裙擺形單層自由曲面鋼網格施工技術

皮淑萍 朱 江 邰鵬鳴 徐 剛

中億豐建設集團股份有限公司 江蘇 蘇州 215131

1 工程概況

上海國際航空服務中心項目位于上海市徐匯區龍耀路與云錦路交叉口，由W-1B、X-1A、X-1B三棟建筑組成。其中X-1B為高層建筑，由裙樓及塔樓組成；塔樓地上39層，地下3層，建筑總高度199.9 m。

裙擺飄架位于X-1B主塔樓東、西、北三側及裙樓上方，主樓的桁架裙擺與裙樓屋面桁架為一個封閉的整體，呈豎向立體的環形狀，猶如一條飄動的裙擺。裙擺飄架結構采用自由曲面四邊形空間網格結構體系，空間結構復雜。裙擺飄架的鋼桁架結構通過支撐桿件體系與塔樓框架結構連接，下部由具有空間多向擴展狀枝桿支撐的樹形柱支撐在裙樓屋頂，組成一個巨大的裝飾結構（圖1）。

整個網格結構投影長度約為176 m，寬度為12～50 m，飄架最大結構安裝高度為79.25 m，總投影面積約為5 604 m2，主要包括樹形柱、弧形柱、上部空腹桁架梁、主梁、連系次梁、邊梁、拉索等結構體系。樹形柱下部主桿為下大上小分節鋼管組合柱，中部為鑄鋼枝桿轉換結構，上部為多向空間延展弧形鋼管結構柱及鋼管組合桁架。

圖1 裙擺飄架效果圖

現場主桁架間距為2～5 m，整體由上向下呈現空間曲面擴展造型，在塔樓各樓層與裙擺桁架結構的主桁架梁間設置有支撐結構體系，作為裙擺桁架與塔樓主結構連接的加強支撐。下部由承托在地面、塔樓4層、裙樓各層樓面結構上的樹形柱結構將荷載豎向傳遞到下部的結構框架。

2 曲面鋼網格結構施工的重點及難點分析

1）裙擺形單層自由曲面鋼網格結構構件數量多、跨度大、高度高，空間位置復雜多變，同時施工工期緊，對現場安裝的精度要求較高[1]。如何通過選擇合理、高效的施工順序及方法，減少累積誤差，并使結構安裝可以快速就位是本工程的重點。

2）裙擺形單層自由曲面鋼網格受運輸條件及吊裝設備的影響，采用設置臨時支撐、分塊安裝的方法。由于構件數量很多，結構空間位置復雜，安裝時臨時支撐的精準定位是本項目的一大難點[2]。

3）在飄架結構各區焊接及涂裝等作業完成后，對飄架結構進行卸載，整體結構由安裝胎架承力的施工狀態轉換為鑄鋼樹形柱承力的設計狀態。為確保受力體系轉換過程的安全，選擇合理的卸載順序及方法，并對卸載過程進行模擬，驗證卸載方法的可行性是本項目的又一大難點。

3 單層自由曲面鋼網格結構施工方案選擇

常規鋼結構安裝方法有：整體吊裝、提升、滑移、高空散拼、分塊吊裝等。由于本工程的特點，結構整體由點部水平支撐、多向弧形樹狀柱支撐，整體吊裝，提升、滑移等施工方法，不適用本工程。在施工方案選擇時，只對高空散拼、分塊吊裝進行了對比分析。

3.1 高空散拼方法

采用搭設滿堂支撐架作為支撐體系，將網格分為小段散件，利用起重設備進行吊裝，在空中進行構件拼裝。

其優點表現為：施工簡單方便，對吊裝機械要求較低；有足夠的施工平臺，便于誤差的調整；采用腳手架作為支撐體，搭設經驗可靠，支撐點多，便于網格的定位；可以利用腳手架頂托進行卸載，卸載點多，卸載過程平緩，危險度較低。

