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施工技术 | 【走近时代工匠】吴欣之:给建筑施工插上创新的翅膀

走近时代工匠

传承奋斗薪火

我国自古就有尊崇和弘扬工匠精神的优良传统,《诗经》有云“如切如磋,如琢如磨”,《庄子》中讲庖丁解牛游刃有余,“道也,进乎技矣”。新中国成立以来,无论是“两弹一星”、载人航天工程取得的辉煌成就,还是许多大国工程的建造,都离不开工匠精神,更离不开继承与发扬这种精神的“时代工匠”。

值此2020家国同庆共团圆之际,“施工技术”推出十一特别栏目:“走近时代工匠”,倾听老一辈工程人的奋斗故事,传承新时代的使命担当。

上海宝山钢铁厂、国内首座大跨径斜拉桥——上海南浦大桥、上海东方明珠电视塔、上海虹桥机场东方航空公司双机位机库、上海8万人体育场、上海浦东国际机场T1航站楼、国家大剧院、广东新电视塔、上海世博会、上海中心等等,一个个万众瞩目的工程书写了他的传奇人生。他就是原上海建工集团副总工程师吴欣之。

给建筑施工插上创新的翅膀

——我的四十年施工生涯

文/吴欣之

转眼间,我们老三届这一代人已是“坐六望七”了。在建筑施工行业摸爬滚打40余载,目睹城市建设在我们手中日新月异。鳞次栉比的建筑群恰似一座座丰碑,矗立在心中,自豪之感愈久愈浓。这里不仅融入了我们的青春年华,也凝聚着我们毕生的智慧和精力,更是闪耀着我们这一代人值得一书的担当精神和创新精神。

我于1974年由崇明农场上调至上海市机械施工公司第二施工队,做了近5年的高空起重工,期间参加了公司举办的施工员培训班。公司总工程师深入浅出的教诲,使我受到了专业的启蒙教育。1978年底随着宝钢工程的上马,我开始从事施工技术工作,1982年转任施工中队长,1984年调任公司副经理,1993年兼任公司总工程师,1998年兼任上海建工集团副总工程师。1981年考入同济大学函授学院的工民建专业。6年的函授教育,使我有机会系统地学习了建筑结构及施工的基础理论知识,具备了一定的专业素养。

或许是得益于5年的起重工经历及边学习边工作的函授生涯,我在实践与理论的双重“熏陶”中成长。公司老一辈“创新”基因的传承,以及老三届一代人的勠力同心,敢作敢为,使上海机施在国内诸多著名工程中不断创新工艺、革新设备,为建筑施工插上了创新的翅膀。

圆梦黄浦江

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在黄浦江上建桥,曾是上海数代人的梦想。80年代末,随着开发浦东的高潮掀起,南浦大桥作为上海市的第一号工程提上议程,梦想变行动。

南浦大桥是国内首座大跨径斜拉桥,上海机施承担的是浦西的主引桥建设。浦西主引桥为直径近300m、螺旋上升的双层环形桥,其桥面主要由150余根最重达250余t的预应力混凝土弧形箱梁组成,该桥型之特殊即使在30余年后的今天,亦罕见其匹,传统的建桥工艺和设备皆难以适应。

在“前无借鉴,后无退路”的挑战面前,上海机施体现了“敢于担当,精于施工”的本色。公司首先将大桥施工策划方案电传至德国起重机生产厂家,咨询300t履带式起重机100%荷载条件下,双机抬吊,负荷行走,设备和技术上是否可行,德方厂商明确答复:“只要是在起重机手册的性能列表范围内的都行。”设备完好,只是其一。路基出了差错,则前功尽弃。南浦大桥西侧桥堍原为一片简易民房住宅区,拆迁后粗做平整即交付施工,成堆的瓦砾下残存的沟坑成了最大的安全隐患。上海机施以建筑垃圾为基材,在平整碾压的基础上,铺设纵横钢走道板,并首次采用起重机带载检验的方法,即模拟吊装工况,全程开行,确保路基强度和稳定。从此,起重机带载验收路基成为我公司重大起重作业时的必要措施。

编制施工组织设计的技术人员在进行施工总平面规划时,又碰到了一个棘手的难题。那么多矩形箱梁放在哪儿预制最合适?起重机双机进跨安装,在跨内预制肯定不行。圆环状主引桥的内侧是数万平方米的场地,应该是首选的预制场地,但位于起重机作业后方,每安装一根梁,起重机就要避让一次,工艺繁复且效率低下。经起重机司机和起重工骨干献计献策,形成了“双机分别径向行走拉开距离,相向回转”,实现箱梁换档的创新工艺,一举攻克了难关,使工效成倍提高,为工程提前完成奠定了基础。

为了落实各项施工措施,我们又一次创新了施工管理模式,首次提出并实行了“吊装令”制度。即在每一跨桥梁安装前,针对路基、设备、索具、人员、构件、指挥通讯等安全施工要素进行专人逐项检查,在检查表上签字确认,再由施工负责人签发吊装令。

通过上述精细的准备工作,加上优秀起重机司机和起重工人的精心作业,以及现场施工管理人员的严格管理,确保了150余根混凝土弧形箱梁的顺利吊装,未发生任何事故。记得当位于路边的最后一根箱梁在极狭小的空间内安装到位时,已是午夜时分。周围围观的居民们竟然点燃了鞭炮,庆贺吊装胜利,场面之热烈感人,至今仍使我心潮澎湃,难以忘怀。这在为施工动迁和不得扰民绞尽脑汁的今天简直难以想象。作为施工现场工程指挥的我,经年的重负终于释放,心中石头落地,就和工人们一起,和衣躺在起重机旁的钢走道板上,酣睡至东方日出。我们向上海人民交出了第一份答卷。

