原标题：新建天津西站站房工程结构施工关键技术研究
一、立项背景
天津西站站房工程屋盖结构采用双向空间弯扭箱型断面钢构件组成的大跨度联方网格单层筒壳结构，跨度114m,净空57m,由72榀交叉大拱和端部的2榀弧形大拱构成，用钢量近13000吨，为国内首次采用。这种交叉箱形双曲变截面造型的结构形式刚度变化大，重量分布不均匀，提升时拱结构的受力状态与安装后的受力状态有很大差异，因而向两侧产生很大的推力，网壳变形大，需要在提升时随时调整构件受力状态和网壳变形状态，使之接近于安装状态。由于提升时每段的48个合拢口要求同步精确对接，传统的测量控制方法不能满足要求，需要有实时高精度测量数据做支撑。工程施工环境复杂，工期紧，钢结构吊装机械的安装受场地限制多，常规安装技术无法在此限定环境条件下实现。轨道层型钢混凝土梁最大截面尺寸为2m×3m,若采用混凝土梁模架的常规支撑设计需要投入大量的支撑材料，而且支搭周转不便，施工效率低。要解决以上问题，在当时的技术背景下没有可借鉴的成功经验，为此我们开展了相关技术研究。
二、项目简介
本项目属于土木建筑工程施工技术领域，以解决新建天津西站站房工程的实际施工问题为主要研究内容。新建天津西站站房是京沪高铁五大铁路客运枢纽站之一，横跨站区24台26线，跨线方向南北总长约380米，总建筑面积223800,站房内最大净空为57米。站房屋盖采用大跨度空间弯扭箱型单层联方筒壳结构，轨道层采用了现浇型钢混凝土框架结构。
项目主要研究课题有天津西站屋盖大跨度空间弯扭箱型单层联方筒壳结构的提升安装技术；构件空间形态和变形实时测量技术；轨道层大跨度型钢混凝土梁模架体系的设计和实施方案； 1100吨米塔吊在轨道层行走时的结构加固技术。
三、详细科学技术内容
1.空间弯扭箱型构件大跨度单层筒壳安装及主动控制提升关键技术
以屋盖两侧拱脚至第一分叉节点为界，将筒壳分为三部分，拱脚至第一分叉节点直接拼装；筒壳中间部分从北至南分为三段在楼面拼装，然后整体提升。屋盖提升安装过程中，通过采取高精度拼装、设置预应力张拉体系、编制同步控制软件、引入力学监测、运用三维激光扫描测量等多项主动控制技术对钢结构形态进行预控，顺利完成144个对接口无过渡段高精度同时合拢，使空中对接口到位的偏差值全部≤2mm,达到设计要求。
2.基于三维激光扫描测量的计算机模拟预拼装技术，解决了大跨度筒壳钢结构安装实时测量、数据处理和分析的关键技术问题
天津西站筒壳钢结构安装分三部分，其中中间筒壳提升拼装为动态安装，常规测量存在困难，为此采用了三维激光扫描测量及计算机模拟预拼装技术。提升段与两端拱脚共计有144个对接口，为了保证提升与安装的精确性，在提升前需精确测量出提升筒壳与两端拱脚的空间位置，根据测量数据进行分析比对，通过数据比对，以发现两者之间存在的拼装偏差，并在提升前对上下拼接体进行系统的整体纠偏。因此需要一个系统误差小、快速提供误差数据的参照系统，即计算机模拟预拼装模型。在提升过程中对提升筒壳的约束由胎架转变为提升钢索，提升筒壳和两端拱脚的内应力发生了变化，由此而产生的变形需要用设在提升筒壳上的水平拉索进行纠正，因此在预提升阶段需要对提升筒壳的形态进行实时监测，根据监测数据纠偏机械系统，进行实时调控，实现对变形的主动控制。在提升筒壳安装完成后，为了解筒壳的安全度，需对支撑柱卸载后和屋面幕墙安装完成后两个阶段进行筒壳钢结构的变形状况监测。
为解决以上技术问题，我们主要研究了三维激光扫描测量、数据处理及分析、计算机模拟预拼接偏差分析、扫描变形监测分析等技术，较理想地完成了复杂钢结构安装的实时监测，为精确顺利安装提供了保障。
3.型钢混凝土梁模架体系现场试验研究
