異形雙曲面金屬屋面空間結構施工技術研究

劉文祿

（中鐵十六局集團置業投資有限公司，江西南昌330013）

0 引言

隨著我國社會經濟及城市建設的發展，以及人民生活水平的不斷提高，大型場館等公共建筑不斷涌現。在大型公共建筑中，雙曲面空間結構屋面是應用比較廣泛的一種結構形式。由于母座數量及T碼數量多，在加工安裝時定位坐標較多，給質量、工期及觀感帶來很多不利影響。

1 工程概況

某文化體育會展中心項目總占地面積約163畝，總建筑面積約50 000㎡，主要包括藝術樓、體育館、游泳館、展示館、體育場和1個連廊，如圖1所示。混凝土主體均為框架結構，其中體育館上部屋面結構主要為1.0mm厚直立鎖邊鋁鎂猛板與0.6mm厚壓型鍍鋁鋅穿孔鋼底板，結構形式采用主次檁條支撐系統，為大跨度異形曲面結構。屋面結構分室內金屬屋面系統、室外金屬屋面系統、檐口系統、天溝系統、避雷系統及天窗系統。由于本工程跨度大，外觀新穎復雜，整個建筑外立面由不規則雙曲面構成，頂部設置天窗，主次入口造型變化十分復雜，整個施工關鍵工序在于測量放線定位，擬采用先整體后局部、母座與T碼極坐標定位、曲面頂板及雙曲面立面板弧度控制板定位的測量定位。

2 技術特點與適用范圍

異形雙曲面金屬屋面空間結構施工技術具有以下特點：平面控制網按照“先整體后局部、高精度控制低精度”的原則進行，因地制宜，綜合考慮前期及后期需求，合理布置平面控制網及高程控制網；母座數量多，定位量大，精度要求高，其關系到檁條及T碼的安裝，因此采用極坐標方法進行定位；T碼數量多，定位量大，精度要求高，采用極坐標方法進行定位，且需與壓型底板同步進行，否則將導致誤差增大至難以控制曲面度；采用極坐標方法進行頂面與立面定位，在保證屋面曲面不變的情況下，在檁條線上移動母座至鋼構上固定，既能保證曲面質量又能提高施工效率。

該技術適用于對所有設有雙曲面金屬屋面結構的體育場館、大型客運站、工業廠房等大型公共建筑的曲面鋁鎂猛板安裝施工。

3 工藝原理

大跨度異形桁架空間結構的安裝，在開始安裝階段因未形成完整穩定的結構體系，需設置臨時固定設施或臨時支撐架，在形成一個穩定體系單元以后，再順次擴展安裝范圍。本工程采用分段吊裝桁架工藝，在分段節點處設置臨時支撐架固定，并在水平方向用第一榀邊桁架與框架柱預埋件及兩榀主桁架相連，吊第二榀桁架時與第一榀桁架相連，保證了結構的穩定性和施工作業的安全性。

如果采用地面拼裝、整榀吊裝工藝，有利于結構的穩定性，并且速度快、效率高，但需配置更大型號的起重設備，成本相對較高；如果采用高空散拼工藝，高空作業量大、工期長、支撐措施成本高；而采用“地面拼裝、分段吊裝、高空合攏”的鋼桁架安裝工藝，是質量、工期、成本、安全性等各方面綜合最佳的施工工藝。

4 工藝流程及操作要點

工藝流程如圖2所示。

圖2 工藝流程

4.1 檁條施工

檁托采用焊接在原鋼結構上表面，由于本工程整體造型呈不規則曲線，為保證整體最終外觀曲率達到設計要求，特別是為后期屋面板提供合格的承載面，鋼檁條的安裝一定要準確。

4.2 底板施工安裝

本工程采用底板0.6mm厚壓型鋼底板，板型YX210－25-840，安裝于檁條下方。底板安裝完成面不得出現板面不平整、搭接錯縫、搭接處不完整、板肋對接扭曲等現象。底板在現場壓制成型，在搬運時一定要注意保護底板的外部涂層，防止漆面被刮花。