其缺點表現為：完全散裝造成現場安裝單元數量大幅增多，現場塔吊壓力大增，無法控制工期；對下部場地要求較高，施工期間支撐面底部無法進行其他作業，同時完全散裝會造成桿件對接接頭增多，誤差累積次數變多，控制難度大；腳手架搭設周期長，不利于工期把控，同時由于支撐面較廣，高度較高，故腳手架搭拆費用也較高；支撐體系固定，很難消除弧形部位產生的側向力影響；卸載點多，卸載過程較長，影響工期。

3.2 分塊安裝方法

對結構進行分塊，在工廠分塊加工，在結構合適的位置搭設臨時支撐，在現場進行分塊吊裝。

其優點表現為：減少了現場的吊次，節約了施工工期，減少了構件的對接接頭及對接產生的誤差累積次數；臨時支撐體系安裝快捷，周轉方便，同時可以利用貝雷架等成品單元設計支撐體系，頂部構造可以自由設計，滿足網格不同造型、弧度的要求；卸載點相對較少，卸載過程較短。

其缺點表現為：對起重機械的要求較高，會產生較高的機械費；需要針對支撐位置結構形式及場地情況，單獨設計針對性的支撐上下部構造，無法利用成品單元，會產生一定的費用；由于上部施工操作平臺較少，故除了驗算合格的受力支撐架體外，還需設置輔助架體，用于工人施工；卸載點相對較少，卸載過程具有一定的風險，需要通過模擬分析，來驗證卸載順序及卸載位置是否合理，同時需要做好卸載過程的監控。

3.3 施工方案選定

根據估算，大型吊裝機械的機械費與滿堂支撐架增加的措施費相差不大，結合本工程現場的大型塔吊布置及現場場地情況，考慮本工程對工期及安裝精度的要求較高，選擇分塊吊裝的方法。同時需要著重控制風險較高的網格卸載。

本工程安裝的基本思路為：對整體結構進行區域劃分，再對區域進行吊裝單元的劃分，然后分塊吊裝，在合攏段消除施工誤差，最后進行分區域卸載。

4 單層自由曲面鋼網格結構安裝

4.1 曲面鋼網格區域劃分及安裝步驟

4.1.1 區域劃分

為了控制結構的安裝變形，根據塔樓裙擺及裙樓屋蓋鋼桁架結構及現場的施工情況，進行分區、分塊安裝，并且設置合理的合攏段，在合理時機下進行合攏。將結構整體分為3個大區，分別為A區塔樓裙擺鋼桁架、B區裙樓屋蓋鋼桁架以及結構合攏區[3]。

將A區塔樓周邊裙擺區域分為A1—A5共5個小區（圖2），施工順序為先順時針方向施工A1區域→A2區域→A3區域，A3區域作業完成后，再進行A4區域的桁架結構安裝，在塔樓A5區域施工電梯的拆除作業完成后，進行塔樓A5區域桁架結構的安裝；B區裙樓屋蓋鋼桁架分為B1—B5共5個小區，安裝順序為由B1→B5區域；最后進行合攏段的安裝。

圖2 裙擺鋼桁架分區示意

4.1.2 安裝步驟

1）主塔樓及裙房主結構施工完成后，先進行主樓上部裙擺桁架的安裝（圖3），采用型鋼懸挑腳手架作為臨時支撐體系，為施工提供作業面。臨時支撐搭設完成后，利于塔吊等起重設備對A區的上部桁架進行分塊安裝，然后采用格構式臨時支撐體系進行下部桁架的施工。

圖3 主塔樓裙擺鋼桁架安裝示意

2）主塔樓裙擺桁架安裝完成后，進行裙房桁架的安裝，在合適的位置搭設格構式臨時支撐體系，先安裝鋼柱，然后安裝桁架及中間的嵌補桿件。

3）待A區主塔樓及B區裙房屋面的桁架安裝完成后，進行合攏區域桁架結構的安裝。設置合攏區域，對合攏區域尺寸進行現場復測，針對復測結果對合攏區構件長度進行調整，可有效減少由于施工累積誤差帶來的影響。

