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攻坚克难 寻梦苍穹——上海天文馆工程建设侧记

2021年08月12日点击数: 204撰稿人:

上海天文馆,这座迄今为止全世界面积最大的天文馆于7月17日举行开幕仪式。上海天文馆是上海市“十三五”期间重大市政学问公益项目、重要的科普基础设施,也是服务上海科技创新中心建设的重要举措。它是国内首次将“专业级”观测设施建在科普场馆内的天文馆,展馆内营造出高精度模拟星空和沉浸式宇宙漫游的场景,可以通过天文望远镜实际观测到太阳和众多星体。

由上海建工七建集团历时三年打造的上海天文馆,坐落于临港新片区,建筑面积约3.8万平方米。馆内独具特色的圆洞天窗、球幕影院和倒穹顶三个圆形元素构成的“三体”结构被人津津乐道。为了模拟天体运行轨迹,上海天文馆的建筑结构造型全部为异形、多曲面,给施工带来巨大的难题及挑战。

固定超大的“帽檐”

在观众入口处,包围着圆洞天窗的大悬挑从外观看像一顶巨大的遮阳帽帽檐,在平面悬挑最大超38米、跨度最大超60米、相当于4个标准篮球场的范围内,重量超2000吨的异型大悬挑不仅是中国之最,在世界上也是极其罕见的。除了大悬挑的自重外,它还要承担展品和游客的重量,如何在保障安全的前提下保证由近千个不同形状、不同尺寸构件组成的大悬挑安装精度?如何将大悬挑安装在钢骨剪力墙核心筒上并安全卸载?

项目团队运用了BIM技术、分步分段吊装技术、分段支撑安装技术。首先采用BIM技术将大悬挑内外桁架分为九段,并对各段的连接节点及空间尺寸进行深化分析,找出各构件的空间定位和尺寸,在工厂对构件进行预加工、预拼装、编号,缩小构件间的安装偏差。经过数十天的不断调整,解决了大直径、多角度、结构形状变化多的难题。

结构吊装过程中,项目部首次采用了分步分段吊装的施工方法。先将内、外桁架分成九段用300吨汽车吊进行2点吊装,再将二层桁架划分为30个组合单元进行吊装,后期再对其中的7个组合单元用350吨履带进行补缺吊装。

卸载事关大悬挑施工的成败。项目相关负责人表示,项目制订了“先单层桁架,后屋面桁架”的工艺流程。单层桁架采用分级卸载的方式,由中间向两层卸载,循环往复;屋面桁架采用氧气割刀切割的方式,两侧卸载同步进行。二层桁架卸载采用多点同步分级循环卸载,按照“多次循环、微量下降”的原则,单次卸载不超过5毫米。最后在每个分区单个同步卸载点支撑一侧布置一个20吨~100吨的千斤顶作为临时支座,通过置换割除支撑顶部,直至卸载完成。

安装海量的“钢骨”

一楼直径30米的球幕影院也是全馆的一大亮点。球体的内部由大量钢结构组成,因钢环梁内置于砼梁内部,钢骨梁的截面又大且为环形,所以施工难度非常大。

为了实现这一效果,项目团队根据钢梁分段点位置进行排架的加密加固,在木模板上部放置支承架以便H型环梁于现场进行对接。根据现场布设的塔机的性能参数,对球幕影院钢结构杆件进行合理分析计算,在满足塔机性能参数的情况下,进行单元件组合后再进行安装;上部钢结构安装前,于内部搭设满堂脚手架作为操作平台,以确保上部结构的安装和安全保障。

浇筑神奇的“巨碗”

顺着200多米的旋转步道,在三楼大家看到了倒穹顶,这个与常规穹顶相反的构造让人仿佛置身于一个大碗之中。这是对古罗马穹顶式天窗的现代创意改造,既起到了引导日光进入中庭的功能,又能在夜间观星时起到再造地平线的作用。因为穹顶是下凹的,可以有效地阻挡周围地面灯光的影响,形成一个类似在山谷中观测的效果,想进行夜间观测的游客可以上到穹顶平台。

倒穹顶施工中最难的就是“三脚架”劲性混凝土柱,全高为26米。向外倾斜19°~60°,斜长26.67米~30.31米,且“三脚架”柱均为曲面倾斜。为了保证结构的稳定与安全,项目团队通过商议,决定在施工时采用优质镀塑光面胶合板,异型部位采用型钢微弯焊接加固方式等体系,采用自密实混凝土确保了劲性混凝土柱的密实度,同时采用BIM模型技术,对模板支撑进行细部放样定位,劲性混凝土柱安装及钢筋绑扎等工况模拟,以此确保了结构架体的稳定性。

此外,整个施工过程还综合运用了数字建造技术:采用BIM技术建立三维模型、模拟施工工况和施工方案;采用复杂结构施工控制技术,对施工过程进行虚拟仿真分析,保证施工过程的建筑结构安全;采用基于卫星定位的三维空间测量技术,保证工程施工质量和异型不规则构件的安装精度。

随着上海天文馆开幕,异形结构设计的施工措施得到了很好的运用。上海建工七建集团形成了大量的异形钢结构和混凝土结构关键技术总结。针对上海天文馆钢结构造型复杂、混凝土异形曲面多、施工要求高等特点,形成了一系列具有针对性的施工技术方案,确保整个工程实施后获得良好的经济效益。

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