周口店北京人遗址第1地点 (猿人洞) 保护建筑工程是当前国内在世界文化遗产文物主体上方建造的最大规模的文物保护项目, 经过世界教科文组织批准, 精心论证7年后开始施工, 包括具有防雨遮阳功能的半封闭保护棚、弧形雨篷、栈道和眺望台。保护棚主体结构依山势匍匐而建, 是跨过猿人洞坍塌后形成的峭壁和坑洞 (见图1) 。建筑高度为37m, 纵向水平投影距离约为76m, 横向水平投影距离最大约为55m, 总建筑面积3 728m²。纵向由15根700～1 100mm大直径钢管构成, 由根部向上先张开后收缩, 形成梭形结构。上部和下部分别设置8, 13个球形铰支座作为整个结构的支撑体系, 上、下铰支座间高差约为33m。横向两侧均为开敞、悬挑结构, 无支撑体系。

1) 施工现场为重点文物单位, 施工过程严禁破坏现场文物。结构主体位于被保护文物的正上方, 施工场地布置受限。施工现场是4A级景区核心区, 游客游览影响现场施工。

2) 现场条件复杂, 山体植被密集, 道路弯曲狭窄, 施工条件特殊, 下方有文物、峭壁、树木、枯叶厚草, 火灾隐患大。施工场地高差大, 最大落差30余m, 且部分区域人员无法到达, 高空坠落防范尤为重要。

3) 单层网格结构造型复杂, 曲线不规律, 曲率连续变化, 结构平面质量布置不均匀, 施工过程中结构局部容易产生偏心荷载, 出现施工过程中的失稳状态。

4) 空间曲线构件坡度大、双向跨度大。依据现场条件限制分段后, 单体构件质量大, >20t, 跨度大, 达39m。吊装过程要注意设置合理的吊点、就位后设置第3点支撑, 防止构件失稳。

5) 现场通视条件差, 采用多站点附合导线测量方法, 布置足够多的控制点, 方便施工过程测设。单根主管为空间三维多次变化, 加工、拼装、吊装精度控制难度大。

现场为山地自然地貌, 山顶有著名的山顶洞遗址, 结构周边地势起伏, 仅山脚下有可存放构件的场地, 构件存放和拼装场地有限, 吊装机械仅可到达山脚位置。经多种方案比较, 采用设置临时支撑、构件高空拼装的方案。

经过对自然地貌条件进行甄别, 选择所有可设置支架的位置, 经分析后构件长度仍约40m, 吊装难度大。构件采用公路运输, 运输条件将主管加工长度最长限制在12.5m。构件分段断口位置遵循“变截面位置优先、主管分段最少”的原则。吊装前, 需将运输单元在胎架上拼装为吊装单元。

施工机械选用2台塔式起重机 (M12575型和C7050型) 设置在山脚下位置, 全覆盖结构区域, 同时覆盖山脚下门口堆料场区域。解决了山顶部位吊装和上山道路不能满足构件运输的需求。

单层网格结构的特点是在未形成结构整体前的受力状态与设计状态差别很大, 施工方案要确保在施工过程中每个步骤的结构安全。杆件连接采用相贯口连接, 相贯口的半刚性连接节点计算理论目前尚未形成统一标准, 施工模拟计算采用全刚性连接简化计算, 计算结果的有效性征得原设计院的认可。在预设数个不同施工顺序的情况下, 对每个吊装步骤的施工模拟计算结果进行对比分析, 找出合理的施工顺序和卸载顺序。

弧形构件钢管壁厚10～55mm, 且厚壁管偏多, 采用中频热弯在工厂加工完成 (见图2) 。

采用中频弯管机加热, 根据不同管材材质设定相应的温度, 经过中频感应加热后采用风冷成型。加热前, 在产品上设置现场控制点标识 (洋冲眼) , 保证控制点在加工和安装阶段的统一, 以便构件的精度控制。产品成型后采用角度尺、卷尺、卡尺, 对弯管的口径、弦长、弦高及角度进行测量, 或采用模板、放样等对弯管进行检测, 尤其是控制点的校核和标记。工厂对所有弧线进行初步预拼装, 检验合格后准许出厂。弯管加工流程如图3所示。

施工现场地面拼装时, 调整吊装单元空间位置, 根据空间管构件地面平衡放置时至少3点着地的原理, 确定吊装单元的拼装姿态, 在CAD软件中转换坐标系, 读出拼装单元控制点相关数据, 确定拼装胎架位置及高度。

