405 m超長跨度機庫屋蓋的鋼結構拼裝技術

董 巍 迂長偉 黃樹青 寇志強 高玉蘭

北京建工集團有限責任公司 北京 100055

北京大興國際機場南航機庫屋蓋結構不同于國內已建成的類似超大型維修機庫[1-2]，如首都機場Ameco四機位機庫和A380機庫所采用的大門桁架＋雙層平板網架的結構體系，其創新性地采用了“W”形斜桁架＋單層平板網架的組合結構體系，單一大門中柱的情況下機庫總寬達到了405 m，成為亞洲最大跨機庫。

新型結構體系提升了結構效率，有效控制了結構的用鋼量，同時也給屋蓋結構的拼裝施工增加了難度。大門桁架222 m＋183 m的凈跨度以及機庫內屋蓋下方懸掛安裝的大量吊車和維修塢也對屋蓋鋼結構的拼裝和安裝精度提出了極高要求。

通過模擬數字預拼裝，確保箱形構件的加工精度；采用合理的拼裝方法，研發并使用一種輕型操作平臺，顯著提升了拼裝的精度和安全施工效率；使用三維激光掃描技術對拼裝完成的網架進行校核，確保了拼裝質量。這些技術的綜合應用，使得總面積為39 438.75 m2的亞洲最大跨機庫屋蓋的鋼結構施工僅用90 d的工期即完成了地面拼裝，并順利地整體提升到位，刷新了超大型維修機庫屋蓋鋼結構的施工速度紀錄。

1 工程概況

北京大興國際機場南航基地第一標段機務維修設施項目1號機庫屋蓋為由平面桁架及單層斜放四角錐網架構成的組合結構體系。其桁架體系由沿進深方向設置的4道45 斜向桁架、沿大門開口邊設置的下沉式大門桁架和沿縱向設置的一字形桁架組成（圖1～圖3）。桁架之間為單層斜放四角錐網架。這種“W”形桁架體系為機庫屋蓋首次采用，不僅降低了屋蓋結構高度，還比普通的平板網架節約用鋼量約1 500 t。

圖1 屋蓋結構平面示意

機庫屋蓋結構總面積39 438.75 m2，平面軸線尺寸405 m 100 m 。其405 m的超長跨度為亞洲最大跨機庫。屋蓋整體結構上頂平齊，標高38.50 m。門頭桁架截面總高度11.50 m，下弦中心標高27.00 m；斜桁架及一字形桁架截面高度8.50 m，下弦中心標高30.00 m；桁架間單層斜放四角錐網架厚度4.25 m，基本網格尺寸6.0 m 6.0 m，下弦中心標高34.25 m；下弦最大高差達7.25 m。

圖2 屋蓋桁架結構體系平面示意

圖3 屋面結構剖面示意

除大門邊桁架上、下弦桿及斜桁架下弦桿采用焊接箱形截面，腹桿根據內力大小采用圓鋼管、焊接H形截面或焊接箱形截面，節點采用栓焊節點外，斜向桁架、一字形桁架及屋蓋網架均采用球管結構，節點采用焊接球 節點。

網架桿件最大規格為φ 5 5 0 m m 3 0 m m，最小規格為φ 1 0 2 m m 4 m m，網架球最大規格為φ900 mm 36 mm，最小規格為φ300 mm 12 mm ，網架共計13種圓管、10種焊接球，鋼材材質為Q345B。門頭桁架箱形構件最大截面為□800 mm 800 mm 100 mm，最小截面為□500 mm 320 mm 16 mm，主要鋼材材質為Q420B。項目采用在地面拼裝，然后整體提升的施工方法。其中屋蓋的拼裝質量和進度，對工程有直接的影響。

2 拼裝起拱

網架拼裝完成后提升到設計高度，在重力和上部屋面荷載的作用下會發生下撓。因此，根據設計計算要求，大門桁架、一字形桁架和斜桁架在拼裝時，須進行預起拱，起拱值為跨度的1/700。經過計算，主要構件的跨中最大起拱值如圖4所示。

圖4 屋蓋結構計算起拱值示意

普通的平板網架在拼裝時采用弧線起拱即可，而本工程由于斜桁架的存在，導致整個屋蓋結構的剛度并不均勻，也就導致了網架每個點的起拱值都不相同。為了保證屋蓋下撓在設計范圍內，我們通過計算軟件對網架結構預加載，得到了每個節點的變形值。在拼裝時，以網架下弦球和斜桁架下弦連接節點為控制重點，精確地放出每個下弦球的定位坐標，并使用鋼管硬性支撐進行固定，確保位置精準。最終網架卸載后的下撓實測值與計算的理論下撓值基本相符，最大偏差僅為18 mm，確保了機庫大門的順利安裝。

3 模擬預拼裝

大門桁架和斜桁架下弦均為箱形構件，結合桁架的結構形式，采用平面實況數字模擬拼裝進行整體的模擬施工（即將相鄰2個構件按照實測數據標示，然后按照統一的基準進行一對一的電腦拼接），對弦桿、腹桿等的自由邊間隙、板邊差及錯邊等進行一對一的模擬。

