空間多向曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)綜合施工技術(shù)

空間多向曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)綜合施工技術(shù)

何雙紅¹ ，房大偉²，唐坤³，曹剛⁴

（陜西建工第十建設(shè)集團(tuán)有限公司，陜西 723000）

[摘要]：   空間多向曲面的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的多個曲面鋼結(jié)構(gòu)安裝采用模塊化精準(zhǔn)定位法，優(yōu)化構(gòu)件尺寸及端面焊接角度，通過階梯型操作平臺，完美實(shí)現(xiàn)各構(gòu)件的流線性組拼。玻璃面板安裝利用弧形調(diào)節(jié)件，精準(zhǔn)調(diào)整頂面玻璃板塊安裝角度，最終實(shí)現(xiàn)多曲面的最佳效果。

關(guān)鍵詞：多曲面網(wǎng)殼；模塊化；焊接角度；弧形調(diào)節(jié)件

引言

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是以穹頂結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)理念而衍生的一種空間桿系結(jié)構(gòu)，系以桿件為基礎(chǔ)，依據(jù)殼體結(jié)構(gòu)布置，有規(guī)律的組成空間網(wǎng)格，形成了空間構(gòu)架，其造型優(yōu)美，線條流暢，能夠完美的解決大跨度空間的復(fù)雜結(jié)構(gòu)造型，在工程得到了更多的應(yīng)用，通過對整體穩(wěn)定性、鉸支座的精準(zhǔn)計(jì)算，達(dá)到結(jié)構(gòu)的安裝可靠性，施工過程中需依據(jù)受力特點(diǎn)進(jìn)行模塊式組裝，減少誤差，最終實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)完美安裝。

1.項(xiàng)目概況

楊凌自貿(mào)大廈項(xiàng)目位于楊凌CBD區(qū)，是政務(wù)辦公服務(wù)中心和跨國涉農(nóng)企業(yè)辦事公共資源服務(wù)中心，也是一座打造“一帶一路”的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)國際合作中心。項(xiàng)目總建筑面積約83606㎡，分塔樓和裙樓兩部分，塔樓24層，裙樓5層，外立面為弧形玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，裙樓大廳屋面采用了空間雙向曲面結(jié)構(gòu)，曲面圍繞主樓流線型布置，各曲面呈L型排布，高低錯落，如同盛開的花瓣，多向采光，實(shí)現(xiàn)了綠色節(jié)能與造型的完美融合。

2.項(xiàng)目特點(diǎn)

空間多向曲面單層鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的邊緣由多段不規(guī)則弧形組成，最大跨度為35m，最高點(diǎn)高度為22m，建筑投影面積約1960㎡。該結(jié)構(gòu)造型由邊緣梁和鋼箱體組件組拼而成，形成高低不等的多向曲面造型。

圖2-1 建筑全景圖

圖2-2   空間多向曲面分析圖

3.結(jié)構(gòu)參數(shù)

邊緣混凝土結(jié)構(gòu)梁外邊緣24個固定鉸支座，內(nèi)邊緣12個雙向滑動鉸支座，網(wǎng)殼鋼構(gòu)件通過支座與結(jié)構(gòu)梁連接。網(wǎng)殼邊緣線型構(gòu)件由弧線段鋼圈梁和兩端直線段鋼圈梁組成。

注：ZZ-1為固定鉸支座   ZZ-2為滑動支座

圖3-1   支座布置圖

（1）邊緣弧線段：800×400×40mm直線型鋼箱梁，長度不等與結(jié)構(gòu)通過鉸支座鉸接；

（2）直線段：480×220×22mm鋼箱梁，長度不等，懸挑狀態(tài)；

（3）網(wǎng)殼內(nèi)部：三角型焊接組拼，350×120×12mm、350×120×14mm鋼箱梁。

（4）曲面桿件組拼節(jié)點(diǎn)的標(biāo)高如下表：

表3-1各項(xiàng)曲面參數(shù)表

4.主要施工技術(shù)特點(diǎn)

（1）網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件優(yōu)化設(shè)計(jì)。應(yīng)用Tekla等專用鋼結(jié)構(gòu)建模軟件，確定箱梁桿件長度為1.3～1.8m，共計(jì)2063根桿件，1079個節(jié)點(diǎn)；依據(jù)弧度要求，各箱梁桿件兩個斷面采用不同角度的坡口設(shè)計(jì)，并確保焊接后在一個平面上。

（2）應(yīng)用BIM技術(shù)，明確桿件長度和坡口角度，繪制施工圖，桿件是非標(biāo)尺寸的鋼箱體，經(jīng)鋼材廠和專業(yè)加工廠加工。采用相貫線切割加工工藝，進(jìn)行坡口切割，經(jīng)防銹底漆處理，依據(jù)標(biāo)高進(jìn)行編號運(yùn)至現(xiàn)場。

（3）根據(jù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為多項(xiàng)曲面結(jié)構(gòu)，采取了高空散拼逐個曲面安裝。

