国家海洋博物馆钢结构安装方案分析

吴　微

(天津市建筑工程职工大学，天津　300074)

国家海洋博物馆钢结构安装方案分析

吴微

(天津市建筑工程职工大学，天津300074)

摘要：本文介绍了位于天津市滨海新区的国家海洋博物馆的主体钢结构施工方案。通过对建立的海洋博物馆有限元模型的分析，来分析该工程主体钢结构的安装全过程，从而对实际施工起到指导作用。

关键词：钢结构；安装方案；施工过程

一、工程概况

国家海洋博物馆是我国首座国家级、综合性、公益性的海洋博物馆，建成后将展示海洋自然历史和人文历史，成为集收藏保护、展示教育、科学研究、交流传播、旅游观光等功能于一体的国家级爱国主义教育基地、海洋科技交流平台和标志性文化设施。

本项目位于天津市滨海新区滨海旅游区填海造陆范围内，总用地面积15万m2，总建筑面积约8万m2，该工程不仅体量庞大且造型颇具创意，整体设计运用了隐喻的手法，外形似跃向水面的鱼群、停泊岸边的船坞、张开的手掌、海洋的生物……优美但不具象，通过柔美的曲线语言另参观者产生对海洋元素无限的遐想。

项目主体由四个仿鱼形建筑物构成，四个单体建筑由西向东分别规划为1号-4号展厅。

图1　展厅划分图及效果图

本工程造型独特、优美，共计四个展厅，每个展厅均为仿鱼形建筑形式，展厅之间相互连接贯通，钢结构最高部分高约33m，四个展厅整体的宽度为251m，长度为214m，各主体平面位置如下：

图2　各主体平面布置

二、钢结构安装思路及控制重点

(一)安装思路

1.本工程设计使用年限为100年，且为沿海工程，所以在现场施工时需要对安装质量、焊接质量及防腐质量等要加以特别的重视。

2.合理组织施工，每个展厅在施工过程中尽量从中间开始施工，向两边进行扩展。

3.每个展厅的内部框架均需与外框弧形钢桁架连接固定，当具备工作面时，及时插入内部钢框架施工。

4.每个展厅在各自主体结构的施工中，弧形门式钢桁架安装、内部钢框架的安装、钢筋桁架模板的安装均形成流水作业。

(二)现场控制重点

1.因为弧形门式钢桁架的安装精确程度，直接影响了结构的稳定和造型的准确。所以要通过各项测量措施和安装措施，重点控制各个展厅的门钢桁架安装精度，进而保证每个展厅的安装精度。

2.弧形门式钢桁架在立面布置中是朝不同方向倾斜，且在端部有悬挑结构。在施工过程中，构件所受内力传递途径复杂，可能会对整体稳定性和安装精度带来影响，所以要对整个安装过程进行模拟分析，找出在安装过程中有可能出现的受力最不利、稳定性最差的部位和施工点，如果存在必须要采取合理措施。

3.一号展厅与其余三个展厅在桁架的整体布置和构件形式上有所不同，其施工安排也不尽相同。

4.展厅端部悬挑桁架处的结构形式相对来说较为复杂，需要对其安装工序及措施做出重点布置。

5.中央大厅屋顶桁架容易受侧向力影响，安装过程中需要重点控制。

6.安装前应对现场的控制点和轴线进行细致的复核。

7.本工程的焊接工程量很大，也是本工程需控制的重点之一，需要对焊接施工做出周密组织，以保证焊接质量。

三、结构施工全过程分析

(一)钢结构施工分析方法

采用Midas/Gen有限元分析软件建立结构模型，再采用生死单元、边界条件技术等建立施工模型，进行施工全过程、分步动态模拟。

(二)施工全过程分析的目的

1.使施工完成的结构满足设计要求。设计的结构为一次加载模型，而施工过程中的实际结构是累加形成，这两种状态的结构变形、应力不会相同。同时，不同的安装顺序和方案所得到的结构累加变形、应力也并不相同。所以必须进行全过程的施工模拟分析，选择正确的施工方法确保结构施工变形、应力满足相关设计、规范的要求。

2.优化施工方案。方案满足相关设计、规范之后，为使施工完成的结构最大限度的贴近一次加载模型，满足现场施工工期，施工流水等条件。需要对几种确定的方案进行对比分析，优化施工模型中的施工流程、临时措施、荷载转换等工序，得出最佳施工方案。

(三)国家海洋博物馆工程计算模型深度及分析对象

1.计算模型深度。根据目前招标图纸的深度，建立一次加载结构模型(目前模型仅按现有图纸建立，例如中庭桁架竖向刚度是否无穷大等问题，目前尚未可知。精确模型需待中标后与设计方沟通后完成，并形成最终施工状态模型)，相关数据以此模型为基准，并通过此模型建立施工模型的。

2.分析对象。本工程分析主要为门钢架结构及大跨度中庭桁架结构。框架结构部分受力较明确，施工过程形成稳定单元的方法较常见(方法在框架结构安装一节中说明)在此不进行说明，为达到较好的显示效果，分析图片中除悬挑端外也钝化了相关框架模型(但参与计算)。

(四)钢结构安装全过程分析

门钢架分析。门钢架存在于1～4号单体之中，其中1号建筑南部为门钢桁架，北部多为单管门钢架。2～4号建筑结构形式基本相仿，均为门钢桁架结构。本文中以1号、3号单体为例进行门钢结构施工分析的论述。

