国家大剧院壳体钢结构安装工程.doc
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目录
第一章工程概况 2
第二章编制依据 5
第三章主要机械选用及性能一览表 6
第四章施工总平面布置 8
第五章施工工艺及施工方法 25
第六章主要施工技术措施 86
第七章质量保证措施 94
第八章关键过程 98
第九章安全保证措施 98
第十章工程设备、要料汇总 109
第十一章施工管理人员配备计划 116
第十二章劳动力配备计划 118
第十三章施工进度计划 120
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m2。
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—香港建设—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。
国家大剧院主体建筑钢结构椭球体壳体（以下简称“壳体”）为一超大空间的壳体，东西长约212m，南北约144m，高约46m。
整个钢壳体由顶环梁、梁架构成骨架；梁架之间由连杆、斜撑连接。
图2大剧院主体建筑
顶环梁通长采用φ1117.6-25.4THK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φ194钢管，搁栅呈网格状分布。
整个顶环梁总重约700t。
梁架分为A类（短轴梁架）、B（长轴梁架）；A类梁架采用60mm厚钢板制作，B类梁架采用上下翼缘不等的焊接H型钢。
A类梁架共46榀，B类梁架共102榀。
斜撑及连杆均采用钢管；短轴梁架之间连杆节点采用铸钢节点连接，长轴梁架连杆采用钢套筒连接。
结构特点：
1.1.1该壳体为一超大型空间结构，结构体量大。
整个结构待壳体完全形成后，方为稳定的空间结构，所以保证施工阶段的结构稳定至关重要；
1.1.2该壳体为非正椭圆球体，且壳体内外两球面的椭圆方程并不一样，因而施工中平面、空间定位测量的难度颇大；
1.1.3壳体的主要结构体——梁架（尤其是短轴梁架，侧向厚度仅为60mm）平面外刚度极差，因而构件的起扳、搬运、起吊难度颇大；
1.1.4梁架呈中心对称辐射状布置，因而每种同类构件最多只有四件，对构件的制作放样及安装顺序要求颇高。
1.2参建单位
建设单位：
国家大剧院建设单位委员会
设计单位：
ADPi-ARCHITECTS-ENGINEERS-PLANNERS
监理单位：
北京双圆工程咨询监理有限公司
工程总承包：
北京城建-香港建设-上海建工国家大剧院
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
由顶环梁、梁架和连杆等组成的钢壳体的制作、安装。
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《建筑钢结构焊接规程》JGJ81-2002。
2.4《国家大剧院工程内部质量控制标准—壳体钢结构工程部分》。
2.5法国ADPi设计图及技术文件。
2.6国家大剧院建设单位委员会对工程的要求。
2.7冶金部建筑研究总院设计院钢结构深化设计图。
2.8同济大学国家大剧院壳体钢结构验算报告。
主要机械选用及性能一览表
主要机械选用及性能表3-1
序号
设备名称
数量
主要工作性能
工作内容
备注
起重臂长
半径
起重量
1
CC2800600t履带
1
主臂：
60m副臂：
84m
SFSL工况超起
102m
35t
第一作业区吊装第二、三、四作业区上段梁架吊装
超起时配300t压铁
式起重机
主臂：
60m副臂：
84m
SW工况
62m
18t
M440D塔吊安装、拆除
2
M440D塔式起重机
2
55m
37.5m
13.2t
拆装QM18、SK560柱靴安装第二、三、四作业区下、中段梁架吊装
行走式
3
SK560塔式起重机
1
50.8m
50m
11.36t
第五作业区吊装柱靴安装
需设一道附墙
4
50t履带式起重机
4
28m
9m
12t
拆装600t主机下段梁架抬吊拼装梁架
5
QM18屋面吊
1
35m
15m
15t
拆装SK560
12m塔身
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
施工总体布置以壳体为中心，分三块区域进行施工平面安排，三块区域分布布置为：
吊装区：
位于壳体所在区域（即202区）
构件拼装区：
分第一、第二、第三拼装区，分别位于吊装区南北两侧；
施工主信道：
位于吊装区和拼装区东西两侧。
由于壳体吊装时，202区地下结构和地面建筑结构虽然已经施工完毕，但壳体四周的消防信道尚未施工，以及201区部分地下结构也未施工。
因此，以上各个区域在吊装阶段处于不同的标高位置，其中：
吊装区位于-6.750标高位置；
构件第一拼装区位于-9.000标高位置；