5.網(wǎng)殼安裝

（1）跤支座及調(diào)平板安裝

    主體施工時預(yù)埋的鉸支座錨板。為減少誤差，錨板上加裝600×600×100mm厚調(diào)平鋼板，板上留置9個孔徑40mm孔洞，便于電弧焊融透填塞焊與原預(yù)埋錨板焊接，焊縫高度不小于板厚。裙樓24個固定鉸支座，塔樓部12個雙向滑動鉸支座與調(diào)平板焊接連接。

（2）圈梁安裝

鋼圈梁長度約1.8m箱體，內(nèi)部按間距200mm設(shè)豎向14mm厚加勁肋。邊緣圈梁與鉸支座之間設(shè)置微調(diào)板，調(diào)節(jié)圈梁的標(biāo)高，保證圈梁的標(biāo)高統(tǒng)一。圈梁施工時，應(yīng)從一端向另一端依次順序連接，且同一鋼梁不能兩端同時焊接，防止鋼梁因焊接產(chǎn)生的溫度應(yīng)力而變形。由于鋼圈梁與結(jié)構(gòu)完成面間距較小，底部焊縫無法施工，采取在鋼圈梁的頂部端頭預(yù)留300×300的臨時洞口，待底部焊縫施工完成并焊縫檢測合格進(jìn)行封洞處理。

（3）搭設(shè)操作平臺

根據(jù)工程特點(diǎn)，鋼網(wǎng)架采用高空散拼安裝，網(wǎng)架下搭設(shè)加強(qiáng)型鋼管滿堂落地腳手架。按網(wǎng)架體量，分為三個曲面施工區(qū)域。操作平臺搭設(shè)高度依據(jù)各區(qū)的三維坐標(biāo)點(diǎn)呈階梯型搭設(shè)，立桿縱橫間距0.9嗎，按加強(qiáng)型布設(shè)剪刀撐。每層架體立管距離鋼構(gòu)件下口預(yù)留30-50cm空間，作為鋼構(gòu)件安裝時的操作空間。操作平臺承載能力為200—250kg/㎡，可用于臨時堆放少量鋼構(gòu)件和施工作業(yè)人員操作。

（4）桿件安裝

桿件安裝依據(jù)曲面區(qū)域進(jìn)行，先主梁后次梁進(jìn)行逐個區(qū)域組拼安裝。施工前，將相對坐標(biāo)引至操作平臺上進(jìn)行標(biāo)記，桿件焊接施工時再使用經(jīng)緯儀按此坐標(biāo)點(diǎn)所對應(yīng)的垂直高度進(jìn)行定位，用架管做臨時支撐。

由于網(wǎng)架為曲面構(gòu)造，按照深化圖紙起拱點(diǎn)設(shè)置在節(jié)點(diǎn)處。根據(jù)曲面分區(qū)，先施工主梁，待主梁對接焊縫檢測合格后，再進(jìn)行次梁的施工。施工時，依次曲面一—曲面二—曲面三。   每個曲面的安裝順序應(yīng)根據(jù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的類型、受力和構(gòu)造特點(diǎn)、施工現(xiàn)場情況等因素綜合確定。拼裝順序應(yīng)能保證拼裝的精度和減少累計(jì)誤差。焊接節(jié)點(diǎn)采用架管臨時支撐，支承點(diǎn)布置可按網(wǎng)殼曲面劃分區(qū)域的安裝順序進(jìn)行，臨時支承點(diǎn)布置應(yīng)均勻，保證剛度和穩(wěn)定性。支承支架的接頭變形、彈性壓縮等因素引起的總沉降控制在5mm以下。節(jié)點(diǎn)焊接逐榀焊接，逐榀檢查復(fù)核標(biāo)高、撓度、節(jié)點(diǎn)偏移量，及時糾偏，減少誤差累積。

3）網(wǎng)架安裝的誤差控制

由于鋼網(wǎng)架采用鋼管腳手架操作平臺進(jìn)行網(wǎng)架安裝，在每安裝完一格網(wǎng)架需要進(jìn)行一次測量，鋼網(wǎng)架的安裝過程中必須時刻測量和控制鋼網(wǎng)架的安裝誤差，一旦有變形位移超出控制范圍的必須立即進(jìn)行糾正。每次鋼網(wǎng)架安裝完成后必須立即測量鋼網(wǎng)架的撓度、整體尺寸、節(jié)點(diǎn)偏移等，并在下一區(qū)工作平臺上安裝的鋼網(wǎng)架施工中進(jìn)行調(diào)整，避免產(chǎn)生的累計(jì)誤差過大。

鋼網(wǎng)架安裝完成后應(yīng)依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》 GB50205-2020中的要求進(jìn)行檢查，所有驗(yàn)收數(shù)據(jù)按規(guī)范中的允許偏差進(jìn)行取值。