底板安裝采取從山墻邊線處開始，從一側向另一側展開施工或從中軸線向兩側展開施工。安裝時，以山墻檐口處骨架（屋面中軸線）為基準線，以確定底板的安裝起始定位，以防止出現搭接錯縫、板肋歪斜等現象。

具體安裝流程為：安裝準備→安裝作業平臺設置→安裝前對鋼結構及建筑標高等進行復測→屋面底板運輸（運至安裝作業面）→放基準線→首塊板安裝→復核→后續屋面底板安裝→復核安裝精度→后續底板安裝→再次復核→后續底板安裝→安裝完成后的自檢、整修、報驗。

底板安裝完后應注意底板的成品保護，施工人員嚴禁直接踩踏底板，后序工序施工時要對底板采取保護措施。

4.3 隔汽膜鋪設安裝

本工程要求在壓型底板上方加設1道隔汽膜。施工順序及流程為：拆包檢查→上料→清理底板上雜物→鋪裝→邊角處理→裁切→清理。隔汽膜鋪設應從檐口自下而上逐卷進行，上卷邊緣應重疊在下卷邊緣之上，每卷重疊搭接寬度不少于50mm。在坡屋面上應垂直于順水條方向鋪設，不宜太緊或太松，以自然展開。

4.4 玻璃纖維保溫棉施工

保溫棉鋪設前先設計好鋪設方式，根據鋪設方式計算尺寸裁剪下料，裁剪邊緣直線誤差不大于5mm，拼接縫不大于2mm。鋪設時從屋面一側開始，依次向另一側進行，相鄰2塊保溫棉的搭接縫應錯開，在端部和邊緣處應確保鋪設飽滿密實，在坡度較大處用鐵絲固定，防止下滑。

施工的關鍵是防水，為防止保溫材料長時間暴露，施工時必須嚴密組織、集中施工，盡量減少保溫材料暴露時間，同時準備防雨苫布，施工完后及時將未覆蓋的保溫吸聲材料臨時覆蓋，以防夜間被雨淋濕。施工時應嚴密關注當地天氣情況以避免雨天施工。

鋪設時注意必須鋪設嚴密，接縫處不得鏤空，縫隙不大于2mm，如坡度過大可采用搭接，防止形成冷橋。

保溫棉鋪設尤其要重點保證邊角部位的施工質量，如屋面與天窗交口處、山墻邊、泛水外、邊緣立面封堵等部位，這些部位是施工中容易忽略的部位，而冷氣正是從這些部位侵入室內影響整個屋面的保溫效果，因此是施工過程中的重點控制部位。

4.5 屋面板安裝時變形控制方法和措施

本工程屋面板長度較長，安裝過程各個環節易造成屋面板板面橫向扭曲，板肋凹陷變形等質量問題。針對屋面板安裝的主要環節制定以下預防措施。

1）板材壓制環節板材現場壓制時，至少需要4個操作人員，1人在懸掛鋁卷處監察，防止鋁卷拆卷時因吊掛架晃動、移動等造成鋁卷扭轉變形；操作臺處的人員需按照安裝設計尺寸嚴格控制壓制參數，根據板材壓制進度，隨時調整；壓板機中間需要1人監督壓板機運轉情況，避免由于壓板機機械故障造成屋面成型板的損壞；支托架處的操作人員需控制壓出屋面板順利在支托架上滾動，及時調整支托架位置，根據屋面板長度放置支托架數量。