1.1号单体门钢架结构施工分析、优化概述。1号单体门钢架结构施工分析及总体方案：

1号单体立面图如下所示，通过分析，发现左侧的门钢桁架自身可形成整体空间结构，但单榀门钢桁架侧向刚度较弱，需要在拐点处设置临时支撑。而右侧单管门钢结构与下部框架结构结合形成稳定体系，安装中也需在局部设立临时支撑辅助结构稳定。

图31号单体模型

根据分析，制定方案为：施工中先采用临时支撑进行左侧门钢架安装，由中间向两侧安装，内部框架在随门钢桁架进行安装。门钢桁架部分的安装及卸荷方案需进一步优化，具体见“1号单体门钢桁架安装顺序、卸荷方案优化”。

然后进行单管门钢架区域的安装，实际施工中依照由南向北的顺序施工：安装相应区域框架→局部补充临时支撑→单管门钢架安装→上部门钢形成稳定体系后局部卸荷，具体过程见下图。最南部几榀门钢桁架采用临时支撑辅助安装，整体结构安装完成后进行卸荷。如此完成1号单体结构施工。

1号单体门钢桁架区域安装顺序、卸荷方案优化：

各单榀门钢采用临时支撑进行分段辅助安装，可采用全部门钢进行支撑然后整体卸荷的方法，但是会占用过多施工场地影响工期，也会大幅提高工程造价。

图41号单体门钢桁架区域安装顺序图

为此，我们对安装过程进行优化，采用“内部分阶段荷载转换，外部临时支撑持荷传递”的方案进行施工。具体如下：此结构门钢桁架有中间开始(上图标注的位置)向两侧逐渐倾斜，左右两侧门钢架相互牵引形成空间结构。因此可以由中间直立门钢架开始向两侧对称安装，进行安装，在对称安装几榀门钢架后，对中间的门钢架临时支撑进行卸荷，由于未形成整体结构，外侧门钢架不卸荷，使其替代未安装结构的刚度作用。这样再安装外侧门钢后进行内部门钢荷载转换，以此类推直到最外侧门钢(包括悬挑端)安装完成，进行最终卸荷完成整体门钢空间结构。

在确定卸荷方法后，我们从安装3榀卸荷中间1榀，后每安装2榀卸荷中间2榀；安装5榀卸荷中间一榀后，每安装2榀卸荷中间2榀；安装8榀卸荷中间4榀后，每安装4榀卸荷中间4榀；三种方案进行分析对比，最终确定采用安装5榀卸荷中间1榀，后每安装2榀卸荷中间2榀的方案，进行1号单体门钢桁架的安装。

2.3号单体门钢架结构施工分析、优化概述。3号单体里面图如下所示，均为门钢桁架结构其安装思路与1号单体北部门钢桁架基本相同。从中间部位开始对称安装，内部分阶段荷载转换，外部临时持荷传递，直至悬挑部位安装完毕，进行最终卸荷完成结构安装，期间内部框架随门钢桁架进行安装。

图53号单体门钢桁架区域安装顺序图

3号单体门钢桁架卸荷方案优化与1号单体不同，为保证结构变形及应力符合设计要求，选择安装8榀门钢后卸荷中间4榀，后每安装4榀卸荷中间4榀的方案进行3号单体门钢桁架的安装。

3.中庭梭型桁架。根据结构特点，中庭梭型桁架采用单榀双机抬吊装就位，就位后四根风绳做临时稳固措施的方案进行安装。安装为顺序由南向北安装。

图6　中庭梭型桁架安装顺序图

四、施工全过程分析结果

工程应力变形最不利的位置是1～4号门钢架结构、悬挑结构及中庭梭型桁架结构。其中1～4号单体中2～4号单体结构形式相仿，1号单体存在单管门钢结构，故分析以1、3号(3号作为2～4号单体的代表)单体进行说明。1号单体及3号单体最不利结构为门钢结构(包括单管)、悬挑结构，主要介绍这两种结构的安装全过程变形，应力的情况。最后进行最大跨度单榀桁架安装分析。

变形要求：垂直度偏差不大于h/1000，且不应大于25mm。对于挠度应与一次加载结构相近，且不超过本工程起拱值：跨度/300，最小约100mm。应力要求：门钢架施工完成应力比贴近一次加载结构，且施工阶段不大于0.7。

参考文献：

[1]范重,刘先明,胡天兵,范学伟,赵莉华.国家体育场钢结构施工过程模拟分析[J].建筑结构学报，2007，(02).

[2]沈春华，胡宏亮.钢结构超高工业厂房的安装技术[J].工业建筑,2012，(03).

[3]熊世树,纪晗,王丽华.大跨网壳结构施工过程模拟分析[J].施工技术，2006，(09).

Analysis of Steel Structure Installation Program of the National Maritime Museum

WU Wei

(TianjinConstructionEngineeringStaffCollege，Tianjin, 300074)

Abstract:this paper makes an introduction about the main body steel structure construction program of national maritime museum located at Binhai New Area of Tianjin. By analyzing the finite element model of maritime museum, it analyzes the whole installation process of the main body steel structure of this project to play a guiding role for the practical construction.

Key words:steel structure; installation program; construction process

收稿日期：2015-12-08

作者简介：吴微(1980-)，女，满族，天津市人，天津市建筑工程职工大学教师，讲师，工程硕士，毕业于天津大学，主要从事土建方面的教学工作。

中图分类号：TU39

文献标识码：A

文章编号：1673-582X(2016)05-0049-05