（5）鋼梁焊接變形控制

鋼梁在焊接過程中，焊接順序應(yīng)遵循先約束大后約束小部位，焊接方向一致、多層同順序、兩側(cè)交替焊接、對稱施焊等原則進(jìn)行施工。在構(gòu)件單元組合焊接時，要從中心向兩側(cè)進(jìn)行對稱焊接，分層焊接時要從同一方向焊接；構(gòu)件高空拼裝時多方向多處合攏焊縫的施焊，宜采用各接口輪流循環(huán)跳焊法，避免單個構(gòu)件集中加熱焊接，產(chǎn)生集中變形或軸線偏移；一個構(gòu)件的兩端不能同時施焊；為了減小桿件焊縫的殘余應(yīng)力，在焊接前，先對桿件進(jìn)行預(yù)熱處理，達(dá)到一定溫度后，再進(jìn)行焊接。

（6）桿件的防銹、防火

鋼構(gòu)件由廠家加工并進(jìn)行防銹底漆處理后運(yùn)輸至現(xiàn)場，構(gòu)件預(yù)留焊縫兩側(cè)30～50mm范圍暫不做油漆處理，待現(xiàn)場施焊完畢后對焊縫進(jìn)場質(zhì)量檢測，經(jīng)認(rèn)定滿足設(shè)計(jì)要求的焊縫等級后再進(jìn)行防火涂料施工。鋼梁的耐火極限時間不小于1.5h，防火材料采用膨脹薄型防火涂料，厚度為2.1mm，滿足結(jié)構(gòu)耐火極限的要求。

6.網(wǎng)殼玻璃安裝

依據(jù)各桿件的三角組拼形式在桿件上安裝玻璃龍骨，利用桿件節(jié)點(diǎn)臨時焊劑鋼筋定位樁，保證節(jié)點(diǎn)四周的玻璃龍骨安裝線條流暢。龍骨上安裝半圓弧形底座，以便微調(diào)玻璃安裝的角度，玻璃編號安裝，調(diào)平后打膠密封并清理現(xiàn)場。

1）測量放線、定位。由于曲面造型比較復(fù)雜，無法按照常規(guī)的放線方式進(jìn)行，經(jīng)過研討，結(jié)合采光頂節(jié)點(diǎn)實(shí)際情況，決定根據(jù)現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)的中線作為玻璃分縫的主要依據(jù)。以各方向鋼結(jié)構(gòu)桿件的交叉點(diǎn)作為基準(zhǔn)定位點(diǎn)，在點(diǎn)位上焊接定位鋼筋作為玻璃龍骨安裝位置的依據(jù)，防止采用傳統(tǒng)彈線方法時，因墨線在防銹漆噴涂過程中被覆蓋而無法施工。

2）龍骨安裝。依據(jù)放線定位的玻璃分格線，進(jìn)行龍骨安裝。先安裝弧形底座，實(shí)現(xiàn)角度調(diào)解，復(fù)核標(biāo)高合格后安裝龍骨，保證了龍骨按弧線排布。

圖6-1支座安裝節(jié)點(diǎn)

3）玻璃板塊安裝：龍骨安裝調(diào)試驗(yàn)收合格后進(jìn)行玻璃板塊的安裝。現(xiàn)場安裝時，要先分清玻璃板塊的標(biāo)號，確定無誤后再進(jìn)行玻璃板塊的調(diào)運(yùn)安裝，各小組在工作中做好相互配合和交底工作。每一個曲面分區(qū)在安裝施工完成進(jìn)行報驗(yàn)，合格后開始填縫打膠，待整個面板安裝工作完成后打膠工作也基本完成。

7.結(jié)論

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)造型優(yōu)美，線條簡潔，極致超薄，讓人看得賞心悅目，備受廣大設(shè)計(jì)師的青睞，如何深化網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的精細(xì)度，精準(zhǔn)施工，確保多曲面結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性和曲面弧度流暢及美觀度，本文總結(jié)以下幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)：

（1）BIM技術(shù)分析構(gòu)建模型，優(yōu)化桿件尺寸，端面坡口設(shè)計(jì)、焊縫角度；

（2）三角型組拼焊接，變化節(jié)點(diǎn)標(biāo)高實(shí)現(xiàn)曲面效果；

（3）鉸支座設(shè)置調(diào)平板和微調(diào)板保證圈梁的基準(zhǔn)標(biāo)高精準(zhǔn)性；

（4）迎合曲面效果，設(shè)計(jì)階梯型操作平臺，施工更加便捷；

（5）玻璃龍骨半圓形底座設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)玻璃角度的微調(diào)，保證曲面玻璃的流暢性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)：GB50205-2020[s],北京，中國計(jì)劃出版社，2020.

[2] 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB5009-2012[s],北京，中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3] 建筑施工安全檢查標(biāo)準(zhǔn)：JGJ 59-2011，北京，中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[4] 建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范：JGJ130-2011，北京，中國建筑工業(yè)出版社，2011.