上海展览中心膜结构及阳光谷钢结构施工方案.docx
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上海展览中心膜结构及阳光谷钢结构施工方案
世博轴及地下综合体工程
膜结构屋顶及阳光谷工程
施
工
方
案
世博轴及地下综合体工程
（膜结构屋顶及阳光谷工程）
施工方案
由于目前设计图纸及模型还未最终确定，故无法进行深化设计及工况计算等工作，尤其是外桅杆的最终确定，所以本方案仅根据现阶段掌握的信息编制，后期将逐步跟进、完善。
第1章工程概述
1.1工程概况及对结构的理解
世博轴及地下综合体工程（以下简称“世博轴”，见图1-1），位于浦东。
南北长1045m，东西宽地下99.5m~110.5m，地面以上宽80m，基地面积130699m2，总建筑面积227169m2，其中地上建筑面积42877m2，地下建筑面积184292m2。
由-6.5m，-1.0m，4.5m，10m标高的平面及膜结构屋顶组成，并设有6个特征标志性强的阳光谷以满足地下空间的自然采光，阳光谷顶端与膜结构顶棚连结（见图1-2）。
图1-1世博轴及地下综合体工程（膜结构屋顶及阳光谷工程）效果图
图1-2工程概况
本工程监理包括膜结构屋顶和六个钢结构单层网壳“阳光谷”。
1.1.1膜结构
膜结构屋顶采用连续张拉结构，包括膜面系统和膜面支点系统两个主要方面。
图2-3索膜结构效果图
总长度约840米，最大跨度约97米，总面积约64000m2。
膜采用聚四氟乙烯（PTFE）涂层的玻璃纤维织物。
（1）膜面系统
膜面系统是整个世博轴建筑形象的主要组成部分之一，膜面南北（沿1-0～5-13轴）长843米，东西（沿A～J轴立面）最大投影宽度102.6米，总展开面积约64000m2。
膜面边界和内部布置了辅助膜面成形的边索、脊索和谷索，这些膜面索是荷载从膜面传递到支点的主要传力构件。
脊索在平面上呈连续的之字形，相邻的脊索形成一个三角形，界定出一个膜面单元，该单元呈中央底四周高的单体倒锥形，整个膜面为连续的三角倒锥形膜单元形成的连续倒锥形曲面（见图1-4）。
图1-4索膜结构组成
（2）膜面支点系统
支点系统是为膜面提供张拉支点的结构，包括四类支点：
◆膜周边桅杆支点
由外桅杆及相应背索形成的倒锥形膜面的周边支点，共计31个，对应结构为31根外桅杆和62根背索。
外桅杆柱均向外侧倾斜，呈两排布置，柱脚分别位于土建B轴和J轴上，排距88米，柱距33米～77米不等（最大处77m在磁浮车站附近）。
柱顶即支点标高靠近磁浮车站的2处为39米，2号阳光谷南侧和3、4号阳光谷北侧的3处为18米，其余为36米。
◆膜锥底下环支点
由固定在中桅杆下部的下拉环形成的倒锥形膜面的锥底支点，共计19个，对应结构为19根中桅杆和相应钢环及上下吊索。
中桅杆均垂直地面，柱脚呈两排交错布置，排距22米，落于10米平台的E轴和F轴上。
靠近磁浮车站的2处的下环标高为18米，其余为15米。
柱顶标高靠近磁浮车站的2处为38米，其余为35米。
◆膜周边阳光谷支点
由阳光谷钢结构提供的膜面的周边支点，每个阳光谷3个支点，共计18个。
◆悬索支点
即中桅杆柱顶，在中桅杆顶和膜面谷索之间设置有限制膜面位移的悬索，每根谷索上均有四根。
（3）膜结构各系统之间的联系
◆支点系统内部的联系
每一个中桅杆和围绕它的三个外桅杆之间设置连接柱顶的水平索。
所有中桅杆和与之相联系的水平索、外桅杆、背索以及少量必要的临时索可形成一个自成立且相对独立于膜面系统的的张力结构，使这些支点不会发生机构位移。
◆支点系统与膜面系统间的联系
每一个支点单元与一个膜面单元对应，膜面传力构件边索、脊索、谷索均与相应支点连接。
1.1.2阳光谷
世博轴“阳光谷”共有6个，结构体系均为三角形网格组成的单层网架，在底部为垂直方面，到上部边缘逐步转化为环向，采用三角形玻璃幕墙。
