壳体钢结构安装工程实施方案

招标编号：****

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投标日期：****

工程概况

1.1结构概况及特点

国家大剧院（图1）位于人民大会堂西侧，北至西长安街，南面、西面均为居民区；总占地面积约20万。由北侧建筑(201区——地下停车场)、中心建筑(202区——大剧院主体建筑)和南侧建筑(203区——地下主机房)三部分构成。

图1国家大剧院鸟瞰

202区大剧院主体建筑由歌剧院、戏剧院、音乐厅组成（见图2）。整个工程由北京城建一香港建设一上海建工国家大剧院工程总承包联合体承建，其中联合体钢结构分部承担壳体钢结构工程的制作及安装任务。

主体建筑的国家大剧院钢结构椭球体壳体（以下简称“壳体”），呈现出超大规模的结构，其东西轴线延伸至212米，南北宽度达到144米，高度约为46米。壳体的骨架由顶环梁和梁架共同构建，其间通过连杆和斜撑相互连接，形成稳固的整体架构。

图2大剧院主体建筑

顶环梁通长采用钢管，中间矩形框采用矩形箱型梁。整个顶环梁长约60m,宽约38m。顶环梁半圆区内搁栅呈放射状分布；矩形框内南北向搁栅采用60mm钢板梁，东西向采用194钢管，搁栅呈网格状分布。整个顶环梁总重约700t。

梁架分类包括A型（短轴梁架）与B型（长轴梁架）：A型梁架选用60毫米厚的钢板制造，而B型梁架则采用上下翼缘不一致的焊接H型钢材构造。具体数量方面，A型梁架共计46榀，B型梁架则有102榀之多。

所有斜撑及连杆选用钢管材质；而在短轴梁架的节点连接部分，我们采用的是铸钢节点，而对于长轴梁架的连杆，则选用了钢套筒作为连接方式。

结构特点：

1.1.1 作为一项宏大的空间构造，其规模显著。唯有在壳体完整构建完毕后，该结构才会呈现出稳定的三维形态，因此确保施工期间结构的稳固性具有决定性重要性。

1.1.2 该壳体呈现出非标准椭圆球体的特性，其内部和外部的球面椭圆方程各具差异，这无疑增加了施工过程中对平面和空间精确度要求极高的定位测量的复杂性。

1.1.3 梁架，作为壳体的核心支撑结构（特别是短轴部分，其侧向厚度仅为60mm），在平面外表现出显著的低刚度特性，这给构件的装卸、搬运和吊装操作带来了相当大的挑战。

1.1.4 由于梁架采用中心对称辐射式布局，导致同类构件的数量最多限于四件，这对构件的制图样板设计与安装流程提出了严谨的要求。

1.2参建单位

建设单位：国家大剧院建设单位委员会

设计机构：ADPi-建筑设计师与规划师

监理单位：北京双圆工程咨询监理有限公司

国家大剧院的工程总承包方包括北京城建、香港建设以及上海建工组成的联合体。

工程总承包联合体

钢结构主承包：联合体钢结构分部

1.3主要施工内容

钢壳体的制作与安装，主要构成包括顶环梁、梁架及连杆等组件的精细装配与施工。

1.4工程目标

北京市优质工程“长城杯”、国家优质工程“鲁班奖”。

编制依据

2.1 《钢结构工程施工质量验收规范》：GB50205-2001

2.2 《建筑工程施工质量验收统一标准》GB50300-2001

2.3 关于建筑钢结构焊接的技术规范：JGJ81-2002《建筑钢结构焊接规程》

2.4 《国家大剧院工程内部质量控制标准一壳体钢结构工程部分》

2.5法国ADPi设计图及技术文件。

2.6 关于国家大剧院项目的建设单位委员会提出的具体工程要求

2.7 钢结构深化设计图纸，由冶金部建筑研究总院设计院提供

2.8 验算报告：同济大学国家大剧院壳体钢结构详尽评估

主要机械选用及性能一览表

主要机械选用及性能表3-1

注：以上的起重量均未扣吊钩自重。

施工总平面布置

4.1施工区域划分

施工总体布局策略以壳体为核心，对施工平面实施了精细划分，具体分为三个区域，其分布设计如下：

吊装区：位于壳体所在区域（即202区）

区域划分与布局概述： - 构件拼装区划分为三个区域，依次为第一区、第二区和第三区，它们分别坐落在吊装区南北两侧； - 施工主信道则横向延伸于吊装区与拼装区的东西两侧，形成便捷的通行路径。

尽管202区地下结构及地面建筑已完成施工，但在壳体吊装期间，消防通道局限于202区周边尚未施工，同时201区的部分地下结构亦未完成。由此导致各区域在吊装过程中处于不同的海拔高度，具体而言，吊装区域的标高为-6.750米。

