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探尋上海天文館2000噸鋼結構懸挑下的施工秘密

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全球最大的頂級天文館——上海天文館,是上海市十三五期間建設的一座大型科普展館,上海天文館建成後將與上海科技館、上海自然博物館共同構成“三館合一”的大科普格局。建築面積38164平方米,布展面積為12567平方米,由上海建工七建集團負責土建,上海建工裝飾集團負責天文館展示工程裝飾布展,其展示內容全面,擁有最為豐富的天文藏品,營造身臨其境的沉浸式體驗,運用最為先進的展示手段,將建設成為建築形態優美,全球規模最大的頂級天文館。

一、施工難點

1、曲面勁性結構施工頗具難度

上海天文館工程以多曲面、多異形造型的混凝土結構為主,曲面混凝土施工本身就有一定難度,而多曲面、大體量、內部穿插勁性結構的複雜工況下,針對異形曲面混凝土施工,要做到質量、安全雙向保障,總體部署與施工動態部署的有機結合,各工序之間相互協調更是難度極高。尤其是殼體結構,其建築形態形似一個倒扣的陶瓷碗,殼體結構總高度11。8m、底部直徑50m、頂部直徑33。5m、壁厚50cm,頂部內含環形鋼結構梁,同時整個殼體結構作為球幕影院的支撐結構,將承受球幕影院700噸的荷載。

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2、大跨度曲面鋼結構施工精度要求高

鑑於專案的圓弧形外觀造型,其鋼結構也以整體圓弧作為主要方向,區域性以折代曲。在此前提條件下,對鋼結構設計與施工控制具有較高的要求,同時也增加了鋼結構的施工風險。

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以大懸挑鋼結構為例,在觀眾入口處,包圍著圓洞天窗的大懸挑從外觀看像一頂巨大的遮陽帽帽簷,整個懸挑的跨度有61米,平面懸挑最大38。65米,這麼大的跨度不僅是中國之最,連在世界上也是極其罕見的。

而這個大懸挑還重達2000多噸,可以想象若一頭成年非洲象的體重為4噸,則這隻大懸挑比500頭成年非洲象的體重都要重,除了大懸挑的自重外,它還要承擔展品和遊客的重量,如何在保障安全的前提下保證由近千個不同形狀、不同尺寸構件組成的大懸挑安裝精度?如何將大懸挑安裝在鋼骨剪力牆核心筒上並安全解除安裝?

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大懸挑結構由二層雙向桁架結構組成,兩側與鋼骨剪力牆核心筒結構體系相連,外側為單排四層桁架立柱和外弧桁架結構。主體結構形式由埋入地下室的鋼骨勁性柱(勁性梁)、下層桁架平臺、屋面層桁架平臺、洞口結構、外弧結構及部分鋼板牆組成。因此從鋼結構的施工組織、動態部署,到具體的質量管控、節點深化、工期控制等都是關鍵要素。

3、懸空球幕影院鋼結構安裝難度大

一樓直徑30米的懸空球幕影院也是全館的一大亮點,球體的內部由大量鋼結構組成,因鋼環梁內置於砼梁內部,鋼骨梁的截面又大且為環形,所以施工難度非常大。團隊根據鋼樑分段點位置進行排架的加密加固,在木模板上部放置支承架以便H型環梁於現場進行對接。

根據現場佈設的塔機的效能引數,對球幕影院鋼結構杆件進行合理分析計算,在滿足塔機效能引數的情況下,進行單元件組合後再進行安裝;上部鋼結構安裝前於內部搭設滿堂腳手架作為操作平臺,以確保上部結構的安裝和安全保障。

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4、倒穹頂勁性混凝土柱施工難度大

順著200多米的旋轉步道,在三樓看到了倒轉穹頂,這個與常規穹頂相反的構造讓人彷彿置身於一個大碗之中。這是對古羅馬穹頂式天窗的現代創意改造,既起到了引導日光進入中庭的功能,又能在夜間觀星時起到再造地平線的作用(因為穹頂是下凹的,可以有效地阻擋周圍地面燈光的影響,形成一個類似在山谷中觀測的效果,想進行夜間觀測的遊客可以上到穹頂平臺)。

