合理化建議三等獎《花瓣形大劇院異形抗風桁架三維空間測量技術》

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花瓣形大劇院異形抗風桁架三維空間測量定位技術改進

中鐵十七局集團建築工程有限公司 李斌

一、工程概況

晉城市文化藝術中心工程位於鳳台東街北側，文化路東側，總建築面積45818㎡，地上建築面積30057.1㎡，地下建築面積15760.9㎡。南北部結構形式為：主、次雙向平面桁架、環向空間立體桁架、立面空間抗風桁架、以及水平支撐和系桿組合而成的結構體系。桁架整體呈倒梯型，桁架水平段懸挑端上揚，上揚最高點標高為28.5m，桁架全長約為39.6m；下部桁架共12榀，最高處標高為27.32m，桁架全長約為24.57m。上部邊桁架及下部立桁架由三根規格Φ159× 8mm、的主弦桿，與規格Φ89× 4mm、Φ 76× 4mm、的腹桿組成空間桁架體系。上部中心桁架由兩根Φ219×7mm的主弦桿，與規格Φ114×5 mm、Φ89× 4mm、Φ76 × 4mm、的腹桿組成單排桁架體系，綜合考慮選用260噸、130.75、25噸汽車吊，進行配合安裝，BIM效果見圖1。

二、傳統施工技術

傳統施工方法為：在地面標識軸線控制點用鉛直儀引測至操作平台，在操作平台上軸線標高控制點控制主桁架安裝，主桁架安裝完成即可定出次桁架的上下端點。桁架安裝就位後，應對其進行直線度和垂直度的校正，將經緯儀架設在彈好的墨線上，轉動經緯儀的望遠鏡，將桁架的直線度和垂直度校正到規範允許範圍內。標高控制均採用水準儀抄平和鋼捲尺垂直量距方法進行控制，在底層將標高引測至某一垂直並無障礙的立面，採用50m鋼捲尺量距，將標高引至支撐頂端，然後在支撐上採用水準儀抄平控制桁架下端標高，次桁架上端標高即根據主桁架實際標高確定。

三、本技術創新點

本技術難點為：桁架結構外傾，上部懸空，需要在屋頂建立高精度的高程平面控制系統，定位測量難度大；桁架定位坐標內業計算量大，並且需要與外業施測數據相互轉換，為現場施工提供參考；施工環境複雜，變化大，特別是屋頂，施工環境與地面差異大，一般風力比下部大1-2級，因日照溫差影響，應選擇有利的觀測條件和觀測時間，一般為清晨或者傍晚，減少陽光對觀測的影響，陰雨天氣能見度低，給空中測量精度帶來了很大影響；施工工期緊，要求測量工程必須迅速、準確，不能因為測量數據的不準確或延誤造成窩工、返工，施工中挑選施工測量經驗豐富的測量管理人員進行控制，同時委派相關專家現場指導，以確保整個桁架空中定位測量控制的最終精度。

本技術主要創新點：①利用全站儀放樣桁架特徵點的地面投影線，根據投影線設拼裝台架，根據放樣點位，吊桁架弦桿腹桿，並進行臨時固定，弦桿安裝過程中，不得進行強制裝配。②採用三維模型提取坐標，在桁架拼裝過程中可以隨時監測安裝軸線與標高偏差，隨時進行調整，直至複核設計及規範要求。③施工過程中進行撓度測量，為施工提供依據，發現問題時及時會商解決。④形成了一套從內業數據計算到外業空中三維空間坐標定位測量技術。

四、關鍵技術

4.1施工順序

搭設胎架→首榀主桁架安裝，在支撐架定位、臨時固定 →依次安裝4榀主桁架、次桁架配套安裝→安裝周邊環形倒三角形桁架，臨時支撐架定位，臨時固定→形成基準單元、以此為基礎，依次安裝鋼柱、鋼樑 →安裝屋面鋼柱、鋼樑→桁架胎膜卸載

本工程臨時操作平台用量較多，且各吊裝單元之間不可循環利用，因此採用426*8mm螺旋管做臨時支撐。臨時支撐平台設置在軸線交點處的柱頂。支撐頂部設置H300X150X6.5X9 型鋼，經驗算及現場桁架位置確認，上部水平桁架需設立2道臨時支撐。見圖2。

螺旋管每段為9m、8m、7m，4道支撐長度約為110m，共需12節螺旋管。首先將加工廠運輸至現場的426*8mm標準螺旋管根據現場實際情況下料。用全站儀定位臨時支架安置位置，準確定位臨時支架處於三個主桁架的受力平衡點。

組裝螺旋管：將下料後的螺旋管組裝成單根21.74m長螺旋管，通過工字鋼將螺旋管組裝成整體，因單排螺旋管直立21.74m長細比達不到要求，通過在圓管底部焊接東西通長8m及南北向各一根6m工字鋼增加柱腳面積；柱腳增加抗剪件（工字鋼）以此達到放大柱腳增加穩定性；在螺旋管12米處焊接300*200*20吊耳，通過吊耳拉設14鋼絲繩為纜風繩。

頂部為300mm工字鋼，上部工字鋼懸挑出3m，在2.5m支撐位置與圓管相接處加設勁板，防止因上部荷載太大導致鋼管變形。鋼管中間每隔4m設一道工字鋼。在標高22.00m處同看台處拉設4道支撐，增加上部穩定性，在支撐中部增加纜風繩，底部通過加大柱腳增大下部穩定性。將主桁架通過現場胎架拼裝完成的桁架通過260噸汽車吊安放至提前製作好的支座處，通過臨時支撐撐住懸挑出的桁架。在臨時支撐上部焊接工字鋼，工字鋼端頭通過工字鋼與臨時支撐拉設斜撐，達到上部工字鋼兩端承受重量，通過調節千斤頂來調整上部桁架標高。三榀主桁架為一個單元體，整體吊裝至桁架支座處及臨時支架處，其餘三榀主桁架同上述桁架吊裝方案相同，以此進行。

在抗風桁架柱上部邊桁架處設置臨時支撐依次將此桁架安裝完成；安裝完成後通過130噸汽車吊將抗風桁架柱依次連接；剩餘部分桁架同上述方法依次安裝。

以下關鍵技術暫時保密，由於要往上繼續報獎，請理解。

4.2三維定位測量

4.2.1建立三維控制網

4.2.2傾斜桁架的位移校正

4.2.3桁架拼裝測量

4.2.4桁架安裝定位與撓度測量

圖3 觀測點位布置圖

五、實際效果

5.1經濟效益

晉城市文化藝術中心工程由於採用三維空間定位測量控制技術，保證了抗風桁架各節點的安裝精度，使得頂部桁架空中三維安裝合攏過程完美對接，桁架整體安裝效果顯著。由於質量保證避免返工及工期提前至20天，節約直接成本與間接成本10萬元。

5.2社會效益

該技術使用簡單、安裝精度可靠性高，提高了安裝效率，確保了外圍幕牆相應後續工序的順利施工。由於採用該技術，不僅取得了較好的質量效果與工期成本，也產生了良好的社會經濟效益，為今後抗風桁架施工提供了借鑒經驗。

六、結束語

晉城市文化藝術中心工程整體外形為花瓣形，是晉城市的又一大地標性建築，其南北採用桁架結構，施工難度大，整體懸空，對其安裝重點、難點進行分析，提出採用三維空間定位控制測量方法，最終達到安裝所需的高精度要求，在施工質量、工期、成本取得了良好效果，為以後的類似施工留下了寶貴的經驗。