记得在南浦大桥结构贯通的信息发布会上,我曾经把黄山的胜景用来比喻黄浦江大桥西主引桥工程,建设西主引桥的风险,堪比攀爬“天都峰”,步履维艰,但风光无限。当时正值改革开放初期。“没有条件,创造条件也要上”是当时大家一致的信条。我很怀念那一段不平凡的历程和那些不平凡的人。

风中折桂陆家嘴

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上海“东方明珠”电视塔高460m,竖向分布着十余个大小不一的球形结构,寓意“大珠小珠落玉盘”。她曾经是世界第三、亚洲第一高的电视塔,屹立在陆家嘴金融开发区,成为了上海的名片和地标,至今游客盈门,长盛不衰。

回顾“东方明珠”的工程建设,充满了艰辛和挑战,或许用“步步惊心”来形容也不过分。尽管有着“初生牛犊不畏虎”的冲劲,但毕竟面对的是与以往建筑完全不同的高耸结构,距离工程开工又不足半年时间,不少施工方案有待编制和优化,不少创新举措有待试验和验证。真是“逢山开路,遇水搭桥。”

电视塔下部结构为由3个直径6.6m的钢筋混凝土主构架和直径3.75m的次构架组成的人字形斜筒体,筒体圆柱型钢龙骨由上海机施承担详图设计、制作、运输和现场安装。当时的详图设计能力和施工手段与今天不可同日而语,时间紧迫,困难重重。公司技术人员和工人师傅协力攻关,根据运输和吊装能力把构架分段、分片,增加预应力钢棒以提高构架的刚度,工厂制作后分段预拼装;分片解体运输,现场胎架上组拼成件;汽车式起重机、塔式起重机与履带式起重机共用,作业于地下室顶板,双机回直就位,精确控制姿态;经纬仪斜向测量,构架内外互相校核,逐节起拱预变形,消除混凝土施工影响;承重支架和操作脚手架互为一体,最终安全、保质、按时完成施工,夺得首战胜利。

在钢桅杆安装工艺的选择过程中,当时的建工局叶可明总工组织了全局范围内的技术方案竞赛,我公司在王大年总工的主持下,提出的“地面逆装,垂直提升”的技术方案脱颖而出,获得了上级领导和设计院的认可,成为首选方案。当时国内没有类似的穿心式液压千斤顶,必须研发制造。为此,同济大学机械学院的教授们自行设计、完善图纸,开发计算机控制系统,并与广西柳州建筑机械厂合作生产液压提升千斤顶。在我公司的配合下,利用在建的杨浦大桥的桥墩进行单个千斤顶试验,又在“东方明珠”的现场一角,竖起钢架,进行计算机控制多台千斤顶联动调试,时间长达半年,上下几千次,终于实现从无到有的跨越。

设备解决了,但是提升过程中高重心和高空风荷载作用下的桅杆稳定难题又横亘在我们面前。按传统做法,加装接长杆和配重把重心降下来可以解决问题,但这样做要接长数十米杆件并增加450t压铁,总重超900t,提升设备又不能胜任。此路不通,那么改换思路,我们想到利用20束钢绞线在承重时具有的侧向恢复力,在桅杆重心以上增设垂直保持器,与钢绞线束组成柔性导向系统,来解决抗倾覆问题。并立即做了缩尺模型予以验证。桅杆整体提升安装的总体技术路线这才确定下来。

“万事俱备,只忌大风。”大风偏偏就来了。1994年4月30日,当桅杆以每昼夜60余m的速度上升,眼看胜利在望,紧密跟踪气象变化的上海气象台报告,即日起八级大风将光临上海,且将持续一星期。傍晚时分,大风如期而至,工作在300m高空的上海气象台工作人员报告,塔顶350m高度的实时风速已超限定值,达到18m/s。此时,距桅杆登顶只剩下23m。

现场指挥部办公室内气氛紧张。继续提升的话,已超过根据历年气象预报确定的施工阶段风速限值,安全堪虞;停止提升,提升过半的桅杆在大风中长时间悬停,更不安全,真是进退两难。建工局叶可明总工召开紧急会议,机施公司王大年总工拿出了抗风系统设计计算书。由于提升施工阶段选择的极限风速是22.5m/s,因此会议决定继续提升,当超过19m/s时再行研究。然而人尚未走出办公室,高空传来消息,风力已达20m/s。

在高高的塔顶上,党员、干部带头站在风口上坚守岗位,无一退缩,现场紧张有序,斗志昂扬。我始终手扶桅杆,注意风对桅杆稳定的影响,一切正常。到清晨东方既白,附近的高层建筑隐约可见时,我不禁大惊失色。风中的桅杆虽然稳如泰山,但与周围参照物一比,明显倾斜。我急叫停止,查看原因。再仔细一看,放下心来。因为桅杆是迎风倾斜,肯定不是风荷载造成的。经追查,原来是计算机初始采用荷载均衡控制,十分正常。操作人员改用垂直度控制试一试,由于垂直度传感器安装存在偏差,因此造成了桅杆倾斜。找到原因,转为荷载控制后,桅杆又恢复了垂直状态。有惊无险,大家如释重负,笑逐颜开,因为桅杆到顶了。