6个阳光谷体型不一，其中4#阳光谷为旋转对称，其余均为轴对称。
每个阳光谷的高度为41.5m，最大的底部直径约20米，最大顶部直径约90米，6个总面积为31500m2。
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阳光谷钢构件均采用焊接箱型截面，截面高度180~240mm，宽度65~140mm，杆件长度1.00~3.5m。
杆件材质均采用Q345B，部分实心节点采用铸钢节点。
6个“阳光谷”钢结构总重约3035t，节点总数为10600个。
图1-5阳光谷结构示意图
1.2工程特点、难点分析
1.2.1索膜结构
（1）膜面支点系统——外桅杆重量大
依照招标图纸，原外桅杆的重量为40t，但根据现有信息外桅杆的重量已接近73t。
另有两根39m（磁悬浮处）重量达到85t，500t汽车吊位于基坑外无法进行安装。
（2）膜材材料新、尺度大
材料新：
本工程膜材料的力学性能指标达到了国家规范中A级膜的要求，这一级别的膜材在国内膜结构工程中的还没有得到应用，在国际上亦属罕见，对这一材料的加工运输和张拉安装都与B级膜材有所不同。
尺度大：
本工程膜面投影范围约840m×100m。
◆关键问题：
Ø膜面和索的预应力水平高：
膜面预应力达到5kN/m，膜面谷索最大预拉力为300kN，边索最大预拉力为400kn，脊索最大预拉力为800kN，柱顶连接索最大预拉力为800kN。
由此引起背索最大拉力达5000kN以上。
Ø
图1-6膜片张拉前后形状对比
单片膜的边长尺寸和面积较大：
膜片张拉后最大边长约110米，单片膜最大展开面积约1717㎡。
对膜材的裁减、包装、运输、安装及展开都提出了更高要求。
Ø膜片张拉前后差异大：
按照纬向3.5%的经验补偿率考虑，张拉前后的膜片最大边长相差约4米，膜面的张拉行程较大。
而索张拉前后的长度差异较之远小，因此，这些尺寸变化较大的膜边的顺边长方向张拉不能依靠张拉钢索完成。
（3）膜材形状不规则
桅杆均交错排列，柱距、高度不一，使各膜单元虽形状相似，但尺寸无一相同。
◆关键问题：
Ø膜面裁剪：
建筑外观要求膜面单元之间的公共边上的裁剪缝须对齐，由于膜面整体形状的不规则性，势必会使个别膜片的裁减损耗较大，要统筹兼顾经济性和美观性。
Ø深化设计工作繁复：
每片膜，每两根索的夹角，每个节点均相似但不相同，且数量较大。
Ø施工现场管理：
须确保放样准确和无差错，现场管理组织难度大。
Ø没有典型或者有代表性的构件，施工控制需要测量的索力多。
（4）索膜系连续张拉结构
◆关键问题：
Ø膜结构单元之间以脊索分界，属于柔性连接，张力是连续传递的，从而单元之间的相互影响较大。
而先期安装的膜单元又须具有一定的比较均匀的预应力，以便能够在相对较长的施工周期内具备一定的抗荷载能力，故需研究张拉施工对相邻单元的影响。
Ø世博轴膜结构屋顶的施工实质是对大尺度不规则连续柔性曲面进行高预应力张拉成形的过程。
（5）膜结构与阳光谷相互制约
图1-7膜结构索与阳光谷钢结构的连接示意图
◆关键问题：
Ø膜结构与阳光谷两种结构一柔一刚，相互连接，相互作用，结构上要求错开施工，而工期又要求同时完工。
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1.2.2阳光谷
（1）钢结构为大悬挑、空间不规则单层网壳结构
图1-8某阳光谷的平、立面
◆关键问题：
Ø钢结构呈空间不规则变化，没有规律可循，对构件的深化设计、加工制作及现场安装带来的不小的难度；
Ø大悬挑又不规则的空间结构对现场测量定位带来极大的困难和不便，安装质量控制难度大；
Ø大悬挑结构在安装过程中的结构稳定控制问题；
Ø单层网壳平面外刚度差，安装过程中的变形控制难度大。
