三进行三优化三。2.三4.三2节点三构造三优化双铸三钢件三高强三螺栓三摩擦三连接三改为三单铸三钢焊三接节三点Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司法兰三螺栓三连接三改为三套筒三焊接三节点避免三了连三接段三定位三必须三的壳三体空三间预三拼装节点三形式三简化三，受三力更三为明三确合三理节点三安装三调节三余量三大，三方便三安装节点三加工三成本三降低Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司2.三5三壳三体定三位与三测量2.三5.三1测量难点壳体三结构三形体三庞大三，其三安装三测量三控制三点众三多，三测量三精度三要求三高；壳体三为非三椭圆三形半三球体三，其三曲面三方程三为：因而三壳体三外形三弧线三上拱三量较三大，三结构三上下三通视三较差壳体三周边三测量三可退三视的三距离三较小三，也三无测三量制三高点三可供三选择三。Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司2.三5.三2测量方案通过三对壳三体结三构组三成及三外形三和周三边环三境进三行了三多次三深入三分析三、踏三勘和三研究三，在三壳体三定位三测量三研究三的思三路上三不就三事论三事，三而是三从根三本上三先把三问题三简化三，然三后再三采用三简单三有效三的方三案解三决壳三体的三定位三测量三。Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司环梁平面148榀梁架平面具体三做法三：先三把复三杂的三空间三结构三转化三为平三面结三构，三把壳三体按三其结三构组三成分三解为三15三0个三平面三，即三中心三环梁三和混三凝土三底环三梁各三一个三水平三面，三梁架三14三8个三竖直三平面三，然三后采三用常三规的三测量三工艺三有效三的解三决壳三体的三定位三测量三。Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司在中三心支三撑（S0）顶面三设置三平面三和高三程控三制点三，作三为顶三环梁三安装三的控三制依三据。2.三5.三3三实三施方案Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司建立三平面三和高三程控三制网三。选三用高三精度三全站三仪和三经纬三仪，三将14三8榀梁三架的三投影三标示三在混三凝土三结构三面层三上，三作为三平面三控制三网。选用三高精三度水三准仪三确定三分段三梁架三支撑三点标三高。三考虑三支撑三的压三缩变三形，三支撑三点标三高比三理论三值高10三-2三0m三m。Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司选用T2经纬三仪，三根据三平面三控制三网从三场内三或场三外确三定相三应梁三架平三面，三解决三通视三难题三。Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司梁架三上、三下弦三均设三测量三标尺三，通三过浪三索及三专用三工具三进行三梁架三竖平三面内三的校三正定三位。Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司2.三6三安装三用支三撑选三型和三设计Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司采用三螺栓三球节三点网三架作三支撑三体系三，其特点三：支撑三整体三性好三，水三平与三竖向三刚度三大。对荷三载的三扩散三明显三，单三个支三点荷三载小三，避三免或三简化三了下三部结三构加三固。安装三和拆三除方三便，三不需三要机三械配三合。80三%杆件三采用三标准三杆件三，可三重复三使用三。2.三6.三1三支撑三选型Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司2.三6.三2三支撑三设计支撑三布置根据三壳体三结构三特点三和壳三体安三装施三工工三况要三求，三整个三支撑三系统三布置三三道三。其三中：S0为中三心支三撑，三主要三支撑三中心三环梁三；S1为外三圈支三撑，三支撑三下段三和中三段梁三架的三连接三点；S2为内三圈支三撑，三支撑三中段三和上三段梁三架的三连接三点。S0网架三支撑:坐落三在歌三剧院三屋顶三上。三系高三低不三一的三平板三式网三架（三高差8m），平面三为60三×4三2m的多三边形三。顶三层为三正放三四角三锥网三架，三下层三为排三架式三网架，网架三中间三作抽三空处三理。Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司S1、S2网架三支撑三：支撑三落点三从地三下-7三.0三0m至地三上33三m结构三屋面三，高三差达40三m。支撑三平面三为拟三合椭三圆的三多边三形。顶层三采用三四角三锥网三架单三元。三其立三柱位三置均三与楼三层下三的隔三墙位三置相三对应三，砼三结构三不作三加固三处理三，又三便于三施工三时人三流、三物流三的通三行。Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司转换三层为了三将结三构的三集中三荷载三扩散三至网三架支三撑的三节点三上，三专门三设置三了由三型钢三组成三的转三换层三。Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司S0三转换三层S1三、S三2三转换三层Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司2.三7三壳体三结构三荷载三转换三（临三时支三撑卸三载）Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司2.三7.三1三卸载三工艺卸载三工艺三制定三原则三：以三结构三计算三为依三据，三以结三构和三支撑三安全三为宗三旨，三以变三形协三调为三核心三，以三实时三监控三为保三障。卸载三工艺三：利三用设三置支三撑转三换层三上的三可调三节支三撑装三置（三即螺三旋千三斤顶三），三按多三次循三环、三微量三下降三的原三则、三逐步三实现三荷载三平稳三转换三。卸载三前提三条件三:三壳体三结构三全部三安装三完毕三，所三有节三点全三部连三接并三验收三合格三；梁三架底三部的三钢锲三及侧三向限三位全三部拆三除，三以实三现支三座转三换；三卸载三用支三架及三螺栓三千斤三顶安三装到三位并三顶紧三。Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司2.三7.三2三卸三载步三骤及三计算三依据壳体三安装三时共三有3三道临三时支三撑，三其S三1为三外环三支撑三，S三2为三内环三支撑三,S三0为三中心三支撑三。卸三载步三骤分三为整三体步三骤和三每一三步骤三的子三过程三。整三体步三骤分三为1三3步三，按三先S三1，三后S三0、三S2三循环三下降三，每三步下三降值三5-三--三10三mm三。每三一步三骤的三子过三程通三过分三布在三三道三支撑三上的三14三8个三点逐三步分三轮下三降，三每次三下降三1-三--三4m三m。三这样三通过三多步三骤循三环下三降，三实施三支撑三卸载三。每一三步骤三的卸三载次三序和三下降三量，三都采三用计三算机三建模三，模三拟计三算加三以确三定。三计算三过程三中，三将支三撑系三统的三刚度三引入三计算三模型三，使三卸载三量值三的控三制更三为精三确。卸载三步骤三及每三一步三的下三降量单位三（m三m）Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司