其时正是1994年5月1日的中午,风虽未止,但阳光灿烂。因为下午4点钟市领导要在上海第一届国际旅游节的开幕式上宣布“东方明珠”桅杆登顶的喜讯,一群记者将连续几十个小时未睡的我团团包围。怎么回答记者的提问,我已无从追忆,只知道自己倒头睡在现场办公室,醒来已是华灯初上时分。

今天,从我家的窗口就可以眺望到“东方明珠”电视塔色彩变幻的婀娜身姿。看到她,就使我想起了那一百多个日日夜夜,想起了手写的成卷成摞的技术攻关计划和施工计划,想起曾经并肩站立在高空风口上的战友们。

“展翅”浦东国际机场

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由法国著名建筑师安德鲁设计的浦东机场T1航站楼,恰似一幅海鸥展翅的宏图,弧形的屋盖由斜柱支承,高低起伏,给人以无限遐想。建筑的创意洋溢着浪漫,建筑施工的创意也同样充满着诗意。

T1航站楼由主楼、高架进厅和登机长廊组成。主楼和高架进厅“屋架节间地面组拼,柱梁屋盖跨端组合,区段整体纵向移位”的方案,借鉴了大型桥梁工程纵向移位施工的相关工艺,充分利用下部混凝土框架的深梁和剪力墙作为平移滑道的支承,在南北两端组拼张弦屋架节间,与斜柱组成立体节间,相向累积滑移至中部,可避免因重型起重机作业于混凝土框架上而对其进行大范围的支撑加固,为结构内其他工序的施工创造条件。长廊“地面组装,四机抬吊,高位负荷,远程吊运”的方案,则充分利用长廊南北的空地,设置屋盖节间的组装场地,沿长廊两侧铺设长达1500m的塔式起重机双轨。

为了验证方案的可行性,我们在精确计算的基础上,又做了可移动缩尺模型,模拟施工工况。经过精心准备,我们专程请浦东机场吴祥明总指挥和华东设计院汪大绥总工观看模型,并详细汇报了方案,得到他们的认可。我们正沉浸在被领导认可的喜悦中,吴祥明总指挥却从整个工程管理合理性的高度,突然提出用300万元购买该方案的技术产权,作为指定方案进行招投标。这真使我们猝不及防。当时我和总指挥还不是很熟,只知他是个“一言九鼎”的长者,严厉是出了名的。但是为了企业能够承担该项工程,我只能婉拒:“该方案是以上海机施的技术和设备状况量身定做的,并不适用于其他施工单位,至于钢结构安装费用可由指挥部提出限额,协商解决。”或许是出于对上海机施的信任,或许是出于对我们方案的青睐,总指挥当即拍板,由王其龙副总指挥与我公司对口协商。我们悬在半空中的心,这才慢慢落下来。我也为自己的扛“鼎”之言暗自庆幸。

登机长廊自1998年1月30日开吊,于当年7月31日完成;主楼及高架进厅于1998年2月28日第一区段平移,至当年6月30日完成。钢结构月最大安装工作量6670t,创造了行业的新纪录。结构安装费用事先与指挥部协调顺利,一方面工程概算得到了有效控制,另一方面,上海机施也因采用创新工艺和高效组织,取得良好经济效益,获得了双赢的局面。

若干年后,巴黎机场发生不测事件。忽一日,建设部主管部门直接打电话给我,询问浦东机场T1航站楼的结构安全问题。我查阅了当时的施工质量资料,均处于优良区间,便回答:“施工质量受控。”事后业主组织的第三方质量复查,也证实了这一结果。钢结构累积滑移安装工艺,似烂漫山花,盛开于建筑行业的四面八方。

“鱼跃龙门”建会展

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广州国际会展中心位于广州市琶洲岛北侧,毗邻珠江,依水而建,建成后将成为享有盛名的广交会的主展场。其建筑设计方案是由日本的日建设计株式会社经国际招标中标的。整个主展厅端立面恰似跃跃欲试的硕大鲤鱼,分头部(卡车通道)、身躯(展览大厅)和鱼尾(珠江散步道)3部分;东入口形如一条巨龙蓄势待发。整个建筑设计寓意“鱼跃龙门”,颇合建设方的心意,或许是日建中标的理由之一。

在竞标阶段,我们和广建集团、东南网架及江南重工等单位组成联合体应标,发挥各自特长,体现强强优势,最终夺标。上海机施负责钢结构安装。根据“因地制宜”的基本原则,针对本工程不同区域的结构类型,制定了相对应的技术路线。寻求江苏永益铸管厂合作,用2台5t的小熔炉合铸大铸件,完善了生产工艺,并制定了包括本体无损探伤、表面裂缝处理、铸造缺陷修复和试件随炉热处理等一整套质量验收细则,填补了当时的技术空白。

在具体组织实施过程中,技术上又作了系列优化。在华南理工设计研究院和杨叔庸院长的全力配合下,对滑移荷载作用下的混凝土结构受力进行详细复核,并进行了必要的调整和加强;在广州大学抗震所和徐忠根博士的支持下,简化张弦索的张拉工序,探索索力测试的新方法,很有成效;研制80t滚柱式载重滑移装置,使得结构在滑移过程中由原来的滑动摩擦变为滚动摩擦,大大减小了滑移时的牵引力;特别是在业主和项目负责人蒙琦主任的支持和果断决策下,根据我们的建议,把原来不属于施工范围的场地及时调整给我们,使得张弦桁架的拼装场地成倍增加,为加快施工进度奠定了基础。