模擬預拼裝主要檢驗以下幾部分內容：上、中、下弦桿，腹桿與牛腿接口間的板邊差、錯邊以及間隙；拼裝單元的對角線誤差。

通過數字模擬預拼裝，確保了關鍵構件的加工精度，為現場拼裝提供了保證。

4 拼裝方法

考慮拼裝質量和施工安全，將整個屋蓋分成兩部分分別進行拼裝：一部分為大門桁架，高度11.5 m，寬度6.0 m；另一部分為除大門桁架之外的一字形桁架、斜桁架和鑲嵌在其中的單層網架，將其作為大廳網架，單獨進行拼裝，大廳網架高度為8.50 m。

4.1 大門桁架拼裝方法

大門桁架由2榀鋼桁架組成，桁架之間通過圓鋼管連接成一體，總長度405 m。鋼桁架分為3層，上、下弦桿為箱形截面，腹桿及中弦桿件為工字鋼、箱形件或鋼管，采用栓焊節點。弦桿分段加工，長度10～12 m，通過在下弦桿接口位置鋪設型鋼作為拼裝胎架（圖5）。

圖5 大門桁架拼裝示意

4.2 大廳網架拼裝方法

大廳網架為一字形桁架、斜桁架和單層網架，一字形桁架和斜桁架高度8.50 m，單層網架高度4.25 m。由于上頂平齊，故下弦存在4.25 m的高差。在拼裝時，將一字形桁架和斜桁架作為拼裝控制的重點。除斜桁架下弦為箱形截面外，一字形桁架、單層網架均為球管結構，結構形式為雙層和單層斜放四角錐網架。先拼裝一字形桁架和斜桁架，然后再拼裝鑲嵌在其中的單層網架。

為了提高拼裝效率，結合斜放四角錐的結構特點，將中弦球和下弦腹桿拼裝成“人”字形單元，將上弦球和中弦腹板拼裝成四角錐單元，從而減少桿件的吊次（減少近1/3桿件數量），同時也確保了拼裝的精度（圖6）。

圖6 “人”字形和四角錐拼裝單元

5 操作平臺設計

門頭桁架高度11.50 m，為雙層，層間高度5.75 m；一字形桁架高度8.50 m，也為雙層，層間高度4.25 m。即使在地面進行拼裝，其最高操作高度也將超過10 m，高空操作是面臨的最大難題。如何能在確保安全的前提下，優質、高效地進行拼裝，是本工程成功的關鍵。

針對這一難題，設計了一種可移動輕型操作平臺，平臺采用方鋼管組焊而成。平臺寬度根據現場實際確定（小于大門桁架間距或網格寬度），長12～15 m，下方采用輕型方管制成桁架式平臺，平臺上鋪彩鋼板。在桁架式平臺上部制作操作平臺，滿足人員站立操作的條件（圖7）。

圖7 可移動輕型操作平臺示意

將平臺分別放置在桁架或網格的下弦和中弦，分別進行中弦和上弦桿件的安裝和焊接。操作平臺質量較輕，使用倒鏈或卷揚機就可實現移動。隨著桁架或網架的累積拼裝，操作平臺可以便捷地移動到所拼裝的節間（圖8）。

這種可移動輕型操作平臺的使用，為施工人員高空操作提供了安全保障，從而提高了拼裝的效率。

6 三維激光掃描測量技術的應用

網架分段拼裝完成后，由于節點較多，故常規的測量方法無法及時地將每個點的偏差測出來，為此，我們采用了三維激光掃描技術對網架進行掃描校核。將掃描后的網架圖像導入電腦中，與CAD模型進行校核，確保拼裝的精度（圖9）。

圖8 可移動輕型操作平臺

圖9 三維激光掃描測量校核拼裝網架

同時，通過三維激光掃描技術，我們得到了每個上弦點的位置偏差，為屋蓋提升到位卸載后的屋面系統節點安裝提供了依據。

7 結語

北京大興國際機場南航機庫屋蓋采用了不同于普通平板網架的“W”形斜桁架＋單層平板網架的組合網架結構體系，給現場拼裝帶來了難度。為確保拼裝精準、高效，采取了一系列的技術措施，收到了良好的效果，并從工程實踐中得出如下結論：

1）采用數字模擬預拼裝技術，確保了復雜構件的加工精度滿足拼裝要求，并為大型鋼結構工程中的復雜構件或復雜節點加工提供了技術保證。

2）對于網格尺寸大的結構，可以使用文中介紹的輕型可移動操作平臺。其在保證施工安全的前提下，有利于工作面展開，提高了施工效率，可以推廣應用到類似大空間網格結構拼裝施工中。

3）三維激光掃描測量技術可以彌補常規測量的不足，使測量結果更加直觀，對空間曲面和異形結構的測量起到了很好的輔助作用，值得推廣和應用。