4）由于飄架結構為大跨度異形鋼結構，溫度變化將在結構中引起很大的內力和變形，對結構的安全性產生顯著的影響。為保證結構使用過程中的安全，必須選擇合適的合攏溫度。

4.2 臨時支撐體系

進行飄架整體結構施工時，在主桁架下部搭設的臨時支撐胎架體系，分為主受力架體及施工輔助架體。主受力架體為上部主結構在卸載之前結構的受力體系，輔助架體為主、次結構安裝及施工人員行走焊接及油漆修補等提供足夠作業面。

裙樓范圍及主樓周邊桁架結構安裝時，具備落地條件的部分使用格構式支撐體系[4]。格構式支撐采用的是標準節為3.0 m×1.4 m的貝雷片支撐架，貝雷支撐柱下部采用植筋與樓板相連，頂部設置可以調節高度的轉換支托裝置，以滿足實際工程中對不同轉換高度的要求，在安裝時使用千斤頂對組合桁架位置進行微調。

胎架頂部的轉換結構與組合桁架單元中主桁架梁的接觸受力點應設在主桁架梁的腹桿位置，或設置到主桁架梁的上弦位置（圖4）。現場承重胎架設置時，為進行合理的受力分配，承重胎架定位對應下部混凝土框架結構平面中的混凝土柱梁位置，另外，在胎架的底部設置縱、橫向的型鋼平臺底座，以增大與混凝土框架的接觸面，減少承重胎架對樓面的單位面積荷載[5]。

圖4 支撐胎架與主桁架梁支撐設置示意

現場承重胎架的布置如圖5所示，圖中黑色方塊位置為根據相應樓面混凝土柱梁布置定位的現場承重受力胎架位置示意。

圖5 X-1B塔樓裙擺鋼桁架安裝貝雷支撐點示意

上部轉換調整支撐拆除時，采用千斤頂將構件頂起，將頂托切割后，千斤頂卸力，桁架結構自然回落，由樹形柱、弧形柱受力。

為了滿足構件的安裝精度要求，在搭設臨時支撐時，需要保證臨時支撐定位精準，減少不必要的誤差。根據模型中放樣的胎架情況制作出胎架現場安裝定位圖，以指導現場胎架施工。臨時支撐就位時調整好平面位置及豎向垂直度，并緊固標準節連接銷軸。

4.3 飄架合攏控制

本項目飄架結構為大跨度異形鋼結構，由于溫度變化會產生不可忽視的溫度應力，采取合適的合攏溫度是避免溫度有較大變化幅度時而產生過大的附加應力的一種施工控制手段。

結構合攏時鋼結構本體溫度應滿足設計單位提出的合攏溫度要求，以保證整個結構能夠安全運行。本項目飄架鋼結構的安裝過程，采用塔樓A區與裙房B區分開安裝再結合的方法，即先將結構在高空先拼裝成2個各自獨立的板塊，為保證結構使用過程中的安全，必須選擇合適的合攏溫度，溫度變化將在結構中引起很大的內力和變形，對結構的安全性將產生顯著的影響，必須對鋼結構合攏采取一系列的控制措施。

1）合攏溫度的確定。本工程設計要求安裝校準溫度（結構合攏溫度）為22 ℃±2 ℃，即20～24 ℃。按往年氣溫變化情況，現場滿足設計要求的安裝校準溫度的時間，約處于2018年4月下旬—2018年5月上旬和2018年9月下旬，按整體施工進度安排，合攏段施工約在9月份。

2）合攏溫度的測量。合攏時鋼結構本體溫度是結構的整體溫度，為確切掌握整個屋蓋鋼結構的溫度分布情況，以及不同部位鋼結構實際溫度同氣溫的對應關系，確定最佳的合攏時機，該系統測溫范圍為－5～120 ℃，測試精度為±1 K，根據結構安裝合攏區的合攏位置情況設置不少于8處溫度測試點，結構外側相應布置4個點，另在飄架結構范圍外布置1個點（圖6）。溫度測試在合攏前2 d開始進行全天24 h跟蹤監測，并覆蓋合攏過程的所有工作，為獲得連續的測量資料，每間隔0.5～1.0 h讀取各測量點的溫度信息，并形成數據文件，重點對各測量點的夜間溫度進行整理分析，以獲取夜間鋼結構整體溫度的具體數值和分布情況。