记得2001年的平安夜,广州的市民们还沉浸在圣诞节的喜悦中,我们和广州大学抗震所的徐忠根博士却忙碌在第一榀张弦桁架的预应力张拉试验中。是日夜里,一轮圆月当空,月光如泻,周围一片寂静。我们在距离张拉试验现场不远处,放了几张桌子、几条板凳,就算是试验的指挥室,紧张而又兴奋地注视着有条不紊的试验现场,静候着佳音。当张拉试验的数据陆续传来,果然不出所料时,大家笑得如此欢畅。钢结构正式开吊前的最后一个障碍克服了,我们为圣诞老人的慷慨大方而群起鼓掌。

仅仅过了不到5个月,于2002年的5月18日,我们就完成了17000t的钢结构安装 ,标志着建筑面积达3661780平方米的广州国际会展中心结构封顶。这是建设方和设计、施工、监理等单位团结协作的成果,也是我们向广州市民交出的第一份答卷。

天安门广场展英姿

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在天安门广场建国家大剧院,是周总理等老一辈党和国家领导人十分关注的重大项目,规划、建设过程几经曲折,直到本世纪初才真正提上议事日程。通过国际和国内建筑方案的征集和评选,最终法国著名建筑师安德鲁的巨型椭球状造型的建筑方案获选。

安德鲁建筑师同时也是上海浦东国际机场T1航站楼的建筑设计者。由于他的推荐,上海建工集团才有幸与北京城建集团和香港建设有限公司合作,通过竞标承揽了该项举国瞩目的伟大工程。

国家大剧院的钢结构球壳,经过精细的数学处理后,成为一个与众不同的半椭球体,罩在下部的混凝土结构上。由于中间不设任何支承柱,成为目前国内最大跨度的网壳结构。从壳体内部看去,外露的弧形梁架和环杆,纤细而又精致,给人以不同凡响之感。

由于法国设计方采用的欧洲设计标准,与国内标准不尽相符,我们请当时的同济大学副校长沈祖炎教授的团队进行了详细分析计算,做出了权威结论。在壳体建成后检测得到的结构变形数据与同济大学的计算结果几乎完全一致,我们由衷敬佩沈校长和同济团队的精湛水准。

钢壳体内部布满高低错落的混凝土结构,重型起重机难以开行,给钢结构施工带来极大挑战。浪漫的建筑大师安德鲁挥舞双手给我们表述他的安装构思:“把近百米长的梁架在北京西侧的石景山制作后,通过长安街直运现场,组成球壳后扣在混凝土结构上。”他边说边做了一个单手扣篮的动作,双肩一耸,大事告成。好一个“天马行空”的构想,但具体施工方案的确定,我们还得从“空”中回到地面,脚踏实地地进行。

我们根据现场的实际条件,把原来利用北侧空地组装壳体后平移就位的方案,改为“构件划分单元,多道支撑辅助,跨外多台起重机,对称综合安装”的技术路线。首先是钢结构深化设计工作,把法方的设计图转换为施工详图,并需融合众多的施工要求,在当时条件下是极具挑战的。我们寻求冶金部建筑研究总院上海分院的杨蔚彪院长的支持,他委派了具有丰富经验又极负责任的江声述高工承担此项重任,解决了三维建模和构件设计的种种难题。特别是为了配合施工上要求的反向预变形,在反复验算的基础上,优化了原来法方的方案,改三维反变形为单向起拱,仅梁架末端在制作时作单向调整,既满足设计要求的安装误差控制,又大大简化了施工过程。

钢壳体高精度安装的前提是高精度测量,由于壳体内部高低错落,视线遮挡,难以布置测量的基准网。法方提出的方案是:在壳体四周设置8个测量基站,在壳体外表面布置1350个专用测量棱镜,内表面粘贴万余个测量反光标志,由测量基站上的高精度全站仪进行不间断实时监测,通过与中央计算机联网,将实测数据与理论模型对照,从而控制壳体安装全过程。上述方案近乎完美,在今天看来仍不乏技术魅力。然而,且不说投入的设备费用可观,仅以设置8个能满足通视要求的测量基站来说,有3个基站需设置在东面的人民大会堂屋顶上,西面基站则与老红军和老干部的住宅相扰,北侧更是直接对着中南海的新华门,那里连行人都难以驻足,何谈施工测量。我们曾去人民大会堂有关部门征询配合施工的可能性,结果可想而知。正当我们为测量方案的确定颇费周折的时候,我公司的测量老师傅严玉龙和年轻的测量工程师们,提出了俗称“切西瓜”的测量方法,将椭球壳体分解为基础混凝土环梁和中心环状顶盖的2个水平基准面,以及沿148个弧形梁架的竖向基准面,构成测量基准网,即用水平面控制顶盖和梁架两端的高程;将竖向基准面投影至混凝土结构的顶面,控制构件的径向和环向位置;采用传统的经纬仪和水准仪就能快速定出每一构件单元的精确位置。技术路线的简明可靠,连老外也被折服,使得工程的测量难关得以顺利攻克,真可谓“山穷水尽疑无路,柳暗花明又一村”。