构件第一拼装区位于-9.000标高位置；

构件第二拼装区位于标高位置和位于-7.000标高位置；

大型机械和构件进出场信道位于标高位置。

各施工区域划分及标高位置见图3。

4.2吊装施工作业区域划分

图4展示了壳体钢结构构件的平面布局；根据设计规定及结构特性，我们将吊装作业划分为五个作业区域，并采用多台起重机进行综合吊装。各作业区域的详细划分如下：

图3各施工区域划分及标高位置图

图4构件平面分布图

区域一：位于壳体北侧201分区，南北长约70米，东西长约230米。此区域进一步细分为1号和2号组装场地。每个场地配备有拼装平台；每地各配备一台50吨级履带式起重机，总计两台，执行组装起重任务。第一拼装区为CC2800以及两台M440D塔吊提供构件吊装组件服务。

在壳体南面203区东西两侧，我们设有专门的第二拼装区域，具体划分为3号、4号及5号场地。3号和4号场地各配备了一台50吨级履带式起重机，它们专司拼装起重作业，负责将组件件吊装至东侧和西侧的M440D塔吊吊装单元。而在5号场地，这些起重机则服务于SK560塔吊的单元件吊装需求。

构件按照预先编制的工厂制作编号，直接运往对应的组装区域进行安装。

拼装区域划分见图3。

4.4大型机械和构件进出场信道

东侧主信道宽度25m,长度约434m;西侧主信道宽23m,长度约440m。另有10m宽道路在靠近第二拼装区南端将两信道相连，在壳体东北处有从士0.000标高到-9.000标高的坡道，便于运输车辆进入第一拼装区域。将运输道路与工地现场这个大门接通。主要信道和坡道的承载能力为,路面为素混凝土。南面203区第二拼装区5号拼装场地处构件的运输将通过卡车信道进入。

所有用于施工设备及部件搬运的运输车辆，能够经由主通道和坡道顺利抵达吊装区域及构件组装地带，详情参阅图3。

4.5主要施工机械布置

设备概述：CC2800型600吨履带式起重机（单台）首先启用超起(SFSL)功能，配置60米主臂与84米副臂，后续附加300吨超起配重，停驻于壳体北侧，其定位点位于土建坐标系统中的(0.000，+86.000)，执行跨区域综合吊装任务，以完成首个作业区域的施工。随后，起重机向北移动8米，切换至SW性能，安装两台M440D塔吊。之后，重新运用SFSL性能，在原地进行梁架吊装作业。最终，在壳体安装完毕后，将M440D塔吊拆除。（参阅图5）

顶环梁吊装阶段  梁架吊装阶段

图5CC2800停机位置

各吊机吊装范围见图6。

施工时剖面图见图7、图8。

图7长轴安装剖面图

图8短轴安装剖面图

4.6起重机组装、拆除场地

4.6.1履带式起重机

在壳体北部201区域（参见图9），CC2800履带式起重机的装拆场地被规划设置。该场地的承载力达到每平方米16吨，而起重臂的组装作业则选在东北侧M440D行走轨道附近的适宜空间进行。

图9600t组装场地

关于装拆工艺的详细说明，请参阅《CC2800履带吊拆装实施细则》（附录提供）

4.6.2塔式起重机

4.6.2.1 在-6.750米基准面，M440D塔式起重机正在进行201区的组装作业。

机械设备安装推荐采用CC2800履带式起重机。该设备的塔身高度为25米（不包括行走机构），最大工作高度可达55米，采用钢筋混凝土作为基础结构。详细的装拆操作规程参见《M440D塔吊拆装实施细则》（附录提供）

4.6.2.2SK560塔式起重机安装在202区的壳体南边，落脚标高为的歌剧院外侧，具体位置详见图10-1。使用两根14m长箱梁，一端支于混凝土底环梁上，另一端支于56轴钢筋混凝土弧形墙上。为减小支承点的受力，在标高+21.185处设置一道附墙，见图10-2。塔吊的基础加固及拆装方案详见《SK560塔吊拆装实施细则》(另附)。

在塔式起重机的安装与拆除作业中，我们将采用QM18和M440D型号的塔吊。关于停机位置，详细示意图请参阅图10-3。

4.6.2.3 用于QM18屋面吊装与拆卸作业的设备为M440D型塔吊，该塔机的总高度达到12米。

36米高立杆的拆卸与安装详细步骤请参照《QM18屋面吊拆装实施细则》（附录提供）

4.7场地处理

4.7.1吊装区

图10-1SK560塔吊平面位置

图10-2SK560塔吊布置立面图

图10-3SK560安装示意图

4.7.1.1施工机械和构件运输线路

施工过程中，100吨平板车用于部件的搬运，经由东侧主要通道进入设备组装场地，通过坡道进入。而构件运输车辆则通过东、西侧主通道，通过相应的坡道进入构件第一拼装区域，再沿南侧通道可达第二拼装区的3号、4号、5号场地。据现场环境，东、南、西三面的主要通道在土建施工阶段已完成铺设，而北侧通道及坡道则采用土质路基，其路面承载力达到了每平方米10吨以上标准。

