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Co竞py家Ri城gh谣t斥by欲S丸MC创C上海讯市机深械施因工公蓬司吊装区堂域以中班心环梁哗为中心哪，以壳寄体斜撑问区为分肾界，划栽分为中碍心环梁榴，四个然梁架节毯间等五舅个吊装扛作业区释，分块戴按序对筝称进行缴壳体结膨构安装榆。2.2椅.2吊装区低域划分第一工作疗区第二工作哀区第三工作区第四工作牛区第五工作区a.陷DEM范AG骑CC2差800睬（60共0t）透履带论式起重奏机莫1台Cop肚yRi吩ght揪by雷SM荣CC上海市冤机械施使工公司先选用斯超起工光况，接酸60m动主臂，戒84m搂副臂，讨定位北撑面进行急中心环闯梁吊装丸；然后猎选用常抚规工况咽，接6茶0m主董臂，8挠4m副兵臂，在牲北面进徐行第二剪、三、丸四作业链区的上肥段梁架森节间吊狸装。2.榆2.乓3施工机腊械选用b.薄行抱走式薪M家44圣0D坏（6遣00垒t·m）碎塔吊怒二为台Co赶py宿Ri滑gh独t临by迎S位MC卧C上海市笼机械施外工公司两台M集440晃D(6圆00t赤·m)祥塔式起叨重机接滚55m积起重臂木，位于绞壳体东略、西两榆侧行走转，进行沸第二、坏三、四匀作业区射的中、正下段梁征架节间腾及柱靴博吊装。c.SK5承60母（60奏0t·顾m）固斩定式塔先吊1独台Cop失yRi训ght吨by揉SM蚊CC上海市滩机械施役工公司SK辜56菠0(转60钢0t兰·m征)塔叠式起私重机战定位课于壳话体南州面，物接5昆0.菜8m窜起重霜臂，曲进行僵第五支作业扒区的旋吊装伐。2.2种.4上施工总竿流程Co拣py择Ri陆gh络t泡by伟S事MC抱C上海市即机械施押工公司施工流闹程安排良对于壳先体施工掩阶段的热结构稳烟定和壳葛体变形坡控制至居关重要之。在满丧足对称炮安装总侄原则的蠢前提下颗，遵循影以下三撤个原则汉：先中期心结构圈，后周字边结构司；先结渡构加强题区域，阵后一般宇结构区差域；先清安装固悦定，后培结构荷跑载转换腐。2.歇3滥主要当构件杨吊装浊工艺Cop枪yRi员ght搅by斯SM彼CC上海市蝇机械施沉工公司本壳体立主要结耳构件梁绿架构件斥细长，赴平面外坐刚度较跳差，其姓起板和凭安装难隔度极大鼓。因此伴，在梁薄架起板贞和安装贷时采用鞭了如下提施工工浆艺。合理分给段，减代小构件自长度。Co堂py处Ri炕gh久t闲by竿S发MC幅C上海市截机械施踪蝶工公司下段梁架中段梁架上段梁架梁架柱靴利用错悬挂佛脚手折架，咬进行骆侧向刮加固誉，增潮加构内件刚锄度。Co蓄py证Ri拾gh派t驳by雷S林MC秩C上海市零机械施咱工公司合理迅选择炕吊点刊吊具免，减辽少构秒件吊肿装附廊加荷赵载。Cop蛾yRi准ght场by帐SM点CC上海犯市机财械施理工公冠司临时砌支撑身（浪寇索）重校正顶固定膛，保绪证梁佩架就窄位稳丸定。Cop蛮yRi光ght词by粘SM窝CC上海寇市机冰械施抚工公创司Cop缩慧yRi羽ght宏by路SM茶CC上海市倒机械施颠工公司2.3彩.1酒壳体泉变形分销析壳体毅结构费自重怜引起颈壳体匪变形吊是结耽构变辉形的竟主要责矛盾沟。2.3解壳皱体预变烤形其变形雹分析如窜下：壳体由方中心环竿梁和1清48榀摸梁架组年成。其梯中长轴变梁架1挎02榀黄，按短虽轴对称息分布在初东、西剃两侧；丹短轴梁总架46凑榀，相薄对于长植轴，北尽边分布景32榀绞，南边旅分布1短6榀。差由于短握轴梁架络及屋面惊覆盖自幕重均较额长轴梁遇架及覆扫盖层自虹重大。异因而壳吼体结构扭按短轴迹对称分辩布，按听长轴不郊对称分冈布。按若变形计躺算结果决，结构罗自重引职起的变雾形量比重较大，答并通过剑结构安膀装过程跟逐步累肆积，是练壳体变令形的主李要因素注。结构掏自重引坟起的变且形见下夏面对照缩慧：a.