2003年初的北京,正是“SARS病毒”肆虐的时候,全城警戒,交通阻隔。我公司的测量人员却正抓紧利用工地上万籁俱寂的有利时机“大展拳脚”,用近两个月的时间完成了基准网的测设和校核,为国家大剧院的建成奠定了基础。当我驱车千里,赶往北京工地,只见工人和管理人员个个精神抖擞,把与家人长时间隔绝的无奈藏入心底,听到的是完成任务的欢声笑语,闻到的是电饭煲内“羊蝎子”火锅的诱人香味。

“好事多磨”,由于种种原因,北京国家大剧院的建设,历经几个寒暑,但壳体钢结构的安装完全按预定节奏如期完成,获得了业主好评。在工程落成典礼的那个夜晚,彩灯璀璨,莺歌燕舞。我和法国建筑师安德鲁相会在富丽堂皇的大厅里。一张照片,把我们脸上的笑容永远定格在那一瞬间。

风驰电掣建磁浮

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童稚岁月时,《儿童时代》和《小朋友》杂志上科学幻想的子弹头列车风驰电掣的模样,在我的脑海中尚依稀可见。想不到刚跨入21世纪,它就与我们迎面相逢。

上海市磁悬浮快速列车工程,东起浦东国际机场,西至地铁2号线,全长33km,设计时速430km/h,系世界上第一条磁浮商业运行线。上海机施遵循建工集团“科技领先、严格苛求、艰苦拼搏、团结协作、顾全大局”的要求,承担约23km、1712根轨道梁工厂制作过程中的驳运,以及沿线轨道梁的运输、安装和精调工作。

上海机施从第一时间就参加了磁悬浮轨道梁生产基地的设备选型和基地规划。德国方面提供的资料显示,整个生产流水线呈U字形布置。凭着职业敏感,上海机施意识到大型构件在生产过程中的搬运约占整个作业时间的70%,搬运路线越简短越好。因此建议改为“一”字形布置,即原材料自东面进厂,成品梁从西面出厂外运,减少不必要的往返运输和大型构件的调头,使得生产流程简明快捷,堆场空间利用合理;同时又提出“后道工序的加工能力略大于前道工序”的设备配置原则,确保轨道梁生产过程流畅,避免发生中间梗阻。

“工欲善其事,必先利其器。”工程指挥部把整个制梁厂轨道梁的所有搬运、起重设备规划、布置、设计、研制和采购的重任也交给了上海机施。对于几个月以前才听到“磁悬浮”这个神奇名字的我们,这既是信任,更是压力。巨型轨道梁在厂内的搬运,是困扰我们的首个难题。如此庞然大物,在加工制作过程中要几移其身,而且数量多逾千根。尽管上海机施当时正在研制的液压调平搬运机理论上可行,但操作效率较低,难以满足工程进展需要。正在“山重水复”之时,吴祥明总指挥给我们引见了一家意大利专门生产大型特种运输机械的厂商,一经接触,便被他们提供的方案所吸引。他们利用桁架式的大梁,加上3组固定的滑轮组,通过穿走绳数的不同,巧妙地平衡了双跨连续梁吊点的不同反力,既避免桁架大梁挠度的影响,又可精确控制混凝土梁的变形,而且整个系统简明可靠,不易发生故障。技术洽谈、合同签约、付款、设备到港、商检、现场组装,一气呵成。当上海机施的技术人员和工人们在意大利技术人员的指导下,把偌大的移梁机组装成型,正进行调试时,发现电脑程序有问题。意大利技师立即与总部联系,利用电话线把修改好的程序传至现场,解决了问题。这在当时,对网络还不知为何物的我们,不由得啧啧称奇。

自2001年3月1日磁悬浮工程正式开工,至2002年9月25日磁浮轨道梁精调工作顺利结束,这场时间跨度长达一年半的特殊“考试”,检验了上海机施工程技术人员在现代化施工挑战面前卓越的应变能力,扩充和提升了上海机施的核心技术。为了在技术上保证磁悬浮快速列车轨道梁的运输、吊装、测量、精校等施工任务,上海机施设立了多项科研课题,包括“磁悬浮400t、50m两跨连续轨道梁运梁台车的研制”“磁悬浮列车轨道梁厂内吊运工艺及设备研究”“磁悬浮列车轨道梁精确测量和定位研究与应用”“磁悬浮列车主线轨道梁安装工艺和设备研究与应用”等。课题的研究开发与应用实施为上海机施在磁悬浮快速列车轨道梁施工领域成套技术的形成奠定了基础。

磁悬浮技术应用于轨道交通除了高速列车技术外,低速磁浮列车作为新型轨道交通工具,已在日本爱知世博会崭露头角,具有强大的生命力和良好的市场前景。

2002年12月28日,时任总理朱镕基陪同德国外宾乘上刚建成的磁悬浮列车,在蜿蜒起伏的轨道梁上高速运行时,不仅见证了磁悬浮工程的成功,也见证了包括上海机施在内的上海人民的聪明才智和一往无前的精神风貌。

让钢结构屋盖转起来

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上海旗忠森林网球中心建筑结构的概念设计,是日本空间结构专家渡边邦夫的神来之笔。其下部看台为预制装配的预应力混凝土圆台,屋盖部分则是由钢环梁和8个状若花瓣的旋转单元及机械控制系统组成。钢环梁外径144m、内径96m、高7m,为呈倒梯形截面的空间管桁架结构;8个“花瓣”亦为钢管空间桁架结构。其单个“花瓣”的投影面积就相当于4个篮球场,重达180t。渡边先生将整个钢屋盖设计成可开合的结构,一如老式光学照相机镜头的快门,8个“花瓣”通过各自的回转轴和独立的机械驱动设备,在计算机的控制下做同步旋转,实现屋盖的开合。屋盖合起来似“含苞待放”,打开后则“花枝招展”,真是一个美轮美奂的创意。