构件第二拼装区位于±0.000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±0.000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
整个壳体钢结构的构件平面分布情况见图4；考虑到设计要求及结构体形特点，吊装作业划分为五个区域，安排多台起重机分别进行综合吊装。
五个作业区域的具体划分如下：
图3各施工区域划分及标高位置图
图4构件平面分布图
第一拼装区：
设在壳体北面201区，南北长度约70m，东西向长度约230m。
第一拼装区划分为1号、2号拼装场地。
每块场地设置拼装平台；2块场地各配置50t级履带式起重机一台承担拼装起重作业，合计2台。
第一拼装区向CC2800与两台M440D塔吊提供构件吊装单元件。
第二拼装区：
设在壳体南面203区东西两端，分为3号、4号、5号拼装场地。
在3号、4号场地各配置50t级履带式起重机一台，承担拼装起重作业，分别向位于东西二侧的M440D塔吊构件吊装单元件。
5号拼装场地，向SK560塔吊提供吊装单元。
构件根据工厂制作编号直接运送至相应拼装场地。
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±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10t/m2，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。
所有施工设备和构件运输车辆，均可通过主信道和坡道进入吊装区域和构件拼装区。
（见图3）
4.5主要施工机械布置
CC2800（600t）履带式起重机（一台）：
先采用超起（SFSL）性能，接60m主臂84m副臂，后挂300t超起配重，停在壳体北面，定点中心位置在土建坐标（0.000，+86.000），跨外综合吊装，完成第一作业区域施工；然后向北退8m，采用SW性能，安装M440D塔吊二台。
再恢复使用SFSL性能，在原位进行梁架吊装。
最后在壳体安装完成后拆除M440D塔式起重机。
（见图5）
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6吊机吊装范围图
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
CC2800履带式起重机装拆场地布置在壳体北部201区，具体位置见图9。
场地的承载能力为16t/m2，起重臂组装采用东北面M440D行走轨道处空间。
图9600t组装场地
装拆工艺详见《CC2800履带吊拆装实施细则》（另附）。
4.6.2塔式起重机
4.6.2.1M440D塔式起重机在201区组装，落脚标高为-6.750m。
组装机械选用CC2800履带式起重机。
塔身高25m（不包括行走机构的高度），55m巴杆。
塔吊的路基采用钢筋混凝土形式。
装拆工艺详见《M440D塔吊拆装实施细则》（另附）。
4.6.2.2SK560塔式起重机安装在202区的壳体南边，落脚标高为±0.000m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）。
塔式起重机的安装与拆除选用QM18与M440D塔吊，拆装时
QM18与M440D塔吊的停机位置见图10-3。
4.6.2.3QM18屋面吊的装拆选用M440D塔吊。
塔身高12m，
36m巴杆。
拆装方案详见《QM18屋面吊拆装实施细则》（另附）。
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
施工机械部件采用100t平板车通过东侧主信道，经过坡道进入设备组装场地。
构件运输车辆通过东/西两侧主信道，经过东/西面坡道，进入构件第一拼装区，经过南面的信道可到达第二拼装区的3号、4号、5号拼装场地。
根据现场情况，东、南、西三侧的主信道，在土建施工阶段已经铺设完成，北侧的信道及坡道，采用土路基，路面承载力在10t/m2以上。
4.7.1.2起重机工作区域
（1）CC2800
CC2800履带吊采用定点吊装，下设2.7m×8m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16t/m2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》。
行走轨道与混凝土路基采用轨道压板固定，压板螺栓采用M24“U”型螺栓，长度方向每隔0.5m设置一道，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
编号
内容
长度（m）
截面积（mm）2
总体积（m3）
重量（t）
1
12φ16
920
2411
2.218
17.5
2
φ16@150
9200
201
1.849
14.5
3
4φ12
920
452
0.416
3.4
4
φ10@150
7360
78.5
0.58
4.6
5
φ10@450
7360
78.5
0.58
4.6
合计
44.6
