1、高空大悬挑结构支撑体系的研究与应用 公司深圳会议展览中心 45m 高支模 QC 小组 一、前言 （一）企业简介 股份有限公司（原江苏一建）是国家房屋建筑工程施工总承包特级企业，1982 年5 月进入深圳参加特区建设。公司以“严守法规、奉献用户、精益求精、质量兴业”为质量方针，近年来多次获得省、市优质工程奖，十一次荣获“鲁班奖”,被评为“全国工程建设质量管理优秀企业”，树立了良好的质量信誉。（二）工程概况 深圳会议展览中心位于深圳市中心区，总建筑面积 255616 m2，是座具有国际标准的超大型展览建筑，也是深圳市的标志性建筑。建筑物长：540m（1830m），宽 282m（126m30m1262、m）。主体为钢筋混凝土框架剪力墙结构，中间跨跨度 30m（空腹柱外截面 4m4m），两翼钢结构屋架跨度 126m。会议展览中心地下局部三层，地上六层，总高 60m；45m 标高悬挑梁（悬挑 15.545m）两端铰支座支撑钢屋架将会议中心屋盖。该工程规模大，采用新技术多，2003 年被建设部批准立项为综合科技示范项目（立项批文为建科函200392 号，项目编号为 03-4-003）。图 1 深圳会议展览中心主体结构外貌 45m层：长360m，宽60m，横向柱间双排预应力鱼腹式框架梁（共24根）SL1截面尺寸为1m5.368m6.368m，跨度 30m；柱外两端各悬挑出 15.545m（各 24 3、根），截面尺寸为 1m2.826m5.368m。悬挑范围从 4-16 轴，共计 360m（1230m）长，悬挑部位的投影面积达 11192.4m2。二、QC 小组简介 由于本工程鱼腹式悬挑梁混凝土结构截面大、悬挑长、高度高，悬挑部位面积大，且工期要求严，本工程无类似施工经验，深圳乃至国内无类似工程可借鉴。急需研究、制定科学、可靠、适宜的方案并实施，以确保鱼腹式 45m 高大悬挑梁高支模的施工质量、安全和工期，故在工程开工之初本公司就成立了深圳会议展览中心 45m 高支模 QC 小组。其小组成员基本情况如下表（表 1）：QC 小组成员一览表 表 1QC 小组成员一览表 表 1 小组名称小组名称 4、深圳会议展览中心 45m 高支模 QC 小组 成立时间成立时间 2002.11 小组类型小组类型 创新型 活动时间活动时间 2002.11.12003.8.30 新注册日期新注册日期 2002.11 注册编号注册编号 2002-1101活动频率活动频率 平均每三周一次 课题活动次数课题活动次数 16 序号序号 姓名姓名 性别性别 年龄年龄 文化程度文化程度职务职务 职称职称 组内职务组内职务 TQC 教育TQC 教育1 张立新男 36 专科 技术部经理高级工程师组长 均超48学2 徐锋 男 35 本科 工程部经理高级工程师副组长 时以上 3 朱国梁男 53 本科 项目总工程师教授级高工副组长 5、4 褚文早男 53 专科 项目经理 高级工程师副组长 5 吴碧桥男 32 本科 技术处副主任工程师 副组长 6 申华 男 36 专科 技术部副经理工程师 组员 7 俞红阳男 35 硕士 技术部副经理高级工程师组员 8 卞国祥男 34 本科 技术部副经理高级工程师组员 9 郭志良男 37 中专 安全部副经理助理工程师组员 10 蒋杰 男 25 本科 技术部资料员助理工程师组员 11 赵荣 男 36 中专 工长 助理工程师组员 12 陈庆 男 23 中专 工长 助理工程师组员 制表：蒋 杰 复核：张立新 日期：2002 年 11 月 5 日 特邀东南大学建筑工程系副主任郭正兴教授、清华大学结构工程6、研究所黄李骥博士担任本 QC 小组技术顾问。