在业主的有力组织和协调下,我们整个团队立即进入了临战状态。上海机施根据自有的600t履带式起重机的性能,提出了钢环梁分段、“花瓣”整体吊装的技术思路,取消满堂支架,“花瓣”在地面组拼后,可进行模拟旋转调试,合格以后再行安装。该技术路线不仅工程质量易于保证,大大降低技术风险,而且施工进度也明显优于日本三菱重工的方案,得到团队的一致认同。

为了实施上述方案,我们首先对施工现场的平面布置进行了精细规划,根据现场环境条件、钢结构拼装质量要求和施工进度计划,确定钢结构地面拼装胎架的数量和具体位置;根据“花瓣”结构与机械驱动装置精密对接、组合联动、地面调试的要求,设计可转动特种胎架;根据起重机械的性能,确定履带式起重机的停机位置和开行道路;利用塔式起重机塔身和行走装置,以及军用钢便桥结构件,设计跨度60m、起重量200t的双吊点门式起重机,解决“花瓣”结构的水平就位;验算钢环梁分节吊装时的侧向稳定、分段累积旋转滑移时的姿态控制和整体稳定;确定“花瓣”就位和吊装时的吊点数量和位置,验算“花瓣”施工状态的结构应力和变形;设计“花瓣”安装时的高空定位支架和弧形轨道梁的固定支架,满足结构和机械的高空组合;采用全站仪多点测量复核,分时、分阶段测量,消除阳光照射和钢环梁安装误差,确保机械设备的安装精度。

当4000t的钢屋盖在上海机施技术人员的手中顺从地旋转,距离最终位置尚余3m时,进入了预定的精确定位阶段。在综合各测点位置信息的基础上,我们利用“矢量合成”的运算方法、“逐步趋近”的控制手段,在计算机的辅助下向目标冲刺。从起初的10mm误差缩小到5mm,最终达到结构中心与理论中心相差仅3mm。如此高的定位精度,远远超过预定质量标准,使我们欣喜不已。

我们在实践中摸索和创造,用独特的创新工艺和设备,实现了钢结构屋盖的旋转滑移安装,终于让钢结构屋盖转起来了。在向外界介绍这一施工创新案例时,我们形象地把钢屋盖旋转工艺比喻为餐桌上的转台,把8个180t重的“花瓣”喻为一盆盆诱人的菜肴,在144m直径的“圆盘”上根据需要旋转自如。这真是一个恰如其分的比喻,这真是一顿令人难忘的“盛宴”。

上海旗忠森林网球中心可开合钢结构屋盖自2004年11月12日开始安装,至2005年4月27日结构精确定位,2005年6月2日旋转开合一次调试成功,超越了日本三菱6年建成的预期,实现了无与伦比的“上海速度”。质量上也是一次通过验收,特别是数千套精制高强螺栓顺利安装,无一扩孔,体现了技术上的完美和质量上的有效把控。

巧夺天工建南站

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上海铁路南站位于上海市区的西南隅,是上海与浙江及南方各省的重要铁路枢纽。建筑方案经过国际招标,由法国的建筑设计方中标。整个车站的建筑造型状似硕大的飞碟,直径达278m。

为保证整个施工期间铁路的畅通,需多次翻交和更动平面规划。施工现场堪比“孤岛”,运营的铁路更对施工顺序和安全保障提出特殊要求,其条件之严苛,无出其右。鉴于钢结构构件最重达200t,长逾百米,加上现场三面封闭,作业半径近300m,其跨内又是构筑物林立、地下通道密布,火车往来频繁,施工工期又较为紧迫。

经过公司技术人员的多方案比较和反复研究,又一个大胆的想法浮出水面。设计1台大跨径旋转门式起重机,一端支承于车站中央的固定承重支架上,另一端支腿开行于设置在+9.9m的环形平台的圆周轨道上,360°全回转,可覆盖整个施工区域;同时利用唯一的西侧工地作为钢构件堆放和扩大组装场地,由600t履带式起重机定点就位大型构件分段,递送给门式起重机安装。采用上述工艺,封闭的环境限制被规避了,列车在+9.9m平台下开行,也不受任何阻挡。这个想法甫一出现,便使我们精神一振,豁然开朗。

在华东建筑设计院和周建龙总工的支持下,在门式起重机中心支撑处,增加了若干根支承桩;为了避免+9.9m混凝土平台的加固,以及影响下部火车的通行,严格控制门式起重机移动支腿一侧的反力,利用8组分配梁和24个轮子,把荷载扩散至11t/m;为了加快屋盖钢檩条的吊装速度,在门式起重机的中心固定支腿上又加装了1台600t·m塔式起重机。这使我不由自主地想起了小时候“双头马”的神话故事。

