華潤前海金融中心天幕工程設(shè)計(jì)施工技術(shù)分析

夏劍龍，潘志強(qiáng)

（華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510000）

1 工程概況

本工程為華潤前海金融中心天幕及特色餐飲平臺(tái)幕墻工程，位于深圳市南山區(qū)夢海大道與桂灣四路交匯處。結(jié)構(gòu)形式為大跨度空間自由曲面單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，建筑總面積為3500m2。網(wǎng)殼由一系列樹型柱和一對(duì)接地柱支撐在結(jié)構(gòu)混泥土上，天幕上表皮由ETFE 膜（帶彩釉點(diǎn)）及邊天溝排水系統(tǒng)組成，其整體效果見圖1。

圖1 整體效果

2 主體結(jié)構(gòu)體系

天幕為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，主體鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定體系較為復(fù)雜。網(wǎng)殼組成：樹形柱、接地柱、邊環(huán)梁、填充桿件、X 節(jié)點(diǎn)。首先如何使天幕下方形成較大空曠的空間，又需要保證有足夠的支撐系統(tǒng)來承受上方所傳導(dǎo)下來的荷載。經(jīng)過多次論證實(shí)驗(yàn)及計(jì)算，第一步：我們采用8 根樹型柱及一對(duì)接地柱作為主要豎向支撐結(jié)構(gòu)。第二步：由于天幕投影面積較大（3500m2），如何將天幕的重量均勻傳導(dǎo)至支撐結(jié)構(gòu)上，我們經(jīng)過計(jì)算使用31 根管徑大小及長短不一的圓管將支撐柱與網(wǎng)殼進(jìn)行連接，連接方式為鉸接，見圖2。

天幕網(wǎng)殼填充系統(tǒng)：￠299 圓管、拉桿X 節(jié)點(diǎn)組成。￠299 圓管經(jīng)過坐標(biāo)定位與邊梁焊接，￠299 圓管之間連接采用X 型節(jié)點(diǎn)剛性連接。拉桿與￠299 圓管使用鉸接，見圖3。

圖2 樹杈效果

圖3 鋼管鉸接

3 膜系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

首先如何優(yōu)化自由曲面網(wǎng)殼表皮，從整個(gè)設(shè)計(jì)理念，我們根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造形狀，將表皮分解成若干個(gè)棱形網(wǎng)格布置。

ETFE 膜支持系統(tǒng)：如何在一個(gè)自由曲面設(shè)置支撐系統(tǒng)還是比較復(fù)雜，首先要保證支撐體系安全性，其次在自由曲面中必須要有可調(diào)節(jié)空間（三維調(diào)節(jié)）。根據(jù)以上兩點(diǎn)我們對(duì)支撐系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，第一步設(shè)置鋼馬件可進(jìn)行高度方向，第二步設(shè)置鋼底座可左右調(diào)節(jié)。以此系統(tǒng)安裝時(shí)可消除由于鋼結(jié)構(gòu)安裝時(shí)所產(chǎn)生的誤差，從而達(dá)到表皮安裝精度，見圖4。

ETFE 膜固定系統(tǒng)：本項(xiàng)目表皮為不規(guī)則菱形，且局部凸凹起伏無固定形態(tài)。從而導(dǎo)致如何將表皮隨形安裝對(duì)固定構(gòu)件要求較為精確及形狀要求多變。為了達(dá)到設(shè)計(jì)效果，在菱形四條直邊設(shè)置為通長直段鋁型材，在菱形四個(gè)相交角設(shè)置多曲面鋁板，從而保證ETFE 膜完美隨形，見圖5、圖6。

圖4 可調(diào)底座

圖5 膜連接

圖6 龍骨連接

4 制作

4.1 鋼結(jié)構(gòu)制作

X 節(jié)點(diǎn)制作是系統(tǒng)安裝重點(diǎn)及難點(diǎn)。如圖6 所示單個(gè)X 節(jié)點(diǎn)，每個(gè)X 節(jié)點(diǎn)四個(gè)圓管起伏高度根據(jù)網(wǎng)殼形狀均不相同。

組成X 節(jié)點(diǎn)的四管空中相交，雙曲網(wǎng)殼的數(shù)學(xué)模型決定其相交角度。將帶拉桿孔的那一整塊加肋板稱為A 加肋板，將不帶拉桿孔的兩塊加肋板稱為B 加肋板。在相貫線在同一平面的X節(jié)點(diǎn)，B 板可以根據(jù)左右管子的腔體切割弧形口，見圖7。