2）現場運輸環節加強運輸過程中的成品保護，根據板材長度選擇合理的運輸方式，防止運輸過程中屋面板撓度過大、相互擠壓等現象出現。

3）屋面安裝環節屋面支座安裝是屋面板安裝前的關鍵工序，支座安裝質量好壞直接影響屋面板安裝是否平整、順直。支座安裝時首先根據設計圖紙在檁條上放出每個支座的安裝位置線，支座的安裝角度也需要用全站儀進行定位，防止支座出現偏移、扭轉、翹曲等；在屋面板安裝前，在天溝和屋頂處進行放線排板，第1塊板放線必須采用尼龍繩，保證尼龍繩和屋脊垂直（檢查方法：線繩和檁條一定要垂直），保證屋面板和屋頂軸線垂直。放線可保證屋面板安裝后尺寸不會變形過大，保證屋面板有效尺寸及屋面鎖邊質量。按照事先畫好的線，找出中支位置，每根檁條上固定中支，拉線繩保證中支支架在一條直線上，把屋面板中心波峰對準中支位置放下，用力使中支掐住波峰，然后固定邊支（邊支固定后檢查固定座的連接片是否位于槽的中間，如不在中間應調整到中間位置，保證屋面板在溫度變化時可滑移）；第1塊屋面板安裝時確保垂直平行，同時檢查進入水溝長度要符合設計及規范要求；安裝第2塊屋面板時，第2塊板的母槽扣在第1塊板的公槽上，放下屋面板（檢查屋面進水溝長度，與第1塊保證一致，可在檐口拉線，保證檐口板在一條直線上），然后固定邊支座，按照同樣方法依次進行安裝。安裝過程中隨時檢查是否垂直平行，同時屋面板鋪設屋脊兩邊的板應對齊，有問題及時調整。

5 效益分析

5.1 經濟效益

1）與傳統架手架搭設相比，本項目采用可移動式吊籃，節約大量鋼管租賃，并減少大量支撐架搭設與拆除工作量，節約成本費用約36.7萬元。

2）與傳統搭設架手架相比，減少鋼管支撐架量，節約支撐架占地面積，為其他工種及機械作業提供方便、提高機械利用率，節約費用約3.2萬元。

3）成型吊籃可重復周轉使用，適用于各種復雜環境，節約成品維修費約1.2萬元。

4）金屬屋面施工優質高效。此工藝作業條件改善，拼裝質量易控制，安全風險低，施工效率提高近一倍。提前20d完成節點工期，各項管理費用降低約5.6萬元，并獲業主獎勵10萬元。

5.2 社會效益

采用“先整體后局部、高精度控制低精度”的施工工藝進行異形雙曲面金屬屋面空間結構施工，能夠解決該文化體育會展中心體育館大跨度異形雙曲面金屬屋面鋼桁架高精度測量定位、快速提高施工工效、高質量保證雙曲面弧度質量等一系列施工難題，優質高效地完成金屬屋面施工，同時達到節省成本、加快進度、確保安全的目標，獲得監理單位、設計單位、建設單位及當地政府的高度評價，取得良好的社會效益。

5.3 環保效益

采用“先整體后局部、高精度控制低精度”的施工工藝進行異形雙曲面金屬屋面空間結構施工，能做到以下環保節能效益。

1）加工區全封閉制作，減少噪聲對環境的污染。

2）材料有序堆放，減少材料占地面積；廢料及時回收減少對環境的污染。

3）極坐標定位準確，確保一次成型避免返工，減少了機械設備的投入及使用臺班和勞動力的投入，節約施工用電，降低能耗。

5.4 技術效益

1）通過對異形雙曲面金屬屋面空間結構施工技術在施工中的實踐與研究，掌握該工藝施工中的關鍵技術。

2）研究異形雙曲面金屬屋面空間結構施工工藝特點和方法，減輕勞動強度，降低安裝困難，提高安裝速度，提高施工質量，質量合格率100%。

3）通過研究高精度測量定位，并進行極坐標分析，提高安裝工效30%以上。

4）成立QC小組，提高管理人員和作業人員的質量意識，提高管理人員的管理能力。

5）提高各施工環節工效，降低人工、材料、機械成本，減少廢棄物產生，保護環境。

6 結語

通過對異形雙曲面金屬屋面空間結構施工技術的研究，能夠解決大型公共建筑中大跨度異形雙曲面金屬屋面鋼桁架高精度測量定位、快速施工、保證雙曲面弧度質量等一系列的施工難題，可為其他類似大跨度異形鋼桁架結構建筑提供參考。