4.7.1.2起重机工作区域

CC2800履带吊采用定点吊装，下设路基箱；路基箱铺设的位置与形式见图11。路基箱下土路基的承载力要求在以上。顶环梁区域吊装时，CC2800超起配重不设轨道小车；待梁架吊装时，加设超起配重小车，轨道采用P43钢轨。由于路基箱数量有限，两侧轨道基础采用600t履带吊专用路基箱铺设，中间部分轨道采用钢筋混凝土基础，见图11。

图11600吨路基箱布置图

(2)M440D

M440D塔吊位于壳体底环梁外侧，标高为-6.750的位置。M440D开行采用P43钢轨，轨距8m;内轨中心离混凝土底环梁外侧6m。轨道沿混凝土环梁外侧环向布置，内轨最小半径56m;M440D塔吊中心开行东边起始于壳体E7轴，终于E58轴；西边起始于壳体W7轴，终于W58轴；行走台车长约14m,再考虑加3m安全距离，即考虑在W(E)7轴至W(E)58轴的轨道长度上再各加10m的长度，具体见图2-平面布置图。M440D开行区宽度在12m以上，土路基的承载力要求在16t/m2以上。轨道基础采用钢筋混凝土路基，混凝土采用C30强度等级，钢筋采用I级钢筋，具体见图12-1、图12-2，详见《M440D路基安装技术要求》。

轨道安装在混凝土路基上，借助轨道压板进行稳固，选用的压板螺栓为M24的'U'型设计，其间距为每0.5米一道，具体示例可见图12-3。

图12-1M440D塔吊行走轨道路基配筋

图12-2基础与混凝土环梁剖面图

图12-3轨道压板螺栓示意图

钢筋用量见下表4-1：

表4-1

混凝土用量

4.7.2构件拼装区

构件拼装区中，胎架的具体布置详见图3施工平面布置图。胎架布置规则是在适应场地形状的要求下，保证相互之间的间距大于5m,即满足50t级履带吊开行，梁架的胎架应布置在吊机工作半径内，以减少构件的二次搬运。场地地面荷载要求为。拼装平台拟采用路基箱上设置胎架的方法，在拼装平台使用时，定期测量平台的沉降和变位情况，实时调整，保证拼装胎架的精确度。

4.8 临时用电施工布局，具体细节参见施工用电组织设计，详细内容另作阐述。

施工工艺及施工方法

5.1施工总流水

吊装作业区域划分为五个细分区域，其中第一吊装区域承担顶环梁的吊装任务，而其余四区则负责梁架节间的吊装作业。按照作业区划分的逻辑，壳体的吊装进程分为四个明确步骤执行。

第一步骤：顶环梁的吊装；

第二阶段：同步实施壳体四个斜撑区域的梁架吊装，起吊点分别对应E18轴、E56轴、W18轴和W56轴的第一榀梁架。随后，遵循对称原则，依次进行相邻梁架的吊装作业。当十个斜撑区的梁架节间安装完毕后，随即进行斜撑的吊装。连杆安装与梁架吊装保持一致，以确保体系的稳定性。在固定至少1/3连杆后，方可着手进行相邻梁架的吊装工作。

完成斜撑区域吊装后，各作业区分阶段展开同步操作，围绕斜撑区对称进行其余梁架节间的吊装作业。最终，作业区域W01轴至E01轴，E37轴至E38轴，以及W37轴至W38轴的梁架节间施工依次收尾。

第四阶段工作：拆卸SK560塔式起重机，并对W70、W71、W73和W74轴的下部梁架进行修复或补充，以实现外壳的整体连接。

第五阶段：完成所有构件的吊装后，遵循预先计算的卸载序列进行整体拆卸作业。

在壳体承受全部屋面恒载之后，下一步骤为精细施工梁架柱靴部位的C60细石混凝土浇筑。

流程图概述：参阅图13及附图13-1，展示施工的整体步骤序列。

图13施工整体顺序流程图

图13-1施工整体顺序流程图

5.3钢结构吊装

5.3.1吊装构件说明

5.3.1.1主要吊装构件分段

(1)顶环梁圈周环梁分段

环梁的平面形状，除了南北两侧，呈现出折线型椭圆形，总长度大约为160米。环梁采用钢管截面，整体重量估算约为500吨。依据设计对环梁分段的规格以及制作、运输和吊装的需求，环梁与其内部的箱形梁被划分为14个独立部分，各分段的位置和尺寸明细如图14所示。

