编者注
目前大跨度空间结构已成为建筑工程中最为复杂、美观和活跃的结构类型之一，对大跨度空间结构施工技术提出了极高的要求。大跨度空间结构施工方法的多样化和复杂性，造成了施工阶段结构内力分布的复杂性和最终结构受力的多变性。为保证工程建设安全、经济、顺利进行，在施工过程中根据客观实际情况选择合理的施工工艺、确定合理的施工顺序尤为重要。本期以第19届杭州亚运会场馆杭州奥体中心亚运会3号馆为例，对其在深化设计、加工制作、现场安装、数字化信息管理等各阶段的关键施工技术和方法进行阐述，以期为同类大跨度空间结构提供借鉴和参考。
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周关根
教授级高级工程师
浙江东南电网有限公司执行副总裁、总工程师
中国钢结构协会专家委员会副主任
中国建筑金属结构协会铝结构分会副会长
《钢结构》（中英文版）编委会委员
中国钢结构协会专家委员会副主任；中国建筑金属结构协会铝结构分会副理事长。长期致力于钢、铝结构新技术、新工艺的研发和推广应用。
主持或参与省部级项目30余项，发表学术论文150余篇，获得授权发明专利58项，主编或参编著作10部。获詹天佑奖、鲁班奖20余项，国家级、省级工法30余项，省部级科技奖30余项。2013年获国务院特殊津贴，2011年获浙江省有突出贡献中青年专家，2014年入选浙江省“151人才工程”重点支持人选，2014年获中国钢结构三十年突出贡献人物称号。
1 项目概况
杭州奥体中心综合训练馆（简称“综合训练馆”）位于杭州市萧山区杭州奥体博览城东南角，紧邻规划中的奥体博览城双子塔，占地面积58864平方米，总建筑面积184533平方米，为2022年第十九届杭州亚运会场馆之一，内设体育训练、医疗、科研及配套后勤服务及新闻发布中心等功能，如图1所示。
图1 杭州奥体中心综合训练馆效果图
综合训练馆地上8层，1至7层高度均为12.60m，8层高度为10.50m，各层之间设有局部夹层，结构屋面标高98.900m，地上总建筑面积106493平方米。地下2层，地下2层结构标高-12.800m，地下1层结构标高-7.650m，地下总建筑面积78040平方米。
综合训练馆标准层平面尺寸为84m×84m。主体建筑采用斜钢管格栅柱外筒+内钢框架+钢筋混凝土剪力墙结构。钢结构主要包括双腿巨型椭圆刚构柱（地下）、斜钢管格栅柱外筒、内钢框架、楼面桁架及楼面坡道（图2）。双腿巨型椭圆刚构柱分为边柱和角柱，柱脚标高为-7.550m；斜钢管格栅柱外筒由与地面成56.3°角交叉编织的钢管斜柱、斜网格节点、水平环梁组成；内钢框架主要由圆形钢柱、刚构H型钢柱和钢框架梁组成；楼面桁架共计35道，主要分布在各楼层的悬臂构件之间； 楼面坡道沿主体结构呈螺旋上升布置，分上下两层，下层坡道两端与楼面钢梁连接，中间设置支撑柱；上层坡道悬挂于楼面梁下。
图2 杭州奥体中心综合训练馆钢结构示意图
2.施工重点、难点及关键技术措施
2.1地下钢结构与土木结构交叉施工
地下钢结构大多为刚体结构，钢结构吊装过程中需要穿插土建钢筋施工、模板施工、混凝土浇筑施工等工序，多专业交叉施工是否科学合理地组织进行，直接影响施工进度乃至施工质量。
因此，施工前必须按照不同的施工阶段，合理安排各专业的施工顺序，并认真分析研究施工图纸，优化设计方案，细化工种和工序，尽量减少专业间的干扰和重叠。
本项目先进行核心筒钢结构施工，后进行核心筒外钢结构施工。土建在绑扎地下2层结构钢筋时，对双肢巨型椭圆柱、内钢架圆管柱、核心筒H型刚构钢柱预埋件进行预埋；待地下2层混凝土结构施工完毕，混凝土强度达到75%后，采用汽车起重机将H型刚构钢柱、内钢架圆管钢柱、双肢巨型椭圆刚构钢柱吊装至结构底板附近。