三、选择课题（一）问题的提出 45m 高鱼腹式悬挑梁混凝土结构截面大、悬挑长、高度高，工程量大，安全施工面临严峻考验，质量要求严格，工期紧迫，本工程 45m 高鱼腹式悬挑梁施工深圳乃至国内无此先例，本公司在此方面无施工经验，并且无类似工程可以借鉴。传统满堂脚手架使用存在以下问题：钢管、扣件均需人工搭设/拆除，不仅增加投资，而且严重影响工期；40 多米高钢管自身重量达 300kg，使钢管脚手架承载减弱 1/41/3，需设置双钢管立杆，且立杆密度加至400mm，悬挑鱼腹梁下250mm，脚手架钢管、扣件使用较多，仅高支撑模板一项估计将需投入钢管 18,007、0 吨，扣件 630 万只，人工、运输、租赁费用等极其昂贵；由于立杆、水平杆密度大，人无法操作、检查；构造要求的水平、垂直方向剪刀撑也无法搭设，架体垂直度无法控制，容易失稳，安全隐患较多；依据建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范（JGJ130-2001）6.4.4“对高度 24m 以上的双排脚手架，必须采用刚性连墙件与建筑物可靠连接。”（强制性条文），但施工现场 14 层层高为 7.5/15m，柱距为 30m，无法按规范 6.1.1 条款中“二步三跨或三步三跨”的规定设置连墙件。（二）课题确定 由此可见，传统钢管脚手架无法满足要求，项目部需创建新型的支撑体系来替代。本次 QC 小组活动的课题为8、：四、设定课题目标（一）目 标 深圳会议展览中心高空大悬挑结构支撑系统稳定、安全。（二）目标值 1）、施工加荷过程中竖向构件侧向变形控制在 5 cm 以内；2）、支撑系统刚度满足要求，砼浇筑过程中沉陷控制在 2 cm 以内；3）、支撑系统于 2003 年 7 月 30 日前安装完毕，以确保鱼腹式悬挑梁砼 2003 年 8 月底全部浇筑完毕（节点工期）。（三）、目标可行性论证 1、有利条件：1）、任何支撑体系均为型钢作构件组成有限元的结构体系，即可通过钢结构等专用软件实现结构的应力、应变模拟试验；2）、本工程高支撑体系研制得到了清华大学土木工程系结构工程研究所黄李骥博士以及东南大学郭正兴教授等技9、术指导，并担任本小组顾问；本小组技术力量强干，集我公司以及会议展览中心项目部技术骨干组成，不含技术顾问其中高级工程师 6 名（含教授级高级工程师 1 名）；3）、得到工程有限公司、集团有限公司等单位积极参与，实行“强强联合”。2、不利条件：1）、工程量大，工期紧迫；2）、安全隐患多；3）、需投入大量人力、物力。综合以上情况，经过客观分析，本小组一致认为：五、提出方案，确定最佳方案（一）方案的提出 在开工之初，围绕课题，小组成员通过“头脑风暴法”集思广益对其高支撑模板方案进行讨论，按支撑结构形式归纳共提出四种方案及其立面图如下：1、格构式钢框架支撑体系 2、万能杆件组合支撑体系 3、悬挑式桁架梁10、支撑体系 4、悬挑式钢拉索支撑体系 图 3 四种方案立面示意图（二）方案的分析、评估及选定 1、方案一的分析论证 采用钢结构桁架支撑平台与钢管排架相结合的办法。具体施工方案是在0.00 结构或地面上浇筑混凝土基础，竖钢结构的型钢格构柱，于柱顶上沿纵向架设钢结构的桥式型钢桁架梁，在桁架梁上沿横向平铺工字钢梁，其中有一端直接附着在主体结构的 30m 楼面上，再在工字钢平台上搭设支撑 45m 层的满堂红钢管排架支撑系统，来解决 45m 的高支模体系。