Ø单层网壳结构要求连接节点为刚性的抗弯连接，节点连接方向多、角度不一，对节点形式的选择带来了前无所有的挑战。
（2）玻璃幕墙与膜结构施工之间的协调
◆关键问题：
Ø由于索膜结构有拉索与阳光谷钢结构拉结，在膜的张拉过程中势必会使平面外刚度较弱的阳光谷产生一定的变形，因此需要协调好玻璃与膜的施工顺序，否则如果先将玻璃全部安装好，则膜的张拉有可能对已安装的玻璃产生损坏；反之，先张拉膜，后装玻璃，那么膜上方的玻璃安装时需要采取足够的保护措施，以免施工中不慎落物，损坏膜面。
1.2.3工程自身及环境因素
（1）规模巨大，周边复杂；施工机械选型及平面布置难度大
◆关键问题：
Ø本工程体量大，基坑面积广，跨度超大；索膜结构及阳光谷施工时下部土建结构已经施工完毕。
而待建屋顶结构居基坑中间分布，离基坑边最近的外桅杆也要相距25m左右。
机械选型、布置及装拆受到很大制约。
Ø周边在建工程多，且大多红线紧邻，因此与周边工程的协调要求高。
况且，世博轴尚有众多联系通道（天桥或地道）与周边场馆联系，对两侧的南北施工通道上空形成一定的割断。
因此，本工程的施工机械选择与平面布置必需要以移动方便，不影响这些通道的施工为前提。
（2）工期紧凑，交叉作业；作业空间需求及安全控制要求高
◆关键问题
Ø由于总工期非常紧凑，屋顶工程施工时要求同时进行其他专业的施工，各专业对施工作业面的要求多。
因此，屋顶结构施工应尽量选择对其他专业施工作业面影响小的方案。
（3）体型特殊，变形复杂；施工阶段稳定及质量控制要求严
◆关键问题
Ø本工程体型特殊，且刚柔并济，施工阶段结构尚未成型时的稳定及变形控制是个很大的难题，需要得到足够的重视，施工方案编制需要全过程结合稳定、应力及变形三个关键问题展开，从而确保施工质量。
第2章索膜结构屋顶及阳光谷工程施工总体部署
2.1施工条件及要求
2.1.1现场施工条件
根据现场踏勘，索膜结构及阳光谷具备施工时的现场条件如下：
◆+10m平台完工（局部根据土建施工流程要求预留，但不影响屋顶施工）；
◆所有屋顶结构预埋件施工完毕；
◆基坑东侧已按永久状态放坡；基坑西侧目前为重力坝挡墙，屋顶结构施工前完成土坡回填；两侧基坑边地耐力达到3t/m2；
◆阳光谷土建结构交付顺序为：
4#、3#→2#、1#→5#、6#。
2.1.2总承包的关键要求
◆从总工期考虑，屋顶结构施工宜选择对其他专业施工影响小的方案；
◆大型机械的选择需要考虑基坑边地基承载力；
◆施工机械的选择宜考虑不影响东西两侧与其他场馆联系通道的施工。
2.2施工总体技术路线
2.2.1总体技术路线
通过对招标文件和图纸的细致学习和深入理解，结合现场踏勘情况，综合考虑总承包的重要要求，我们从工程总体的大局出发，制定了对其他专业施工影响最小、工期、质量、安全可保证的施工方案，其总体技术路线可描述为：
以土建交付顺序为依据，两大主线（阳光谷、索膜结构）前后并进、合理搭接；
阳光谷钢结构跨内单元体逐环吊装；膜结构先支点后膜面两阶段施工。
2.2.2阳光谷钢结构施工技术路线说明
为加快施工进度，阳光谷钢结构采用“工厂拼装，现场自下而上，以单元体为吊装单位，逐环安装”的方法施工。
以工厂加工精度控制现场安装精度；吊装作业遵循对称吊装的原则，及时形成闭合的稳定体系。
起重机械选择固定自升式塔吊，居谷中布置，既不占用其他专业的作业面，又可确保单机全覆盖作业，经济性好；而根据计算，单机吊装，工效完全满足要求。
单元体在工厂组拼后直接运输至现场。
利用搭设于混凝土平台上的满堂脚手支撑，作为构件的临时搁置和安装时的操作脚手。
采用满堂脚手的目的：
Ø有效、均匀扩散施工荷载，经计算，经过满堂脚手扩散后，传递至混凝土楼层板上的荷载（包括阳光谷构件自量（<100kg/m2）、满堂支撑自重（<150kg/m2）及施工荷载（考虑100kg/m2））总计<350kg/m2；10m混凝土平台的设计活荷载为300kg/m2，再加上楼面层恒载（按100kg/m2计）等，可供利用的楼面荷载达到400kg/m2以上，因此，可以不对10m平台进行加固，即可满足阳光谷施工需要，为下部空间的其他专业创造了施工作业面。