图14顶环梁分段

分段重量及吊机性能表见表5-1：

顶环梁分段重量及吊机性能表表5-1

(2)梁架分段

按照设计规格对梁架进行分段处理，同时充分考虑施工实际需求，梁架在长轴与短轴方向各划分为四个相等部分，其分段点具体设定如下：

柱靴：柱靴底向上1.2m处断开；

下段：柱靴分段线—R13;

中段：R14—R26:

上段：R27—R40。

分段图见图15、图16。

图15长轴梁架分段

图16短轴梁架分段

吊装流程包括环梁与箱形梁的单元段作业，详细参数分别见附表一：顶环梁吊装参数表及附表二：梁架吊装参数表，以确保精确执行和专业指导。

5.3.1.3吊装构件拼装

鉴于运输条件的约束，构件在工厂生产阶段被分解为若干小型部件，随后在施工现场进行组装，形成整体构件或吊装组件。在所有拼装区域中，除了第五区，其余区域均采用50吨履带吊车进行部件卸载并精确就位。

针对顶环梁的核心区域，需关注A类梁架的14个组件（单个重量约为9.7吨），这些梁架需在完成组装后进行吊装作业。具体操作是将14榀梁架组合成7个大型部件，每个部件由地面连接的两榀梁架构成。后续采用CC2800吊车进行精准定位安装，详细步骤与工艺请参照5.3.2.1节：顶环梁吊装程序与技术指南。

梁架的组装采用立拼工艺，首先在专用的拼装平台上构建吊装单元段，同时设置稳固的操作平台与侧向支撑脚手架，随后进行安全吊装并安装。

第五拼装区域内的上、中段梁架采用了平铺式组装（同样在该区域内，上、中段梁架也采取了立式组合方式）

在完成起扳扶直作业后，依次构建操作平台并确保侧向稳定性，随后采用起重机实施吊装作业。

拼装工作由钢结构制作方负责。

5.3.1.4吊装构件预检

吊装作业前，构件需经过验收与预检程序。对于非组装部件，加工供应商应在供货时一并提交质量保证书，并在吊装前对构件进行预检。至于需现场组装的构件，必须在通过质量检验并确认合格后，方可进行吊装操作。

(1)验收标准

根据《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205—2001)的要求，并充分考虑本项目的特性，与建设单位、设计方、监理机构及总承包部协商达成共识的《国家大剧院壳体钢结构工程制作标准》，在实际操作中，将以该标准作为基准，详细内容请参见相关补充规定。

(2)标识

进场构件的状态标识是施工过程中的必要步骤。所有进场构件未经检验或预检的，应标注为待检；已完成检验或预检的，需详细记录并在构件上明确标注已检标识。构件编号应清晰可见，符号大小适宜且需确保各部位都有标识。安装单元件时，务必附带精确的方向指示，特别是在现场焊接区域，必须采取适当的防护措施。对于构件上的任何缺失或模糊标识，应及时进行修正和完善。

5.3.2钢结构安装工艺

针对综合大剧院壳体的构造特性和施工环境，我们选择了采用对外侧对称的吊装策略。

施工策略采用支架体系，通过在吊装阶段在壳体内构建三道临时网架支撑，用作构件空间定位的关键支撑点，同时确保吊装期间结构的稳定性。网架支撑在壳体安装完毕后，将进行逐层卸载并拆除。

5.3.2.1顶环梁吊装步骤及工艺

顶环梁吊装选用CC2800600t履带吊的SFSL(超起)性能；选用60m主臂加84m副臂，起重量为15~64t,起重高度为,作业半径为,可以满足顶环梁吊装要求。

在执行吊装作业时，起重机定位在壳体北面短轴与正交轴的交点外围区域（参见图3及图11），实施跨越式定点综合吊装（详细见图17-1）。构件组装工作将在第一拼装区域内进行，组装位置需确保位于起重机作业半径之内，以便直接进行吊装操作。

图17-1顶环梁分段安装示意图

针对600t主臂在顶环梁分段吊装过程中局部碰撞S1支撑的情况，我们采取了以下纠正措施：

网架支撑在顶环梁吊装时S1只安装至设计标高下2m,范围从E5;待顶环梁安装完后，进行S1支撑的补缺。

顶环梁分段吊装步骤：

预先进行壳体平面的空间定位测量：在吊装作业前，确定顶环梁安装位置，通过设置临时支撑S0支腿的测点，并将其准确引至歌剧院屋顶及周边平面区域。

接下来实施S0阶段的临时支撑结构与转换层的安装（关于临时支撑及转换层的详细安装技术规定请参照相关细则）。完成支撑及转换层的安装后，于转换层表面确定并设立顶环梁的平面基准和标高参考点，并安装相应的定位支架。

第三阶段，我们将安装中部矩形框架组件，其构成主要包括1a、1b、2a、2b以及7a、7b，如图14所示；吊装流程参考图17-2，箱梁（1a、1b）采用八点吊装法，其