其平面（单跨）、剖面示意图如下图：由格构柱、桁架梁等构成平台梁直接支撑脚手架体系，荷载通过钢管排架传递给桁架柱和桁架梁；再传递给基础。由于设置了水平杆及11、剪刀撑，为施工平台提供足够的刚度，以抵抗水平荷载或把水平荷载可靠地传递给相邻的混凝土结构。该方案具有：安全可靠，万无一失；传力明确，受力合理；施工便捷，实施可行；工厂制作，现场拼焊；定型稳定，工期缩短；型钢可回收利用，造价低，经济性好；柱距达 10m，汽车可直接通行，便于大型设备等进场、安装 经研究分析对比，该悬挑梁下型钢格构柱及纵向桁架梁组合的钢框架支撑体系是比较安全、经济的做法，通过小组成员的讨论，认为此方案能满足要求。2、方案二的分析论证 钢制万能杆件又称拼装式钢脚手架，可以组成桁架、龙门架等多种形式，通过选用基本单元为22m的万能杆件组合成柱、平台梁，把施工平台传来的荷载传递给基础，施12、工平台能够达到足够的刚度。万能杆件拆装容易，运输方便，利用效率高，可以大量节省辅助结构所需的钢管及木枋等，适用范围较广。其平面（单跨）、剖面示意图如下图：该方案具有：安全性高，隐患较少；节点受力，传力明确；施工便捷，实施可行；杆件定型，现场拼装；杆件可反复使用，造价低，经济性好；立杆间距 2m，小推车可以进出，但不便于大型设备进场 通过以上分析，我们认为第 2 种方案虽然基本满足要求，但由于杆件使用量大，深圳乃至周边地区短期无法供应；同时，由于立杆间距小，不便于大型设备进场穿插施工，影响后期施工进度，不宜采用该方案。3、方案三的分析论证 悬挑式桁架梁支撑体系是由德国 GMP 公司（设计院）建议13、的，利用+30.0m 钢筋混凝土结构楼面拼装、滑移悬挑式钢结构桁架梁平台，但每间隔 60m（纵向每两跨）均有核心筒影响，并且 EF 轴跨间设有光井，支撑体系先拼装，后施工核心筒严重影响主体结构进度；技术上悬挑式桁架梁端部受力变形大；由于梁下净高 40.0m，安全隐患多，经测算费用与第 1、2 种方案比较还高，吊装、拆除均占主体结构施工工期，严重影响 2004 年第六届高交会在会展中心召开。悬挑式桁架梁支撑体系立面示意图如下：该方案具有：传力明确，但端部挠度偏大；型钢用量大，增加造价；跨内设有核心筒、光井，严重影响主体结构施工进度；安全隐患多；现场需 30m 楼面结束后进行桁架梁拼焊，严重影响工14、期。因此该方案不能采用。4、方案四的分析论证 悬挑式钢拉索支撑体系是在悬挑式桁架梁支撑体系思路基础上改进，通过增加两道斜向钢拉索与钢桁架梁共同承载。在初步构思方面：减小钢桁架梁尺寸，降低造价；除解决了悬挑式桁架梁端部变形外，但须待 30.0m 以上空腹钢筋混凝土柱先施工，并达到设计强度后才能张拉斜向钢拉索，必要时两柱间 40.0m左右增设水平拉杆（索）。悬挑式钢拉索支撑体系立面示意图如下：该方案具有：传力明确，但须 30m 以上空腹砼柱有强度，才能承载；柱根部抗弯增大，钢筋用量相应增加；钢拉索张拉不便检查；安全隐患多；造价高；桁架梁现场拼焊，严重影响工期。因此该方案不能采用。其四种方案优（缺）15、点归纳汇总如下表：方案的分析、评估及选定表 表 2 方案的分析、评估及选定表 表 2 序号序号 支撑体系类型支撑体系类型分析其优（缺）点分析其优（缺）点 方案选择方案选择1 格构式钢 框架结构 支撑体系 安全可靠，万无一失；传力明确，受力合理；施工便捷，实施可行；工厂制作，现场拼焊；定型稳定，工期缩短；型钢可回收利用，造价低，经济性好。