型钢混凝土梁一般跨度大、支撑高度较高。由于构件用钢量大，构件结构自重计算数值较大。按常规计算方法，型钢梁模板支撑立杆密集，搭设复杂，材料和人工资源消耗量大。天津西站工程，轨道层模架支撑高度10~13米，沿轨道方向的型钢混凝土梁跨度24米，内设工字形型钢梁两端焊接于钢管混凝土柱。按常规支模设计计算，梁下立杆步距1.2m,横向间距为300mm,纵向间距为600mm,搭设密度大 ;梁底主龙骨需10#槽钢，或100×150 mm木质龙骨方满足要求；与同截面尺寸的普通混凝土梁相比，需要较大的额外投入。为了探索型钢混凝土结构支撑体系的优化，改进支撑设置，节约建设资源，我们进行了试验研究，建立了钢梁承担混凝土自重比例的计算模型，并提出梁内型钢承担梁自重比例的计算方法，应用于轨道层型钢混凝土梁模架支撑工程中，节约了大量的材料、人工及工期。
4. 复杂施工环境下1100吨米超大轨距行走塔吊及大型履带吊、汽车吊在高架候车层作业技术
天津西站站房结构施工期间，站台雨棚、高架桥、站台层以及站场同步施工，且京沪铁路（27500V高压带电线路）运营线始终横穿结构。施工现场多工种、多工序穿插施工，导致屋盖结构安装时，结构两侧无法布置大型的吊装设备，即使可以布置大型的吊装机械，受屋盖结构跨度大、高度高、构件重量大的制约，需要大吨位吊车才能满足吊装要求。基于上述复杂施工环境，我们研究采用了多种组合式起重机械联合作业，并将大型机械设备搬到楼层上施工的方式解决了此项技术难题。
四、创新点
1.解决了大跨度空间弯扭箱型单层联方筒壳安装及提升关键技术问题。
2.基于三维激光扫描测量的计算机模拟预拼装技术，解决了大跨度筒壳钢结构实时测量、数据处理和分析的关键技术问题。
3. 提出了型钢混凝土梁施工工况分析模型及型钢梁与模架分担新浇混凝土重量比例的计算方法。
4.研究高架层结构承担吊装机械移动荷载的可利用因素及相应的设备改造与结构加固技术。
五、应用情况
高精度控制提升安装关键技术在天津西站工程中保障了大跨度空间弯扭箱型单层联方筒壳钢结构屋盖体系最关键的安装提升施工的顺利实施。运用该技术在提升安装过程中精确地做到了实时定位监测、随时控制构件变形，使144个高空合拢口在高精度下（小于2mm）无过渡段顺利合拢，成功解决了直接影响到钢结构整体提升成败的关键问题。该技术获2011年度中国钢结构协会科学技术奖。
三维激光扫描技术作为一种高效的测绘技术应用于天津西站工程，为钢结构构件安装过程随时准确提供定位及变形数据，保证了安装的精准定位及实时变形控制。其在大型复杂结构、构件变形监测及安装领域，将具有极其广泛的应用前景。该技术已于2014年批准为国家级工法。
提出了型钢混凝土梁与模架体系分担新浇混凝土自重的计算方法，鉴于该计算理论和方法，考虑到型钢混凝土梁中的型钢承担了很大一部分混凝土的荷载，在天津西站型钢混凝土梁的工程施工中大量减少了模架支撑体系的投入，经济效益非常显着。同时开发的计算方法软件对于广大工程技术人员来说方便、快捷，具有广泛的市场推广性。
六、经济社会效益
1.本课题四项创新技术填补了国内相应技术领域的空白，对推动行业科技进步意义重大。
2.通过本课题的研究应用，在确保质量和安全的前提下大大缩短了施工工期，为天津西站的使用和京沪高铁全线顺利通车奠定了基础。
3.在施工过程中，始终有京沪正线的运行，本课题关键技术的综合利用，最大限度的减少了对既有线的影响，保证了铁路和市政地铁线路的运行安全。
4.本工程获得了“第十一届中国土木工程詹天佑奖”、“国家优质工程奖”、“北京市结构长城杯”及“钢结构金钢杯”等质量奖项。由于施工的优质快捷，得到了业主的信任和表彰，为企业赢得了声誉，产生了较好的社会效益.