混凝土用量V=A×L=0.40m2×920m=368m3
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12t/m2。
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施工临时用电布置（详见施工用电组织设计）（另详）
施工工艺及施工方法
5.1施工总流水
如前吊装作业区共划分为五个作业区，除第一吊装区为顶环梁吊装，其他四个作业区的吊装均为梁架节间吊装。
根据吊装作业区划分，
壳体吊装顺序按四个步骤进行：
第一步骤：
顶环梁的吊装；
第二步骤：
梁架节间吊装从壳体四个斜撑区同时开吊。
四个区域第一榀吊装的梁架分别是位于E18轴、E56轴、W18轴和W56轴四榀梁架。
然后，以此为中心对称进行相邻梁架的吊装。
斜撑区十个梁架节间完成后，进行斜撑吊装。
连杆安装随梁架同步进行，以形成稳定体系。
至少在完成1/3连杆的固定工作后，才能开始相临梁架的吊装工作。
第三步骤：
斜撑区域吊装完毕后，四个作业区继续同步作业，以斜撑区为中心，对称进行其他梁架节间吊装，最终四个作业区分别在W01轴~E01轴、E37轴~E38轴、W37轴~W38轴梁架节间收尾。
第四步骤：
拆除SK560塔式起重机，同时补缺W70、W71、W73和W74轴的下段梁架，使壳体最终合龙。
第五步骤：
所有构件全部吊装完毕，按经过计算的卸载顺序进行整体卸载。
第六步骤：
待屋面恒载全部作用在壳体上后，对梁架柱靴下进行细石混凝土（C60）浇筑。
施工整体顺序流程图（见图13、图13-1）。
图13施工整体顺序流程图
技术准备
定位测量
施工准备
吊装单元检验
顶环梁吊装
柱靴安装
梁架节间吊装
结构验收
壳体卸载
柱底灌砼
竣工验收
扫尾退场
结构预检
构件拼装
拼装设施搭设
场地处理
构件制作
机械进场
SO网架支撑安装
螺孔压浆
S1、S2网架支撑安装
支撑拆除
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
除南北二侧，环梁平面呈折线型椭圆，总长度约160m，环梁截面为Φ1117.6×25.4mm钢管，总重量约为500t。
根据设计对环梁分段的要求和环梁制作、运输、吊装要求，环梁和其内的箱形梁共分为14段，分段位置及尺寸要求见图14。
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
施工编号
图纸编号
长度
重量
设备
半径
起重量
1a
BC-W
35m
30t
86m
44t
1b
BC-E
35m
30t
86m
44t
2a
TB-001
16m
30t
66m
53t
2b
TB-012
16m
30t
CC2800
66m
53t
3a
TB-002
16m
44t
600t
76m
49t
3b
TB-011
16m
44t
履带吊
76m
49t
4a
TB-003
12m
33t
60m主臂
90m
42t
4b
TB-010
12m
33t
84m副臂
90m
42t
5a
TB-004
10m
27t
SFSL工况
98m
35t
5b
TB-009
10m
27t
带300t
98m
35t
6a
TB-005
10m
27t
超起配重
100m
33t
6b
TB-008
10m
27t
100m
33t
7a
TB-006
10m
18t
100m
33t
7b
TB-007
10m
18t
100m
33t
（2）梁架分段
根据设计对梁架分段要求，结合具体施工时的需要，长轴、短轴均分为四段，分段位置：
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
环梁、箱形梁吊装单元段等。
附表一为顶环梁吊装参数表，附表二为梁架吊装参数表。
5.3.1.3吊装构件拼装
由于受运输条件的限制，构件工厂制造时先加工成较小的单元件，运到现场后再拼装成构件或吊装单元件。
除第五拼装区外，其余拼装区内构件均由50t履带吊卸车、就位。
顶环梁中心区域的A类梁架（14榀，每榀重约9.7t），要求组装后吊装。
14榀梁架组装成7大件，每件由2榀梁架在地面上组成大件，然后由CC2800吊机吊装到位，详见5.3.2.1顶环梁吊装步骤及
工艺。
所有下段梁架均采用立拼，先在拼装平台上将梁架拼装成吊装单元段，搭设操作及侧向稳定脚手，然后起吊安装。
上、中段梁架采用平拼（第五拼装区内上、中段梁架亦采用立拼），起扳扶直后，搭设操作及侧向稳定脚手，然后用起重机吊装。
拼装工作由钢结构制作方负责。
5.3.1.4吊装构件预检
构件吊装前须进行验收和预检。
不需拼装的构件由加工厂供货时，同时提供质量保证书，构件吊装前须对构件进行预检；需拼装构件在现场拼装后经质量检验合格后，方可吊装。
（1）验收标准
按《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205—2001）的相关规定，同时结合本工程的特点，同建设单位、设计、监理、总承包部共同讨论确定的《国家大剧院壳体钢结构工程制作标准》，具体实施时以本标准为准，标准另详。