为了确保门式起重机研制的安全合理,我们对其张弦式桁架大梁进行了足尺加载试验。记得试验的某天,我正在公司开会,忽然接到试验现场的电话,说张弦索和竖腹杆的节点发生滑移,严重影响桁架的承载能力。我赶到现场,经仔细了解,原来腹杆下端与张弦索用抱箍固定,连接处两侧索的角度差异,会产生导致腹杆滑移的水平力。我们立即“亡羊补牢”,在巨力集团和郑健经理的全力配合下,将原来的整根长索分成3段,腹杆与索改成销轴连接,既确保了系统安全可靠,又避免了经济损失。通过此次试验,使我们更深刻地认识到试验验证工作的重要性。“一切新工艺、新设备、新材料的应用,必须经过试验验证”,已经成为上海机施技术创新的规定程序,成为我们规避技术风险的“护身符”。

上海铁路南站主站屋面钢结构自2004年9月28日开吊,至2005年3月5日完成。一切均按方案顺利实施,不仅工程的安全、质量和工期得到了保证,而且创制特大跨度旋转式门式起重机和创新成套工艺,实现了在主体钢结构安装的同时,沪杭列车往来如常,周边基础设施照常施工。其对整个区域的按时建成和对社会提供的巨大效益是有目共睹的。连该工程的法国建筑师看到如此壮观的施工场面,也为之赞誉有加。上海机施在铁路南站的工程实践,又向机械化施工的创新领域跨越了一大步。

扬帆航海博物馆

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上海中国航海博物馆位于浦东新区东南的临港新城,它的建筑造型恰似两幅洁白高大的风帆,与蓝天相伴、白云为伍,又如太极拳师双手合掌相向而立,临空御风,卓尔不群。帆体为曲面双层钢网壳结构,由边缘箱梁、三铰拱架和双向正交月牙形桁架等组成;两帆相交处采用大型关节轴承相连,并由帆体(金属幕墙)、单层索网玻璃幕墙与边侧玻璃幕墙构成了博物馆的大厅。钢结构总重逾2300t。与三角形的帆体钢结构高和宽相比,其厚度最大仅约3m,施工过程中的侧向刚度极弱;其弯曲倾斜的造型,及空间相交的安装精度以毫厘计,故如何控制施工过程中的安装精度,确保高空精确合龙,是一个难题。

经过对帆体钢结构安装过程的受力分析,我们发现钢结构双层网壳的竖向刚度和面内刚度特别大,只要侧向给予可靠约束,就能确保结构在施工阶段的稳定和较高的安装精度。问题是采用传统的独立支撑,已不能满足结构体系在施工阶段的侧向刚度要求;而2个帆体结构之间的距离达数十米,用对撑来构筑两帆体间的平衡和相互约束也不可能;两帆体之间空空如也,如果采用满堂钢管脚手排架,高近60m,上万吨钢管的搭拆和运输,工程量浩大,且仍未解决大型关节轴承的安装问题。有否捷径,路在何方?

当时正好施工分包中机上海分公司有一批H型钢支撑材料从其他工地退场回到上海,我们获知这一消息,似“旱天遇甘露”。

根据施工工况,在帆体相交点关节轴承下部的三铰拱区域,设计了由H型钢组成的临时框架支撑体系,用预应力钢索作为剪刀撑,增加体系的侧向刚度。充分利用帆体钢结构本身的竖向承载能力和面内的刚度,设计了轻便高效的预应力支撑体系,在保证结构安装精度的同时,也有效解决了施工阶段结构稳定、大风频袭和重大结构件的起重吊装难题。在方案深化过程中,陆续解决了H型钢框架支撑的结构布置、节点构造和预应力施加工艺;支撑体系的安装和拆除方案;帆体双层网壳现场组拼、吊装单元的划分;帆体钢结构的安装顺序和水平支撑的布置;两个帆体合龙方法和大型关节轴承组合件的运输就位、现场拼装,以及单元组合提升安装设备和工艺设计;三维坐标测量工艺及测量基准网和测点的设置;高空安全操作体系的设计等施工问题。

本工程自2007年12月10日开吊,至2008年5月10日完成,支撑卸载过程中,关节轴承的转动角度控制在设计要求范围内,在安全、质量和进度控制方面均取得较好的效果。值得欣慰的是,施工分包的H型钢不多不少,刚够临时支撑框架的组合,大大降低了施工成本,可谓“雪中送炭”;施工过程中数度大风施虐,又恰遇数年不见的冬雪,整个工地银装素裹,正在施工的钢结构依然安然无恙。

上海中国航海博物馆虽然规模不大,却因为“双帆合抱”的别致造型而成为一个隽永的地标和人们观光的场所。

拥抱“小蛮腰”

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2010年的亚运会在羊城广州召开,广州新电视塔银妆素裹,烟花夺目,异彩纷呈,在全国和亚洲人民的面前第一次展现其靓丽的身姿。从此,她成为了蜚声中外的广州市地标建筑,昵称“小蛮腰”。

广州新电视塔位于广州市新城市中轴线和珠江景观轴的交汇处,与广州新城市中心隔江相望,造型好似一尊“少女回眸”的雕塑,亭亭玉立于珠江之滨,超脱不凡。

广州新电视塔的建筑方案由荷兰建筑师马克通过国际招标而中标,它既有别于传统的塔-桅结构,又不同于超高层建筑。其主体结构由钢网格外筒体、凝土核心筒、部分建筑楼层和顶部钢桅杆等组成,钢结构总量50000余t。