Ø阳光谷投影面积巨大，而受单层网壳平面外刚度弱的限制，单元吊装的构件面积不可能过大（否则将导致施工变形超限），构件的临时支撑点密布；且大面积的高空作业需要安全可靠的操作平台。
因此，满堂脚手支撑是相对比较适宜的选择。
阳光谷安装顺序根据土建交付顺序，拟为：
SV4、SV3→SV2、SV1→SV5、SV6。
2.2.3索膜结构施工技术路线说明
通过对招标文件和图纸的细致学习和深入理解，经对比、总结分析，我们认为，按照传统的施工方法（对钢索进行张拉也即对支点进行张拉）存在以下几个缺点：
◆不能完全替代对膜面的张拉
◆代价较高，需要施以较大的张拉力
◆膜角部安全难以控制
◆阳光谷支点难以张拉
◆对支点张拉之前，膜面无法具有均匀的预应力，对施工期膜面安全不利。
基于以上认识，我们针对本工程膜结构施工，制定了两阶段安装的的技术路线。
（2）两阶段安装具体说明
◆阶段一：
膜面支点系统施工
为膜面系统安装预备所有支点，使各个支点坐标到达设计位置的允许范围。
此阶段可与阳光谷施工同时进行。
（a）下环支点及与之相联系的桅杆支点（自成立支点，见图2-1）
图2-1自成立支点
如前所述，这部分构件加少量的临时缆索可以构成一个相对独立的张力结构，且以4号阳光谷为界又可分为独立的南北两段，临时缆索共需11处。
第一步：
先临时固定所有中桅杆和外桅杆，围绕中桅杆搭设脚手架至柱子顶端。
第二步：
连接所有的水平索和背索。
第三步：
安装11处临时缆索。
第四步：
以中桅杆脚手架为作业平台，分段同时张拉每一根中桅杆顶三根水平索，背索会被动产生一定内力（见图2-2）。
此时背索的内力较结构恒载时背索的内力低。
在张拉过程中逐步拆除第一步中的临时保护措施。
图2-2一阶段结束时各索内力
（b）其它桅杆支点
此部分构件只能和膜面系统平衡，此阶段先临时固定，并以设计长度连接背索。
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（c）膜周边阳光谷支点
随阳光谷钢结构自然形成。
◆阶段二：
膜面系统施工
利用可调节的膜节点沿膜边界张拉膜面，先沿脊索和谷索初步张拉，再沿下环完成最后张拉。
使膜面应力和膜面索内力同步增长至设计要求的预应力水平。
此时膜面的张力会通过膜面索传递到支点系统的各结构索上，与第一阶段时的各索力叠加使这些结构索最终达到结构恒载时的内力水平。
这一阶段需使膜面的张力分布、背索及水平索的张力分布、各支点的位移与结构恒载时以上各项在允许限度内吻合。
（a）脊索、谷索、边索吊挂
各索按照设计截断长度安装，此时各索只存在自重产生的内力。
（b）吊挂展开膜片并张拉
膜面的张拉需要考虑以下几各因素：
Ø膜面张拉需等到相关的阳光谷单体施工完毕之后方能进行。
Ø阳光谷和膜结构要求同期完工。
Ø阳光谷处的膜单元与中桅杆处的膜单元相比，面积相对较小，宽度相对较窄，阳光谷膜单元两侧的中桅杆膜单元相互影响较小。
因此，拟以阳光谷膜单元为界，由北至南将膜分成1#~5#共5个区，见图2-3：
图2-3索单元编号
第一段：
MSV1A、BM1～M3MSV2
共5个膜单元，包括2个阳光谷单元和3个中桅杆单元
第二段：
MSV2M4～M5MSV3
共4个膜单元，包括2个阳光谷单元和2个中桅杆单元
第三段：
MSV3M6～M8MSV4
共5个膜单元，包括2个阳光谷单元和3个中桅杆单元
第四段：
MSV4M9～M13MSV5
共7个膜单元，包括2个阳光谷单元和5个中桅杆单元
第五段：
MSV5M19～M14MSV6A、B
共8个膜单元，包括2个阳光谷单元和6个中桅杆单元