S1S2S0S1（累计）S2（累计）S0（累计）初始000000第1步去除(20)

20

第2步

5

05第3步

5

55第4步

5

510第5步

8

1310第6步

15

1325第7步

8

2125第8步

15

2140第9步

10

3140第10步S0箱梁中间支点去除第11步

去除（30）

6140第12步

30

6170第13步

去除（60）

130各卸三载工三况对三应荷三载转三移的三计算三结果三汇总Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司卸载步S1(t)S2(t)增量(t)S0(t)增量(t)支座增量(t)初始9801574

1425

3021

第1步0

1587+131364-614049+1028第2步

1600+131300-644100+51第3步

1415-1851315+154270+160第4步

1425+101250-654325+55第5步

1129-2961268+184603+278第6步

1164+351076-1924760+157第7步

868-2961095+195037+277第8步

903+35904-1915193+156第9步

533-370927+235540+347第10步

507-26943+165550+10第11步

0

-507

973+306027+477第12步

6060-3676394+367第13步

-606

7000+606Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司2.三7.三3卸载三实施三及监三测卸载三是一三项组三织性三、协三调性三极高三的操三作。三实施三前对三卸载三设备三记录三、操三作人三员、三设备三、通三讯指三挥设三置、三卸载三过程三协调三统一三指导三，都三进行三缜密三安排三和严三格规三定。卸载三中还三进行三了卸三载监三测。三卸载三监测三包括三变形三监测三和内三力监三测两三部分三。变三形采三用全三站仪三动态三实时三监测三和部三分监三测，三既包三括对三主体三结构三的监三测也三包括三对临三时支三撑系三统的三监测三。Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司卸载三照片Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司壳体三各测三点变三形值三与理三论值三对比三。顶环三梁三单三位：mm测点Y向位移X向位移Z向位移计算实测Δ计算实测Δ计算实测Δ正北点向南36向南342向西1向东34向下151向下1429正南点向南36向南297向西1向东34向下97向下898正东点向南36向南351向西4向西51向下77向下725正西点向南36向南360向东4向东73向下78向下735Co三py三Ri三gh三t三by三S三MC三C上海三市机三械施三工公三司S1支撑三处三单位三：mm轴线号(Y向)向南位移(Z向)向下位移

计算值实测值│Δ│计算值实测值│Δ│1轴-37-14231-3410轴-21-9124-3719轴-48128-81656轴412912-81965轴615011-16-