庄壳体在赴结构自穷重作用夺下：Z摄向（竖撑向）1蓝43幕mm；绿X向8黑3m散m；Y贵向2贪0mm碌。与壳轿体结构迫分布状嚷况对应间，壳体甲顶部向倒南变形击83青mm需。b.献壳疤体在隙恒载岭作用漠下：融Z向宫（竖屑向）仰1酷91挨mm差；X填向主98晶mm灿；Y墨向3敌2刃mm尾。与重壳体讨结构资分布圾状况呜对应东，壳羡体顶痕部向捐南变月形9速8m违m。Co魄py闻Ri柴gh巴t序by彼S岗MC匀C上海市车机械施凭工公司2.3紧.2顷壳体蓄变形控搅制根据变吧形分析与，对壳路体变形兔控制的瘦思路是掩针对壳樱体变形此主要矛认盾，简讽化变形摘关系，蹲将空间茶关系转蛛化为平杂面关系辅。通过旬多向、唇多环节奶的平面赛变形控狂制措施鸭控制和盯减少壳新体变形旱，确保锁壳体结同构安装趋精度。这一束思路遍通过跟以下故的环童节实敏施，逼一是众上段腐梁架手在竖惜向平苍面内尿做竖苗向预筛变形坝。根猴据壳视体顶捎部最克大下谅挠值连，竖社向变悠形为桶17耻0亏mm束。这启样解资决了售竖向颠变形岔的主鹅要问茂题，桂使大梨部分感节点施的变忌形接腐近或声控制逃在允焦许偏穴差范弦围内耍；二涝是通柜过梁誓架上累段的款屋面膨支座暗作适歪当调爆整，说解决延径向谜变形吼和局符部竖娃向变盟形。Co成py戚Ri晶gh摩t闭by另S沙MC稍C上海市滤机械施围工公司竖向预充变形示言意图Co剥py道Ri断gh缝t层by犁S腹MC顺C上海冈市机鱼械施展工公洲司通过梁漠架上段帮的屋面丽支座作特适当调肿整，解皂决径向牧变形和闭局部竖希向变形忠示意图Cop军yRi织ght致by殿SM初CC上海市尿机械施循工公司为验证堪我们的撕预变形北方案可稳能导致拥的结构泊初始偏躬差对壳杜体整体济稳定性键的影响苍，在同笔济大学好协助下慕，进行贼反复分忙析验算菠。验算巧结果证秒明其整辫体稳定论性与法张国设计怜方的方字案相当蹲（验算遵结果如仿下表一却、二）是。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：业自振特欣性对照收表频率(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：颈整体稳呼定系数练对照表Cop纽奉yRi析ght而by走SM虎CC上海市病机械施郑工公司2.4圾壳岛体预拼却装和节至点优化对壳辨体预搅拼装肉方案啊研究句的基绣本思宋路是误从节健点构靠造优校化着吗手，趣将壳概体整鹿体预瘦拼装狮化为陷局部污结构雀整体模预拼讲装和蜓主要徒构件车单件虫平面附预拼乡丰装，菊并通议过壳检体制摘作安伍装过信程的视控制模以及狼过程秤数据犬的传毙递，腐以达烈到整害体预魔拼装唤的效痕果。2.4饥.1椅壳体预挥拼装研蒜究Cop层yRi茫ght承by亩SM缎CC上海努市机陶械施投工公逝司中心捏环梁悦整体达空间袖预拼啄装。Co闪py疏Ri某gh蝴t杀by浓S棉MC晋C上海市趋机械施搭工公司梁架畜平面贼预拼探装Co举py木Ri放gh博t径by幸S鼓MC曾C上海封市机战械施柿工公罢司为实施跟上述壳桂体预拼摘装方案倘，必须锈对原设归计的梁旦架与环授向水平笛连杆的抽连接节匪点构造役进行优露化。2.4愁.2节点构扫造优化双铸钢瓶件高强摇螺栓摩劫擦连接宴改为单男铸钢焊禾接节点Co吩py监Ri之gh肃t亦by约S谱MC猎C上海捷市机觉械施附工公处司法兰示螺栓第连接赤改为带套筒灯焊接醋节点避免了冠连接段香定位必群须的壳驶体空间搅预拼装节点农形式务简化混，受先力更垮为明肠确合昌理节点星安装酷调节钳余量挤大，剖方便嚼安装节点捆加工发成本治降低Cop泊yRi早ght辈by恐SM劣CC上海滔市机铸械施异工公耽司2.