柱距达 10m，汽车可直接通行，便于大型设备等进场、安装 可采用可采用2 万能杆件 安全性高，隐患较少；节点受力，传力明确；不采用不采用组合支撑 体系 施工便捷，实施可行；杆件定型，现场拼装；杆件可反复使用，造价低，经济性好。立杆间距 2m，小推车可以进出，但不16、便于大型设备进场 3 悬挑式桁 架梁支撑 体系 传力明确，但端部挠度偏大；型钢用量大，增加造价；跨内设有核心筒、光井，严重影响主体结构施工进度；安全隐患多；现场需 30m 楼面结束后进行桁架梁拼焊，严重影响工期。不采用不采用4 悬挑式钢 拉索支撑 体系 传力明确，但须 30m 以上空腹砼柱有强度，才能承载；柱根部抗弯增大，钢筋用量相应增加；钢拉索张拉不便检查；安全隐患多；造价高；桁架梁现场拼焊，影响工期。不采用不采用制表：蒋 杰 复核：徐 锋 日期：2003 年 2 月 16 日（三）、确定最佳方案 由此可见，通过对比分析：第 1 种方案一致评为最佳方案。即：即：采用钢结构桁架支撑平台与钢管排17、架相结合的办法。具体施工方案是在0.00 结构或地面上浇筑混凝土基础，竖钢结构的型钢格构柱，于柱顶上沿纵向架设钢结构的桥式型钢桁架梁，在桁架梁上沿横向平铺工字钢梁，其中有一端直接附着在 30m 的主体结构上，再在工字钢平台上搭设 45m 层的满堂红钢管排架支撑系统，来解决 45m 的高支模体系。六、问题假想预测 （一）格构式钢框架结构支撑系统流程图（如下：）（二）问题假想预测 我们组织小组成员调阅报刊、杂志、互联网，对有关高支撑方面所发生的质量（安全）事故进行收集，通过对钢管脚手架高支撑模板体系特大事故进行筛选，以防支撑体系出现类似问题，主要原因归纳如下：1、施工专项方案不合理，主要体现在：由18、于设计受力模型不正确，如铰接按刚性框架设计；材料选用不正确，致使构件自由长度偏长而受力失稳；构造措施不全面，致使架体侧向刚度不足而受力失稳；2、基础承载能力不明确，主要体现在：原土或回填土地耐力不足，构件不均匀沉陷，出现架体失稳；回填土不密实；承载范围未硬质化，经雨水浸泡，承载力降低；3、操作过程中未按规范以及批准的方案实施，主要体现在：节点连接不满足要求；构造措施如水平拉杆、剪刀撑不满足要求；三维构件间距不满足要求；等等 七、确定对策 通过上述问题假想预测所归纳的几种原因，结合格构式钢框架结构支撑的系统流程图，制定实施对策如下表：对 策 表对 策 表 表 3 序 要求 对策 目标 措施 地点19、 时间 负责人 1 建立应力应变模型进行深化设计 建立应力、应变模型通过不对称加载分析，进行力学计算、构件验算等 解决实际施工不对称加荷垂直度偏差以及自由长度偏大、加强节点刚度，减小应力 1、以清华大学科研所为技术依托，重新运用有限元分析软件进行深化设计；清华大学土木工程系研究所2003 年 35月 张立新 吴碧桥 俞红阳 2、增设水平杆及垂直剪刀撑桁架梁；3、在格构柱两侧加大节点板厚度及尺寸。现场 2003 年 47月 徐锋 卞国祥 蒋杰 2 确保地基承载能力 地基调查、进行验算，确定是否加固 避免基础下沉的负面影响 1.现场定位放线，勘察地基，并进行密实度检测和验算 2.通过验算结果确定是20、否加固 现场 2003 年 56月 朱国梁 褚文早 郭志良 3 确保制作以及 拼装焊接质量 实现制作、安装全过程控制 确保拼装焊接质量及多方验收合格 1.委托专业厂家制作、安装，2.