（2）标识
对进场构件必须进行状态标识。
进入现场未检验或预检的构件，应作待检标识；已经过检验或预检的应作好记录，并在构件上作已检标识。
对于构件的编号应当明显，符号大小适当、多处标识。
安装单元件同时应当有准确的方向标识，特别应当将需要现场焊的部位，做好必要的防护。
对于构件上的标识，发现缺失或模糊的应当及时予以修复。
5.3.2钢结构安装工艺
综合大剧院壳体的结构特性与施工条件，吊装方法选用跨外对称吊装。
采用支架法施工，即吊装阶段在壳体内设置三道临时网架支撑作为构件空间定位的依托，并解决吊装阶段的结构稳定。
网架支撑在壳体安装全部完成后，再卸载，拆除支撑。
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47~125m，作业半径为122~38m，可以满足顶环梁吊装要求。
吊装作业时，起重机停于壳体北面短轴正交轴外侧（见图3、图11），进行跨外定点综合吊装（见图17-1）。
构件拼装利用第一拼装区，拼装点应在起重作业半径内，以供其直接吊装。
图17-1顶环梁分段安装示意图
由于顶环梁分段吊装时，600t主臂局部碰S1支撑，采取的调整措施如下：
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W5—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：
第一步壳体平面空间定位测量。
吊装前先进行壳体平面空间定
位测量，将顶环梁安装临时支撑S0支腿所在位置测点引到歌剧院屋顶及相关平面上；
第二步进行S0临时支撑及转换层安装（网架临时支撑及转换层的安装技术要求详见实施细则）。
支撑及转换层安装完毕后，在转换层平面上引出顶环梁平面和标高定位点，并安装定位支座。
第三步进行中间的矩形框部分构件的安装。
该部分主要由1a、1b，2a、2b与7a、7b组成（见图14）；吊装顺序为1a→1b→7a→7b→2a→2b（见图17-2）；箱梁（1a、1b）采用八点吊，其余构件采用三点吊，见图17-3。
吊装索具配置见附表一顶环梁吊装参数表。
起吊就位后，支承在安装支座上，进行标高和位置调整，达到要求后进行焊接固定。
图17-2顶环梁吊装顺序示意图
图17-3顶环梁构件吊装示意图
第四步进行环梁两边半圆环部分构件吊装。
该两部分分别由圆周环梁3a、3b、4a、4b、5a、5b、6a、6b段（见图14）。
吊装顺序为6a→6b→5a→5b→3a→3b→4a→4b。
所有构件均为曲线构件，采用三点吊，即两端设两点，中间设一可调节吊点，以防止构件起吊过程中发生倾斜（见图17-3），索具配置见附表一顶环梁吊装参数表。
梁起吊就位后，支承在安装支座上。
第五步进行半圆环部分环梁构件标高和位置的调整，达到要求后进行焊接固定。
在进行环梁焊接固定的同时，进行矩形框内的14榀A类梁架及之间水平连杆的吊装。
梁架在地面组装后再分块安装，共分7块，每块2榀；吊装时由两边对称向中间进行，块与块之间的连杆采用散装；梁架吊装采用八点吊，见图17-4，索具配置见附表一顶环梁吊装参数表。
图17-4顶环梁区A类梁架吊装示意图
第六步进行14榀A类梁架标高和位置的调整，达到要求后进行焊接固定。
焊接固定的同时进行两个半圆环内辐射梁架的吊装，起吊就位后，调整构件的标高和位置至符合要求，再进行焊接固定。
第七步所有构件吊装就位且复校合格后，进行顶环梁各构件连接节点固定。
应按顺序：
圆周环梁分段连接固定→纵向梁与圆周梁连接固定→矩形框内构件固定→两半圆环内构件固定。
第八步顶环梁吊装结束。
对顶环梁整体外形复测并进行记录。
梁架节间吊装期间，顶环梁整体外形及整体标高需定期复测（每周一次），并根据复测结果，必要时对顶环梁进行标高补偿，以确保整个壳体安装精度。
所有的焊接均遵循从短轴正轴线向东西两侧对称进行的原则。
5.3.2.2梁架节间吊装步骤及工艺
梁架安装示意图见图18-1和图18-2。
（1）准备工作
1）进行壳体平面空间定位测量，将梁架节间吊装用临时支撑S1、S2所在位置测点引到音乐厅、戏剧院屋顶及相关平面上。
2）进行S1、S2临时支撑安装（详见《网架支撑安装实施细则》）。
S1、S2临时支撑采用竖面空间网架结构，两支撑之间设数道柱面网架间的径向连接，以作为施工信道。
其中S1支撑在R13和R14中间；
S2支撑在R26和R27之间。
3）由于网架结构只能在网格点受力的特性，而各榀梁架的分段点一般不会在网格点上，因此在网架支撑面层上设置支点的转换层将梁架各分段点处的竖向荷载传递到网格点上（详见《转换层安装实施细则》）。
转换层安装完毕后，在其平面上引出各梁架定位点。
4）安装梁架搁置用支座。
梁架搁置支座作为梁架吊装的依托，其平面和标高需定位精确控制，误差不超过2mm，并有足够的刚度，以保证稳定可靠。
5）对混凝土环梁预埋钢管位
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