善5他壳趣体定越位与顺测量2.5找.1测量难点壳体顿结构膏形体萄庞大姑，其壁安装孤测量蚀控制柔点众值多，辰测量久精度洽要求承高；壳体为越非椭圆兵形半球拨体，其狭曲面方申程为：因而杀壳体妖外形驱弧线浪上拱软量较叉大，棍结构单上下懒通视璃较差壳体敏周边腐测量静可退雕视的惩距离基较小改，也要无测晌量制磨高点怎可供社选择细。Co镜py棋Ri乡丰gh拿t跟by滋S惰MC基C上海狂市机隔械施帅工公殊司2.5芒.2测量方案通过对孩壳体结臭构组成闻及外形昂和周边宅环境进搅行了多萌次深入像分析、傍踏勘和碧研究，危在壳体白定位测条量研究叔的思路脚上不就歉事论事忙，而是著从根本偶上先把乘问题简谣化，然体后再采艇用简单弱有效的戴方案解派决壳体风的定位园测量。Cop缺yRi杂ght怎by握SM言CC上海市台机械施勾工公司环梁平面148榀梁架平面具体期做法旋：先爷把复东杂的齿空间迫结构磨转化掠为平跃面结候构，粱把壳责体按彻其结粒构组悟成分瞒解为浆15稼0个馋平面柏，即对中心筐环梁躲和混拢凝土炒底环踪蝶梁各竿一个徒水平遮面，抽梁架结14商8个胜竖直辛平面欺，然炎后采鸽用常宰规的码测量音工艺凡有效贤的解泊决壳织体的鱼定位标测量妥。Co段py承Ri馋gh怠t狗by锻S鸽MC辅C上海失市机常械施尿工公泊司在中铜心支膊撑（S0）顶面限设置启平面扁和高湖程控井制点纠，作递为顶厦环梁踢安装细的控新制依津据。2.斜5.愧3暴实企施方案Co峰py照Ri校gh糖t准by运S怨MC冲C上海作市机轻械施世工公旋司建立平团面和高招程控制敏网。选番用高精项度全站耗仪和经贿纬仪，付将14蚕8榀梁架买的投影烘标示在摊混凝土拆结构面倾层上，哑作为平竹面控制洗网。选用高钥精度水烈准仪确恭定分段芝梁架支依撑点标菠高。考篇虑支撑磁的压缩扭变形，筹支撑点典标高比垫理论值残高10份-2杜0m院m。Cop臂yRi股ght可by管SM剑CC上海热市机旧械施市工公役司选用T2经纬述仪，浙根据吩平面布控制阿网从狸场内乞或场妈外确侵定相愈应梁执架平使面，本解决绳通视棵难题信。Co竟py盯Ri腰gh酒t硬by怒S楚MC怀C上海窝市机蹈械施昂工公怜司梁架上绘、下弦允均设测老量标尺蔬，通过垮浪索及逝专用工芬具进行凤梁架竖呈平面内付的校正朴定位。Co闷py售Ri压gh惩t加by灾S鱼MC炎C上海华市机腾械施晚工公腊司2.6乒安装货用支撑饶选型和留设计Cop等yRi血ght许by小SM撞CC上海市克机械施脉工公司采用步螺栓僻球节码点网扰架作抵支撑拿体系谁，其特点：支撑驾整体谷性好遭，水访平与愈竖向镰刚度层大。对荷载前的扩散皆明显，党单个支仓点荷载棕小，避酱免或简坡化了下圆部结构朋加固。安装征和拆绞除方傍便，错不需筑要机等械配鼻合。80唯%杆件采撤用标准仅杆件，盏可重复茂使用。2.6姑.1畜支撑选孝型Co针py眉Ri驶gh禾t提by剃S药MC示C上海肉市机哈械施沙工公笨司2.6纱.2等支撑设仅计支撑布霉置根据壳脊体结构烤特点和浅壳体安铅装施工白工况要絮求，整贯个支撑掉系统布植置三道际。其中根：S0为中心产支撑，长主要支迎撑中心示环梁；S1为外圈侨支撑，特支撑下君段和中烤段梁架趋的连接色点；S2为内词圈支慨撑，遗支撑辜中段颂和上棋段梁抖架的标连接悦点。S0网架支舍撑:坐落在就歌剧院悬屋顶上打。系高躁低不一牧的平板饶式网架互（高差8m），平面它为60×鼓42m的多边号形。顶负层为正宣放四角给锥网架激，下层附为排架樱式网架，网架中棵间作抽犯空处理卫。Cop金yRi珠ght岛by淋SM病CC上海帅市机讽械施份工公陶司S1、S2网架支坟撑：支撑漠落点翅从地合下-7.膝00m至地弊上33倚m结构屋绢面，高羽差达40m。支撑陪平面岔为拟甩合椭墙圆的童多边杯形。顶层极采用海四角侦锥网铁架单橡元。符其立饮柱位恩置均丢与楼领层下竖的隔寸墙位滴置相遭对应档，砼完结构茎不作秘加固辣处理游，又寨便于界施工专时人扰流、妥物流肤的通瞒行。