圖6 結構合攏時測溫點布置示意

3）合攏安裝要點控制。盡量選擇在與合攏溫度相近或低于該溫度的條件下進行安裝，以方便構件的進擋，控制合攏時的坡口間隙，該間隙大小要考慮溫度變形計算結果和焊接收縮變形，以減少合攏口的焊接量和焊接殘余應力，確保焊接口的焊接質量。如達不到預定的焊接要求，可調整合攏段，先焊一端的坡口間隙。同時，對合攏口的錯邊量也要加以控制，以保證合攏的順利進行。

盡量采用小間隙安裝法，避免合攏時合攏口間隙過大。為確保合攏口在施工過程中因溫度變化而自由收縮，合攏口采用主桁架臨時對接連接器連接（圖8），該節點連接器在主桁架梁焊接并檢查合格后再行去除。

圖8 飄架合攏節點

5 飄架卸載及監測

在飄架結構各區焊接及涂裝等作業完成后，按擬定卸載方案進行分區卸載作業，飄架結構由安裝胎架承力的施工狀態轉換為鑄鋼樹形柱承力的設計狀態。

5.1 卸載順序

裙擺鋼桁架結構采用同步分區卸載，整體按塔樓A區→裙房B區→合攏段C區的順序，由內側向外側（近塔樓位置向遠離塔樓位置）的方向進行卸載。

5.2 卸載過程分析

采用Midas對整個卸載過程進行分析，分析結果如下：

1）A區臨時支撐拆除，此時結構最大應力值為69.9 MPa，滿足強度要求；結構最大豎向變形值為8.8 mm，最大位移出現在A區水平段的跨中位置及組合段構件跨中，而C區組合段構件跨中變形與A、B區相比則小很多。

2）拆除B區除封邊梁位置外的其余支撐，包括三角桁架支撐。支撐拆除后，最大應力值為91.8 MPa，滿足強度要求；結構最大豎向變形值為9.25 mm，因三角桁架結構自重大、跨度大，在跨中位置形成縱橫向大跨度無支撐區域，故最大位移出現在三角桁架跨中位置。

3）拆除所有臨時支撐，結構最大應力值為99.3 MPa，滿足強度要求；結構最大豎向變形值為21 mm，最大位移出現在A區封邊梁橫向跨中位置。因為封邊梁橫向跨度大，結構在縱向末端剛度小。

4）根據上述分區卸載的分析，在卸載過程中飄架的強度和變形都在規范允許的范圍內，卸載過程整體安全，卸載方案合理。

5.3 卸載過程臨時支撐監測和結構監測

為了保證安全有序地卸載，在卸載過程中需要對臨時支撐及桁架整體結構進行變形監測。在鋼桁架結構上設置卸載監控點。臨時支撐的監測點設在頂部平臺的角點，桁架結構監測點布置在變形較大區域的上弦節點外側。

卸載完成后，監測點的變形值均在規范的允許范圍內，裙擺形單層自由曲面鋼網格的施工取得了良好效果。

6 結語

針對裙擺形單層自由曲面鋼網格的結構特點和現場的實際條件，對結構采用了合理的分區、分塊安裝方法，并設置合攏區，減少了累積誤差。同時選擇了合適的臨時支撐體系，且對整個卸載過程進行有限元分析，為分區、分塊安裝的合理性提供了技術依據。

經過現場項目部逾140 d的努力，桁架安裝過程順利，卸載后各測量點與原設計坐標接近，裙擺形單層自由曲面鋼網架的安裝取得了良好的效果，為后續類似項目實施提供了參考。