拼装测量时, 使用全站仪三维测量技术进行零件定位拼装, 使用坐标投影法对拼装完成的吊装单元进行校核。拼装流程如下。

1) 设置吊装单元拼装胎架 (见图4a) 。

2) 吊装构件, 根据控制点数据在胎架上调整构件位置 (见图4b) 。

3) 继续吊装构件, 根据控制点数据在胎架上完成构件拼装 (见图4c) 。

4) 利用坐标投影法校核。

5) 焊接吊装单元 (见图4d) 。

1) 安装最中间4组标准节支撑。完成标准节支撑的缆风绳固定, 并在相邻2个支架间张拉缆风绳。

2) 安装4段主杆。

3) 安装4段主杆之间丰字形构件 (次杆及中部主杆牛腿) 。

4) 主杆件贯通。

5) 安装其他主杆及局部次杆, 中部区域成型。

6) 安装西侧标准节支撑对应的主杆和丰字形构件, 西侧主杆贯通。

7) 西侧构件安装完毕。

8) 安装东侧支架和主杆。

9) 安装东侧丰字形构件, 主杆贯通。

10) 安装东侧其他主杆件。

11) 安装其他次杆, 直至杆件安装完毕。

12) 拆除标准节支撑。

结构下方是原有植被, 植被以柏树为主, 油性分泌物易燃且不易被扑灭, 落叶枯草枯枝等易燃物在焊接作业点的正下方;部分区域为落差30m的峭壁, 作业人员无法到达;施工季节处于冬季和春季, 天干物燥, 这些因素带来的消防隐患是施工管理的重中之重。为此, 制定的消防措施如下。

1) 组织管理措施成立以项目经理为首, 包括生产经理、安全员、作业焊工、看火人和专职消防水负责人的组织机构。建立作业前检查消防水、作业中喷洒消防水、作业后值守的制度。

2) 采用大型封闭式接火吊架, 有效控制电气焊火花掉落。

3) 施工前清理杂草、枯叶, 在结构四周清理出1道防火隔离带。每日作业前将消防水打开, 消防水龙带接至作业地点, 先喷水将作业区域易燃物湿润, 保证看火人员随时可以将消防水喷出, 安全员做班前消防检查记录。专职消防水负责人检查消防泵房水压, 不足时随时补压。其他工人下班后, 安全员、专职消防水负责人、看火人晚0.5h下班, 将作业点逐个检查一遍, 并做检查记录。

4) 项目经理督导严格落实消防制度, 消防效果明显, 没有发生一起火灾事故。整个工程施工完毕后达到“柴禾上点火作业不着火的目标”。

在文物上方施工是有别于其他建筑工程的最大特点。本工程开工前文物专家刚完成猿人洞的抢救性发掘, 出土可鉴定标本上万件。施工过程不能对文物有扰动, 否则整个工程就失去保护意义, 将“坚决不能因实施保护工程而破坏文物”“宁可不干也不能破坏文物”理念贯彻到每个施工人员。

为有效监控施工过程的扰动程度, 开工前进行塔式起重机作业时对地面扰动的试验, 通过结果分析, 吊物落地的扰动波是主要因素, 扰动能量随距离的增大而衰减, 因此在场地布置上, 使拼装区和构件存放区远离文物区。文物区内支撑架下设置路基箱扩大接触面, 路基箱下为自然土地面, 可以吸收扰动波。施工作业不对文物区地面做任何改变。在支架下方设置应力、应变实时监测点, 监测数据直接传至数据中心, 整个工期内无超警戒数据记录。

施工现场有独立的2套监测体系:全站仪空间定位和变形测量体系, 实时应力应变、实时位移监测体系。2套系统最终的位移监测结果基本吻合。

1) 全站仪测量体系根据大地坐标系布设现场控制点建立现场相对坐标系。应用在构件拼装、构件吊装、网格卸载过程的位置定位和变形监测。构件拼装定位已介绍, 构件吊装定位以现场控制点为依据 (见图6) , 全站仪直接控制构件表面的控制点坐标与设计坐标值吻合。构件表面控制点和拼装时使用的控制点为同一个体系点、不同的坐标系。网格卸载位移监测, 主要是在卸载过程中监测控制点的数据变化。设计给出网格自重状态下的最大挠度值为251mm, 最终监测结果为187mm。

2) 实时监测体系在网格结构表面、支架、基础和文物表面设置监控点 (见图7) , 监控应力、应变, 传输至监控中心, 并保存监测数据, 形成各点位的变化曲线, 预先设定预警值, 超过预警值后报警。应力监控点位置为:支架上部钢管位置点、挠度较大位置点、应力较大位置点和施工过程中应力大位置点。

对于造型复杂的大跨度变曲率空间网格结构, 施工前应充分理解设计意图, 详细划分结构组成, 结合现场条件制订经济、合理的施工方案。施工过程的MIDAS模拟计算, 确保了结构的安全性、适用性。塔式起重机的振动监测试验、实时位移监测的实施、严苛的消防制度的落实确保施工过程中文物安全。对周口店北京人遗址室外网格结构施工方法的介绍, 为后续大跨度变曲率空间网格结构施工和文物保护工程的钢结构施工提供了参考及借鉴。