Cop烧yRi帽ght厚by欢SM副CC上海税市机增械施雷工公槐司转换绞层为了将述结构的伴集中荷激载扩散返至网架份支撑的氧节点上熊，专门拣设置了葱由型钢滴组成的铃转换层普。Cop发yRi蜜ght诵by变SM透CC上海菜市机鞠械施唤工公茂司S0转森换层S1、辉S2摘转换层Co倾py纱Ri晓gh信t阵by个S疑MC奶C上海市爬机械施岛工公司2.7闯壳体轿结构荷偶载转换筑（临时证支撑卸秀载）Co香py便Ri远gh颜t反by提S垦MC蠢C上海市虾机械施图工公司2.7变.1腥卸载工尼艺卸载此工艺浸制定看原则鸽：以耍结构关计算蚕为依沫据，基以结可构和卸支撑湖安全耕为宗蹲旨，辆以变尼形协遇调为向核心嘴，以选实时复监控坝为保贤障。卸载工锻艺：利附用设置芽支撑转受换层上忠的可调声节支撑哄装置（鹊即螺旋床千斤顶辞），按岔多次循亡环、微吓量下降太的原则腥、逐步崖实现荷止载平稳渐转换。卸载恶前提魄条件喂:裂壳体籍结构倚全部湖安装谜完毕划，所船有节有点全池部连找接并桨验收招合格斥；梁予架底云部的亮钢锲床及侧锋向限蹲位全枯部拆鞠除，肿以实恰现支涛座转掀换；秀卸载纲用支爬架及涛螺栓趁千斤切顶安会装到头位并取顶紧倦。Cop欣yRi庄ght徐by纤SM匀CC上海粒市机述械施锡工公末司2.7置.2滥卸载击步骤及雹计算依益据壳体安要装时共忽有3道遭临时支资撑，其留S1为造外环支订撑，S探2为内杀环支撑沿,S0皮为中心甩支撑。旨卸载步另骤分为城整体步骑骤和每访一步骤海的子过均程。整堆体步骤轿分为1剃3步，辜按先S撑1，后哗S0、码S2循玩环下降叼，每步枯下降值紧5--就-10番mm。娱每一步蹈骤的子杰过程通杨过分布庭在三道功支撑上首的14清8个点做逐步分政轮下降徒，每次爽下降1洞---通4mm晚。这样沸通过多陵步骤循容环下降民，实施桂支撑卸阔载。每一庙步骤结的卸挎载次叮序和枝下降词量，日都采棒用计事算机桂建模桶，模投拟计躲算加匹以确孝定。骡计算骗过程箭中，负将支既撑系发统的坚刚度熊引入凭计算待模型殖，使疾卸载刊量值颠的控贫制更册为精糠确。卸载步苍骤及每披一步的侨下降量单位（币mm）Co义py冬Ri作gh轰t占by纵S社MC股C上海栋市机盼械施品工公竭司

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各卸载巷工况对妥应荷载歇转移的浸计算结叉果汇总Cop答yRi荒ght扮by炎SM停CC上海挂市机衣械施弊工公弓司卸载步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班py汉Ri树gh遇t高by低S叛MC啊C上海市对机械施诞工公司2.桂7.轻3卸载亡实施即及监狂测卸载是英一项组霜织性、厦协调性尊极高的待操作。恋实施前白对卸载耽设备记遗录、操乡丰作人员喘、设备赏、通讯再指挥设度置、卸勤载过程河协调统怎一指导僻，都进针行缜密摇安排和灯严格规慢定。卸载已中还答进行狐了卸铲载监吹测。其卸载揉监测耽包括尤变形霉监测眠和内天力监纱测两速部分草。变唐形采速用全闭站仪云动态收实时堵监测秋和部沈分监扛测，孕既包革括对扑主体形结构俗的监闹测也宇包括瞒对临轿时支使撑系军统的想监测骨。Cop贡yRi踪蝶ght名by暗SM弦CC上海败市机闭械施佩工公俯司卸载照少片Cop释yRi闷ght稠by享SM肤CC上海市停机械施杨工公司壳体序各测植点变展形值习与理撞论值疮对比流。顶环寸梁驴单雹位：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死py您Ri辰gh开t回by练S爹MC楼C上海市脂机械施桃工公司S1支撑寒处旦单位捧：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615011-16-61075轴836914-19-23484轴614714-16-88