在钢结构深化设计阶段，我们与土建单位、设计单位密切沟通配合，对钢筋与钢梁、柱的干扰进行分析，优化土建钢筋布置方式，以“能绕则绕，能锚固则锚固”为原则，尽量减少土建与钢结构之间的干扰。对于本工程核心筒内的H型刚架柱、圆管柱，由于柱截面较小，钢筋与钢架相遇时，采用绕过钢筋、弯折锚固钢筋的方式处理（图3），减少了交叉操作。
图3 钢筋布置优化示意图
2.2地下钢结构施工期交通组织
地下钢结构构件重量大、体积大，现场施工环境复杂，布置合理的施工通道非常重要。钢结构施工前，仅有南侧一条栈桥坡道通往主楼地下室层，无运输车辆及吊车道路。为便于施工顺利进行，根据现场塔吊布置情况及现场施工需要在主楼外侧地下室层预留一条宽度为8m、转弯半径不小于15m的环形施工通道作为主要施工道路。对地下室层承载力进行校核，满足施工吊装要求。
环形施工通道范围内共计16根混凝土柱，为了不影响交通，这16根混凝土柱将不会在地下钢结构施工过程中进行施工。这些混凝土柱的钢筋伸出柱底板的长度不得超过30cm，且应在柱内折弯，以保证车辆正常通行。这些混凝土柱的施工需在地下钢结构安装完成后才能进行（图4）。
图4 综合训练馆地下施工通道示意图
2.3 双肢巨型椭圆刚性柱施工
巨型双肢椭圆刚性柱分为边柱、角柱两种形式，共计12根边柱、4根角柱。柱脚标高-7.550 m，柱长8.723 m，单根角柱起吊质量52.6 t，边柱起吊质量52.5 t。钢柱支撑整个钢外筒，是结构的重要承重构件。柱顶与主楼外筒斜网格斜柱连接，安装精度非常重要。另外，钢柱不宜分段，构件较重，施工难度大。
为保证安装精度，施工前需对原控制线进行检查并放线。为减少预埋锚栓在绑扎钢筋和浇注混凝土过程中的位移，采用钢板和角钢制作刚性定位支架。支架下部与地下室底板钢筋固定，形成满足施工阶段刚度要求的稳定体系。
钢柱吊装前在牛腿节点处粘贴全站仪反射靶标。采用300 t汽车起重机将钢柱整体吊装至标高+0.840 m钢结构预埋件施工方案，用预埋锚栓及支架固定，利用柱底座底部调节螺母调整钢柱标高及垂直度。同时在地面控制点放置若干个0.5 s和1.0 s水准全站仪，在空中吊装过程中同步观测靶标三维坐标并实时测量坐标。在相邻两根钢柱吊装完毕并定位合格后，吊装钢柱之间的刚性钢梁并及时螺栓紧固、焊接，形成稳定的体系。
由于钢柱截面较大，柱底板尺寸有限，无法按常规方式将柱脚锚栓设置在柱体外。为了解决此问题，在详细设计时考虑将柱脚锚栓设置在柱体内，同时在锚栓对应位置的柱壁上开设宽150 mm、高200 mm的操作手孔，用于安装垫块及锚栓螺母。由于钢柱为刚度钢管柱，且内部浇筑混凝土，因此安装后无需对操作手孔进行密封（图5）。
图5 巨型双肢椭圆刚性柱示意图
2.4 斜钢管格栅柱外筒钢结构施工关键技术
综合训练馆单体钢结构重量超过26000吨，地面钢结构主要分为斜钢管格栅柱外筒、内钢架、楼面坡道、楼面桁架四个部分。现场吊装主要采用3台ZSC1000塔吊，若起重能力超过塔吊时，采用160吨汽车起重机配合吊装。下面主要介绍斜钢管格栅柱、斜格栅节点施工关键技术。
2.4.1斜钢管格栅斜柱
综合训练馆周边采用斜钢管网柱结构，上下层钢管斜柱采用斜网节点连接，钢管斜柱壁厚、直径随楼层数增加逐渐减小。施工时，钢管斜柱采用中昇建机一层一层吊装，最大吊重189kN。
斜柱分两点吊装，采用自主研发的“计算机辅助全站仪”数字化测量技术控制安装过程的定位。吊装前，预先在管口处粘贴反光靶标。吊装过程中，在地面控制点处放置多个0.5s、1.0s水准全站仪，同步观测靶标三维坐标。将测量的坐标值输入计算机，自动与设计坐标值对比并生成差值，实时指导施工人员调整斜柱位置。斜柱轴线投影应与下层斜柱轴线投影重合。