检查杆件尺寸 3.检查搭接焊长度 4.现场检查垂直度等车间 现场 2003 年 67月 申华 赵荣 陈庆 4 确保支撑体系侧向稳定性 检查连墙件以及水平拉杆、水平、竖向剪刀撑 确保支撑体系整体的稳定性1.楼面连接板预埋的复核、补强 2.检查、校正水平杆3.检查、校正水平、现场 2003 年 67月 徐锋 俞红阳 蒋杰 竖向剪刀撑 制表：蒋 杰 复核：张立新 日期：2003 年 3 月 说明：+30.0m 平台以上（21、45m 层鱼腹式预应力梁下）采用组合钢管柱满堂脚手架支撑体系，由于在 7.5m、15m、30m 等楼面结构施工时得到验证，故在这里不作专题论证。八、对策实施 实施一：（分两步骤）步骤一：建立应力、应变模型通过不对称加载分析，进行深化设计，设计部分由张立新、吴碧桥、俞红阳执行。步骤二：现场连墙杆埋件等措施由徐 锋、卞国详、蒋 杰落实实施 实施二：地基调查、地基承载验算，确定是否进行地基加固，由朱国梁、褚文早、郭志良执行。实施三：实现制作、安装全过程控制，以提高拼装、焊接质量，由申 华、赵 荣、陈 庆负责执行。实施四：定期/不定期检查连墙件以及水平拉杆、水平、竖向向剪刀撑等构造杆件，由徐 锋、俞红22、阳、蒋杰执行。其格构式钢框架结构全景及局部放大详见下页图 11、12：拆模后悬挑预应力钢筋砼梁外貌见图 13：九、总体效果检查对比（安全、工期、经济等效益）1、安全方面：通过定期沉降观测，基础未出现不均匀沉陷现象，砼浇筑后最大沉陷值为 0.5cm；使用经纬仪定期观测竖向构件的垂直度，砼浇筑后的钢框架侧向最大变形为 2.5cm；本工程施工阶段无发生任何事故。2、进度方面：原计划 2003 年 7 月 30 日支撑体系结束，实际 4-8 轴于 7 月 12 日提前 18 天；8-16轴于 2003 年 7 月 26 日提前 4 天。（4-8 轴于 8 月 12 日提前 19 天移交钢结构进行会议中23、心屋面吊装；8-16轴于 2003 年 8 月 30 日如期移交。）3、穿插（交叉）施工：确保了预应力施工安全防护；由于格构柱柱距达 10m，不占施工通道，风管、扶梯等大型设备及材料可通过汽车直接运到目的地，进行安装。4、经济效益：5、社会效益：深圳会议展览中心钢筋混凝土主体结构工程获得深圳市建设局及建筑工务局等主管部门一致好评，我公司得到周边房地产开发商的青睐，成功地签订了中心区的南方国际广场（25/30 层商住/写字楼 4 栋，54 层高档酒店 1 栋，总建筑面积 13 万平方米，合同价为 1.891 亿元）等工程的承建合同。小组活动自我评价小组活动自我评价 十、总结及巩固措施 我们小组对24、这次 QC 攻关活动认真总结，并参加了扬州市建工系统 QC 小组活动成果发布交流会，荣获一等奖；并荣获 2004 年度深圳市建设工程优秀质量管理小组一等奖（第一名）；2004 年江苏省工程建设优秀QC 小组活动成果一等奖（第一名）。结合三合一体系重新编制体系文件，公司技术质量处将此高支撑体系标准化，纳入公司新版作业指导书模板分项（OD-C-5-1）中，并拟在我公司新承建最大住宅项目-红树西岸商住楼（17 层悬挑梁）推广应用。通过本次 QC 小组活动，达到了预期的效果，取得了显著的经济效益和社会效益；提高了小组成员的科技创新能力。在装修工程施工中，我们需进一步加强施工组织协调，加大质检力度，集思广益，再度提高，确保第六届高交会如期在会展中心顺利召开，并早日实现工程质量“鲁班奖”目标（合同要求）。