其中第四，五段包含中桅杆膜单元数目较多，可从每段的中部（M17、M11）开始展开膜面并沿着脊索和谷索初步张拉后逐渐向阳光谷膜单元延伸，最后统一沿着下环张拉到位。
第一、二、三段包含单元数目较少，先全段展开膜面，然后全段统一按照先脊、谷索后下环的顺序张拉到位。
（c）检测并调整
测量膜面应力及背索及水平索力，通过调整悬索和水平索使各检测项达到允许范围内。
必要时可调整背索。
同时测量各支点位移复核。
（d）下环张拉专项说明
下环支点张拉可采用两种方式进行：
Ø方法一：
通过可调的下环边索膜角节点逐点张拉；
优点：
施工便利；可控性强。
缺点：
不能直接张拉谷索，只能通过调节悬索间接张拉。
Ø方法二：
下环设计为可沿着中桅杆柱滑动形式，通过张拉桅杆下稳定索张拉下环（请见附图深化设计图纸）。
优点：
可直接张拉谷索；有利于其它膜边界上的张拉。
缺点：
工序繁琐，要求桅杆的上下稳定索均可调，下环张拉完成后，需再对桅杆的上稳定索施加预应力；需设计可滑动下环节点。
本标书采取以方法二为主，方法一为辅的下环张拉方案。
2.3总体施工流程
阳光谷安装顺序：
SV4、SV3→SV2、SV1→SV5、SV6。
膜面安装顺序：
3#→2#→1#→4#→5#。
2.4施工平面布置
施工平面布置详见附图1，施工平面布置说明如下：
（1）构件拼装场地及堆场规划
◆阳光谷构件堆场规划：
拟将阳光谷构件堆放于10m混凝土平台上，平台承载力超过700kg/m2；而阳光谷单元体最大重量仅100k平台可以满足堆放要求。
堆放时要求构件下铺九夹板保护，并在每个节点下用道木抄实。
◆中桅杆构件堆场规划：
中桅杆构件数量较少，拟堆放于基坑边。
根据总包提供数据，基坑边坡坡顶承载力为3t/m2，可满足中桅杆分段构件堆放。
◆外桅杆构件拼装场地：
外桅杆重量相对较重，最重约72t；最重一段重约25t，拟在基坑边设置拼装胎架。
为确保安全，胎架距离基坑边2500mm，胎架下设6m*1m路基箱扩散（见图2-4），经路基箱扩散后，传至地基的荷载为q=（15t*2+3t[胎架及路基箱重量]）/（6m2*2）=2.75t/m2，满足安全要求。
图3-5外桅杆拼装胎架示意图
（2）吊车工作区域边坡稳定及地基处理说明
为确保基坑边坡的稳定，500t汽车吊吊装时，平行于基坑工作，并且确保里侧的两个支腿离基坑边不小于3.5m。
经计算，500t汽车吊工作时，最不利工况下，单支腿对地基的荷载为145t，考虑在每个支腿下设置如图3-6的路基箱，底下以黄沙抄实，扩散面积可达到28.8m2，即对地基的压力为（145t+15t（路基箱重））/28.8m2=5.6t/m2；比总包提供的基坑边场地地耐力大约2.6t/m2，不能满足汽车吊工作需要。
因此，需在500t汽车吊停机工作点进行适当加固，提高工作区域的地基承载力，为安全起见，地耐力需达到8t/m2。
定点地基加固方法可参考图2-5。
图2-5500t汽车吊支腿下路基箱铺设方式及地基加固方法
Ø施工道路使用要求：
外桅杆拼、吊装场地为基坑两侧道路（上南路、圆三路）距坑边外20m区域。
所须使用日期如下图：
（图2-6）
图2-6基坑两侧施工道路使用及示意
✧注明：
以上工期基于可进行深化设计的施工图出图时间，预计可提供柱顶铸钢件深化的三维模型图7月30日确定。
（3）现场临电要求
根据计算，现场临电总量需要3500kW。
要求总包在基坑东西两侧分别布置电箱（每侧按100m布置一个，可根据施工进度调整），供阳光谷及膜结构施工需要。
（4）塔吊基础预埋
6台7027塔吊的基础需要在混凝土底板施工时预先埋设。
根据现场踏勘时对土建进度的了解，可以满足在阳光谷底板施工前埋设。
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