为便于吊装时调整斜柱角度，在钢丝绳上安装15 t手拉葫芦辅助吊装，吊装到位并准确校准后，及时拉动风绳，采用φ180×10圆钢管对斜柱中部进行临时支撑固定，同时紧固并焊接临时连接耳板（图6）。
注：L 为斜柱段总长度。
图6 斜柱临时支撑示意图
2.4.2 斜网格节点
外筒上下层采用斜网格节点连接，主要由4个斜钢管支架和2个H型钢支架组成，中间共计100个节点，角部共计12个节点，最大节点单重为21.5 t。节点支架壁厚和直径随楼层高度增加逐渐减小。
斜网格节点是外筒结构的关键节点，其构造特殊，包含较多的隐蔽焊缝和小角度相贯焊缝。设计单位对该节点的连接焊缝十分重视，希望所有焊缝都达到一级全焊透焊缝。但斜钢管支架外壁与节点钢板的二面角仅为33.7°，钢管支架最大壁厚为50mm。坡口后，相贯焊缝根部最大深度达到90mm，焊缝根部不符合焊接工艺要求。另外，由于相贯焊缝焊接时不易放置垫片，导致焊缝根部很难满足一级质量等级的要求。
因此在深入设计中将此类型节点作为重点分析研究对象，结合以往同类工程的实践经验，与设计单位多次探讨小角度相交焊缝问题，做了大量的分析计算工作，通过工厂反复焊接试验和评估，提出了保证节点焊缝可靠性的实施方案（图7）。对于允许焊接空间的区域，工人进入节点进行焊接。
a—网格节点立面示意图；b—部分穿透区域组合焊缝示意图（带竖肋）；c—斜钢管牛腿组合焊缝示意图；d—部分穿透区域组合焊缝示意图（带水平肋）；e—斜钢管牛腿与水平肋组合焊缝示意图；f—斜钢管牛腿与竖肋组合焊缝示意图。
注：图7b中D、E值为所标记象限点对应的数据，D=t/2，E>t，数值按交线逐渐变化，表示部分熔透组合焊缝平滑过渡到全熔透区域，p为允许未熔透的焊缝最大值；图7d中A、B、C值为所标记象限点对应的数据，A=5t1/6-p，B=t1/6，C=t/2，数值按交线逐渐变化，表示部分熔透组合焊缝平滑过渡到全熔透区域。
图7 网格节点相交焊缝焊接要求
网架节点加工采用“拆整体、局部加工、整体组装”的制造工艺，即先将四个斜支架、节点箱分别组装，再将组装好的五个单体组装成整体，按要求焊接，检验合格后出厂。
钢柱斜节点最大单体质量为21.5 t，随着楼层高度增加，节点牛腿壁厚、管径逐渐减小，质量减小。第二、三层节点较重，超过了塔吊的起重能力，因此采用160 t汽车起重机进行起重。
2.5 施工过程仿真分析
由于结构在施工阶段尚未形成稳定的受力体系，其受力形式与设计阶段有很大区别，需要通过施工过程仿真分析确定钢结构施工过程的重点区域或部位，控制构件的应力与位移，确定合理的施工方法，确保施工安全。
2.5.1 斜网格节点有限元分析
网格节点有限元分析表明，在设计烈度地震作用下，节点构件平均应力小于钢材设计强度，处于弹性工作状态（图8）。
a—中间斜网格节点；b—顶部斜网格节点；c—角部斜网格节点。
图8 网格节点应力云图（MPa）
2.5.2地下室顶板混凝土梁验算
钢结构施工时，汽车起重机需在地下室顶板上作业，因此需要先将汽车起重机所占区域内所有梁的中心线弹出，确保汽车起重机支腿支撑在主梁上，并在梁与支腿之间铺设路基钢板。
根据施工图中梁截面信息可知，主梁可承受最大弯矩为1395 kN·m，最大剪力为1269 kN。在施工阶段的联合荷载作用下，承受吊车吊装最大荷载的主梁最大弯矩为448.8 kN·m（图9），最大剪力为829.9 kN（图10），满足汽车起重机地面吊装要求。
图9 主梁最大弯矩kN·m