倒穹頂施工中最難的就是 “三腳架”勁性混凝土柱,全高為26。00米。向外傾斜19°~60°,斜長26。67~30。31米,“且三腳架”柱均為曲面傾斜,為了保證結構的穩定與安全,團隊透過商議,決定在施工時採用優質鍍塑光面膠合板,異型部位採用型鋼微彎焊接加固方式等體系,採用自密實混凝土確保了勁性混凝土柱的密實度,同時採用BIM模型技術,對模板支撐進行細部放樣定位,勁性混凝土柱安裝及鋼筋綁紮等工況模擬,以此確保了結構架體的穩定性和倒穹頂結構造型。

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二、上海天文館的關鍵技術措施

1、異形曲面鋼骨混凝土施工技術

針對殼體結構的施工特點,結合各種因素,系統分析各種不利工況與複雜的邊界條件,整合應用各類技術手段研究科學合理的設計思路與方法,在統籌兼顧並有利於過程動態控制的前提下,不斷最佳化設計提高符合實際工況的設計精確性與安全性。最終採用鋼管扣件支撐體系及木模板彎曲拼接的施工工藝,結合BIM技術施工模擬技術分段施工,以保證曲面混凝土施工從整體到區域性的穩定和周邊環境的相對安全。

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2、大跨度雙層雙向桁架加雙旋多曲面空間鋼結構施工技術

針對大懸挑結構的特難點,將整個大懸挑鋼結構施工分為六大部分:立柱、二層內外弧桁架、二層平面桁架、屋面層內外弧桁架、屋面層平面桁架、外挑弧桁架。同時根據現場實際工況選定以先二層、後屋面、最後外挑桁架的順序進行施工。施工前由BIM技術進行各部分的連線節點深化及空間尺寸的細化,杆件加工後在工廠進行預拼裝和偏差構件的再加工。

運至施工現場後,再根據區域分段設定施工胎架進行拼接。為了減少現場的拼接誤差,過程中除了現場兩臺塔機配合施工外,另外配置一臺350噸履帶吊進行吊裝施工。將現場拼接多構件的情況大幅減少,避免焊接工藝產生的質量缺陷,從而影響鋼結構整體的偏差。

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上海建工裝飾集團天文館展示工程裝飾布展總包專案部從進場開工的那一刻開始以上海天文館布展專案建設為載體,整合該領域全產業鏈的優質資源,結合全國最頂尖專業的展陳服務商進行研究創新,在展覽、模型場景、道具機械、燈光舞美、多媒體、AR/VR、建聲、影視動畫、智慧互動、感測科技、多維電影、自動化整合等多種展覽展示表現手段進行創新突破。

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該專案包括裝飾布展工程深化設計和施工,包括消防、安防、二次綜合佈線、音效、圖文及燈光6家專業分包工程,除此以外還包括建設單位另行採購的獨立承包專案(展品展項開發、球幕影院裝置、天文觀測裝置、室內公共空間藝術品等內容)的施工配合及管理。本專案共有約291個展項,約33家全國頂尖展陳服務商。

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為更好的服務於展項,將展項所表現的內容透過布展環境更好的展現出來,從專案之初就重視與展項單位的技術交底與溝通,前後共開展了不下百次的專項交底溝通會,第一時間對各展項的提資進行詳細的梳理及確認,這將是超大展陳館最終呈現效果的關鍵管理工作。

同時工作室和專案部將各展項實施的關鍵時間節點進行了梳理,重點把控展項初步設計交底、深化設計完畢成果交底、現場點位四方複核並確認、隱蔽驗收前現場點位空間尺寸確認、飾面材料完成後的現場驗收等關鍵節點,將展項單位的反饋情況結合各展區各區域的布展飾面完成節點進行綜合協調,在會議室張貼展項關鍵節點跟蹤表,在專案實施過程中動態的跟蹤各展項的完成情況。

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透過上海天文館布展專案的日常溝通交流和管理過程,整合全國超大展陳館的全產業鏈的頂尖資源,為更好服務於專案內容展示,對展示手法、展示技術、展項互動、安裝節點及環境渲染等多個方向進行最佳化創新。

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