圖7 龍骨焊接節(jié)點(diǎn)

在完成焊接24h 后，對(duì)焊縫進(jìn)行探傷，對(duì)一級(jí)焊縫部分，100%超聲波探傷或100%磁粉探傷。三級(jí)焊縫做外觀檢查。

邊梁制作采用大口徑中頻彎圓機(jī)結(jié)合雙曲胎架進(jìn)行彎圓。本質(zhì)上中頻彎管是在交流大電流形成交變磁場，在圓管局部高速加熱，用胎架或半徑控制逼迫被彎圓管按需要變形。胎架或半徑控制同樣是半徑控制，其彎圓原理如圖8 所示。

圖8 鋼管工廠加工

將直管分段放置在大型數(shù)控彎圓機(jī)上，調(diào)整中頻線圈，讓直管穿過線圈而保持10～20mm，將液壓缸推桿通過支架頂住直管，最后啟動(dòng)大型中頻彎圓機(jī)，完成作業(yè)。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)胎架

天幕工程吊裝需要用到57 個(gè)胎架，目前胎架是按回頂一層樓板布置，現(xiàn)場共計(jì)57 個(gè)胎架。其中落在負(fù)二層上的胎架TJ24、TJ25、TJ26、TJ55、TJ54、TJ16、TJ17、TJ18、TJ46、TJ47，共計(jì)10 個(gè)胎架支座反力較小，不需要做回頂支撐；其中落在負(fù)一層上的胎架TJ2、TJ3、TJ4、TJ5、TJ19、TJ20，共計(jì)6 個(gè)胎架在結(jié)構(gòu)加固區(qū)域，不需要做回頂支撐；其中落在支三路上的胎架TJ50、TJ51、TJ45、TJ30、TJ31、TJ36、TJ29，共7 個(gè)胎架在回頂加固區(qū)域，不需要做回頂支撐；剩余34 個(gè)胎架回頂一層。經(jīng)設(shè)計(jì)院復(fù)核后得知胎架按回頂一層的做法滿足結(jié)構(gòu)受力要求，見圖9。

圖9 回頂落地根部節(jié)點(diǎn)

4.3 鋼結(jié)構(gòu)卸載

本次卸載主要是對(duì)天幕網(wǎng)殼所有X 節(jié)點(diǎn)及大邊梁下的臨時(shí)固定支撐進(jìn)行卸載，以及臨時(shí)支撐的拆除。

卸載原則1：卸載過程是一個(gè)力的傳遞和受力體的轉(zhuǎn)換過程，因此是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。卸載主要利用托臺(tái)的螺旋桿旋轉(zhuǎn)下移來實(shí)現(xiàn)的，是以位移量的控制作為卸載荷載的控制，按照先卸載全部中間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，后卸載邊梁結(jié)構(gòu)的方式，逐步放支撐力，直至完全卸載。在過程中，力的傳遞與受力體的轉(zhuǎn)換必須要遵循“合理、有序、平穩(wěn)、緩慢、均勻”的原則。

卸載原則2：卸載過程中應(yīng)保證主體結(jié)構(gòu)和胎架支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移的變化是緩慢的。

卸載原則3：載過程中應(yīng)保證主體結(jié)構(gòu)和胎架支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力控制在彈性范圍內(nèi)，同時(shí)保證內(nèi)力和位移的變化幅值控制在合理的范圍內(nèi)，使它們不發(fā)生強(qiáng)度破壞或失穩(wěn)。

卸載原則4：卸載時(shí)要進(jìn)行跟蹤測量和監(jiān)控。

卸載原則5：卸載時(shí)要統(tǒng)一指揮，保證同步且嚴(yán)格執(zhí)行卸載原則，不可一次性卸載完成，應(yīng)分多步進(jìn)行卸載。

5 天幕ETFE 系統(tǒng)施工

5.1 施工規(guī)劃

依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況編制合理施工措施方案，材料運(yùn)輸路線與堆放，針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系合理性施工。

5.2 施工重點(diǎn)

（1）主體鋼結(jié)構(gòu)安裝對(duì)施工精度要求較高，針對(duì)高精度施工我們采用全站儀通過三維坐標(biāo)進(jìn)行定位讓安裝誤差＜5mm。高精度的安裝從而使網(wǎng)殼才能符合要求完成安裝閉合。

（2）ETFE 支撐鋼架，多曲面網(wǎng)殼表皮支撐由U 形鋼件作為表皮與主體鋼架連接構(gòu)件，由于整個(gè)主體鋼架高度沒有規(guī)則性，導(dǎo)致所有鋼件長短均不相同，在安裝過程中精度較難控制。