在技术标的策划过程中,有3个问题始终困扰着我们。首先是起重机械的配置,其次是施工测量工艺和测量设备的确定,最后是钢桅杆的安装。

针对这样一个高耸结构,结合自身的起重设备资源,我们很快做出了如下部署:在土建混凝土核心筒尚未形成之前,地下室及塔体下部结构选用2台300t履带式起重机吊装,并据此安装2台1200t·m塔式起重机,从吊装覆盖范围和施工进度上均能满足要求。

钢网格外筒的环梁和斜撑本来就是倾斜布置,而由于外筒的扭转,连24根钢柱也呈不等的角度倾斜,整个外筒构件竟然无一件垂直或水平;如此不规则的结构形体,在施工过程中如何精确测量定位,着实令我们困扰不已。当时全站仪虽在建筑空间结构施工领域有所使用,但三维坐标测量在超高层或高耸结构施工中则鲜有所闻。经过与测量工程师反复讨论,最终确定以全站仪和垂准仪为主要测量仪器,通过三维坐标测量来进行精确定位的技术路线。

广州塔的钢桅杆长156m,矗立于+454m的塔顶,远远超过了塔式起重机的起重高度。照搬上海“东方明珠”桅杆整体提升安装的方法,塔内又没有可供组装和提升的空间。我们利用桅杆下大上小的特点,作出了将钢桅杆分成上下两部分,下部钢管格构结构的塔体由塔式起重机分件综合安装,把上部桅杆组装在下截塔体的腹中,即采用套装工艺,再利用计算机控制的液压千斤顶组将上截桅杆整体提升至设计位置,从而打通了这一技术瓶颈。

2006年8月8日,是广州电视塔钢结构开吊的大喜日子。上午10点是正式开吊的时间,而我却突发胸部不适,身边的同事给我含了几颗“麝香保心丸”,才使情况有所缓解。建工集团的领导闻讯立即派了职工医院的领导和医生专程从上海赶来,把我接送回沪紧急救治。我从内心对组织的关爱感动不已,但牵挂的仍是广州塔工地现场千头万绪的工作。八字还没有一撇,多少复杂的技术问题有待研究和解决,我怎么能抛下不管呢?幸得老天眷顾,经过半个月的反复检查和专家会诊,心脏血管虽有堵塞,尚不严重,无需手术。我终于又回到了魂绕梦牵的工地,回到了同事和工友们中间,唯一不同的是身边多了一瓶“保心丸”。

2006年12月31日深夜,正在上海的我,接到来自广州现场的电话,顿使我一夜无眠。电话告知第1根钢管斜柱对接焊接试验的变形监测结果:在焊接过程中由于自重的偏心作用,斜柱增加了10mm的偏斜。虽然该偏差尚在可控范围之内,但第1节柱就有如此误差,几十节柱对接的安装精度和外观质量着实堪忧。元旦的早晨,我立即在电话里和焊接技师王兆根、测量技师严玉龙商量钢斜柱安装采取反变形措施,以抵消焊接过程。记得2009年的5月6日,在广州塔建设各方为结构顺利封顶而举杯祝贺时,老王手握半杯红酒,依旧不露声色地向我缓缓说起,要去医院继续那拖了3个月之久的复查。我顿时如遭雷击,大惊失色。这种事情也能拖吗?我第一时间就很懊悔自己当初说的话。对于这样的搭档,什么话都是多余的,我立即购买了2张当天返沪的机票,把他“押”回上海,在最短的时间内由建工医院淡副院长亲自主刀,把直肠恶性肿瘤割除。记得手术前在医院的小花园里,我们相对而坐,面对凶吉未卜的手术,沉默良久。我想安慰他,半天才说了句:“人的生命有限,但我们所参建的工程,包括广州塔将长存于世。”吉人天相,王兆根的肿瘤病症虽然严重,但手术顺利,欣然康复。不久,他那不屈的身影又活跃在上海中心的工地上。谁说建筑工程只是物质的堆砌,它更是精神的塑造。

业主对参加施工的工人和管理人员的关心无微不至。无论是工人宿舍的防暑降温、登高防滑,还是中秋月饼、现场电影放映,黄总都把这些琐事放在心上,安排得妥妥帖帖,年复一年,从不间断,使得我们这些来自五湖四海的外来建设者,把工地当成了家,热情高涨地投入到各自的工作中去。

怀着对业主的感激,我在塔楼即将到顶时,向业主提出了在塔楼顶增设移动球舱,以提升观光效果的建议,被黄总欣然采纳。经过国际竞标,上海机施和同济大学马人乐老师、卞永明老师,还有上海游艺机公司的林明总工等创意设计的斜卧式摩天轮便应运而生,犹如镶嵌在“小蛮腰”肩上的项链,常年在塔顶上闪烁,吸引着一批又一批游客。据说这一观光项目,已成为广州塔重要的创收来源之一。我在广州断断续续住了四五年,它也是我年届六十的“收官之作”。2009年9月,我终因心血管的堵塞,在广州塔现场会议室突发阵阵背痛,继而进行了心脏支架手术。其时,广州塔的巍峨身姿已卓然挺立在珠江之畔。多年的风风雨雨,给我最大的安慰是:遇上了这么好的业主、设计单位和合作伙伴;在如此险峻的条件下杜绝了重大工伤事故;特别是广州人民对“小蛮腰”的接纳和喜爱,这比什么嘉奖都来得珍贵。

本文原载于《施工技术·资讯》2016年第5期,由于篇幅有限,部分内容有删减。

再次向吴欣之先生表示衷心感谢与崇高敬意!

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作者: ganggouren

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