图10 主梁最大剪力值kN
2.5.3 悬挑结构临时支撑拆除分析
临时支撑假定为结构的弹性约束，在临时支撑拆除过程中，结构体系内力重新分布，弹性约束程度不断变化，随着临时支撑拆除，临时支撑与主体结构的连接将逐渐由约束状态转变为脱离状态，主体结构的受力状况也逐渐由施工状态转变为设计状态。
本工程各楼层周边为悬挑结构，临时支撑点数量多、分布广钢结构预埋件施工方案，单点支撑力大。根据模拟计算分析，各楼层悬挑部位组合楼板施工后，悬挑结构刚度增大，此时拆除临时支撑，悬挑结构变形最小。根据计算模拟分析结果，按照先拆除最不利支撑的原则，分阶段逐点拆除支撑。计算结果表明，各楼层四角悬挑部位临时支撑应力最大，应先拆除，拆除后应重新计算确认新的最不利支撑，如此逐点拆除，直至所有支撑拆除完毕。
2.5.4 总结
施工过程中，利用结构计算分析软件对钢结构施工过程进行有限元仿真分析，针对斜网格节点处小角度相交焊缝难以焊接的问题提出解决方案，并通过有限元分析验证节点的安全性。采用汽车吊吊装地下室顶板的施工方法，验证地下室顶板混凝土主梁的承载力，满足施工吊装要求。通过对悬挑结构临时支撑受力进行计算分析，按照先拆除最不利支撑的原则，确定了逐点、分阶段拆除支撑的方法。仿真分析计算结果表明，施工过程中各阶段结构均处于安全状态，该施工方法经济合理。
3 结论
在复杂的施工环境下，通过优化设计方案、细化工序种类、制定合理的施工计划、合理安排各专业施工顺序等措施，降低了多专业交叉施工带来的不利影响，开辟了一条符合施工要求的施工道路，为钢结构吊装创造了必要条件。采用自主研发的“计算机辅助全站仪”数字化测量技术，对安装过程中的刚性柱、斜柱、斜节点等进行定位控制，确保了构件的安装精度，焊接后X、Y坐标偏差控制在±5mm以内，标高控制在±3mm以内。通过反复分析和试验，优化了斜网格节点的焊接方案，并进行了有限元分析验证，创新性地解决了节点的加工难题。 验证地下室顶板满足汽车起重机楼层吊装作业要求,并通过计算模拟分析,确定了按照先拆除最不利支撑的原则,逐点、分级拆除支撑的方法。
杭州奥体中心综合训练馆钢结构施工过程中，解决了不少技术难题，施工效果良好，为类似钢结构工程提供了一定的借鉴和参考。
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关于作者
周关根
教授级高级工程师
浙江东南电网有限公司执行副总裁、总工程师
中国钢结构协会专家委员会副主任
中国建筑金属结构协会铝结构分会副会长
《钢结构》（中英文版）编委会委员
一直致力于钢结构、铝结构新技术、新工艺的研究、开发和推广，主持或参与省部级项目30余项，发表学术论文150余篇，获得授权发明专利58项，主编或参编著作10部，获詹天佑奖、鲁班奖20余项，国家级、省级工法30余项，获省部级科技奖30余项。2013年获国务院特殊津贴，2011年获浙江省有突出贡献中青年专家，2014年入选浙江省“151人才工程”重点资助和培养对象，2014年获中国钢结构三十年突出贡献人物称号。
何伟
高级工程师
浙江东南网架有限公司复杂结构研究所所长
从事大跨度空间钢结构、异形复杂钢结构深化设计与施工技术的研究与开发。
曾获“中国钢结构协会科学技术奖”一等奖、二等奖；荣获“2015年度浙江省钢结构工程优秀建造师”和“2015年度中国钢结构工程优秀建造师”奖；获得专利29项，在国内核心期刊发表论文18篇；参与研究的“新型大跨度预应力钢结构工业料场关键技术研究与应用”、“大跨度干煤棚曲面金属屋面技术开发与应用”等项目通过科技成果鉴定，项目整体成果分别达到国际先进水平和国内领先水平。