鋼件四個(gè)角點(diǎn)都不在同一個(gè)平面，所以在安裝時(shí)如何在空間定位，我們從三維模型中導(dǎo)出四個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)。首先在主體鋼結(jié)構(gòu)上使用全站儀預(yù)先在鋼件區(qū)域焊接4 根鋼筋，鋼筋頂端為鋼件四個(gè)角安裝位置，鋼筋定位完成后將鋼件與鋼筋頂端對(duì)位安裝即可，見圖10。

圖10 支撐鋼架安裝

（3）鋼結(jié)構(gòu)卸載，本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)為大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)，卸載方案的安全性及合理性尤為關(guān)鍵。在此我們通過以往實(shí)踐及模擬計(jì)算，采用沙漏作為卸載工具。

卸載注意事項(xiàng)：

在網(wǎng)殼形成整體后，進(jìn)行卸載，卸載前網(wǎng)殼應(yīng)完成如下工序：每個(gè)分區(qū)間網(wǎng)殼已形成整體；網(wǎng)殼間節(jié)點(diǎn)與系桿之間安裝、焊接完畢；臨邊節(jié)點(diǎn)及收邊立桿安裝、焊接完畢；節(jié)點(diǎn)臨時(shí)固定托板割除打磨完畢；所有焊縫探傷合格出具報(bào)告。

原則1：卸載過程是一個(gè)力的傳遞和受力體的轉(zhuǎn)換過程，因此是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。卸載主要利用托臺(tái)的螺旋桿旋轉(zhuǎn)下移來實(shí)現(xiàn)的，是以位移量的控制作為卸載荷載的控制，按照先卸載全部中間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，后卸載邊梁結(jié)構(gòu)的方式，逐步放支撐力，直至完全卸載。在過程中，力的傳遞與受力體的轉(zhuǎn)換必須要遵循“合理、有序、平穩(wěn)、緩慢、均勻”的原則。

原則2：卸載過程中應(yīng)保證主體結(jié)構(gòu)和胎架支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移的變化是緩慢的。

原則3：載過程中應(yīng)保證主體結(jié)構(gòu)和胎架支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力控制在彈性范圍內(nèi)，同時(shí)保證內(nèi)力和位移的變化幅值控制在合理的范圍內(nèi)，使它們不發(fā)生強(qiáng)度破壞或失穩(wěn)。

原則4：卸載時(shí)要進(jìn)行跟蹤測量和監(jiān)控。

原則5：卸載時(shí)要統(tǒng)一指揮，保證同步，且嚴(yán)格執(zhí)行卸載原則，不可一次性卸載完成，應(yīng)分多步進(jìn)行卸載。

原則6：根據(jù)邊梁各區(qū)域變形量的大小，將對(duì)下沉量較大的部位與較小進(jìn)行比例計(jì)算，得出最大下沉區(qū)域與最小下沉區(qū)域約為6：1，因此按照變形下沉的高度不同沙箱卸載時(shí)將對(duì)不同區(qū)域同時(shí)間段的卸沙量進(jìn)行比例分配，以達(dá)到同步卸載。

卸載原則：

天幕結(jié)構(gòu)中間的X 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格先卸載，分三個(gè)區(qū)域逐步卸載，每一區(qū)域?yàn)橐淮涡孕遁d；邊梁最后卸載，分三步卸載，每次卸載理論下沉量的30%，直到卸載結(jié)束。遵循從內(nèi)向外、先高后低的原則。

沙漏卸載，首先在主體鋼結(jié)構(gòu)下方安裝可承載沙漏平臺(tái)，沙漏放置平臺(tái)后與主體結(jié)構(gòu)之間焊接支撐板，支撐板與主體結(jié)構(gòu)之間空隙控制在5mm 以內(nèi)，防止卸載時(shí)造成突然沉降量過大。在卸載時(shí)遵循緩慢平穩(wěn)原則，通過沙漏兩側(cè)螺栓孔每次卸沙量控制在10mm，多次循環(huán)卸載，在卸載過程中連續(xù)觀測下沉量是否超過理論下沉數(shù)據(jù)，以此完成全部卸載。

6 結(jié)束語

前海天幕幕墻工程為華潤前海金融中心天幕及特色餐飲平臺(tái)幕墻工程，其中的特色膜結(jié)構(gòu)部分不僅造型美觀而且極大地滿足了實(shí)際的使用要求，通過本文的介紹希望能給后續(xù)類似項(xiàng)目帶來一定的借鑒。