異形雙曲斜交網格單層網殼高空安裝關鍵技術

王 杰 鄧國璋

1. 廣西大業建設集團有限公司 廣西 南寧 530001；

2. 廣西啟盛建設集團有限公司 廣西 南寧 530001

異形雙曲斜交網格單層網殼是一種空間桁架結構，以撐桿為基礎，按照一定的規則形成網格，按照殼體結構布置雙曲面空間桁架。它既具有支柱和殼體的特性，又具有跨度大、變形小、受力合理、剛度大的優點，主要用于一些跨度大、空間要求大的建筑。單層網殼結構跨度大，空間利用率相對較高。目前，國內外均已開展了關于單層網殼高空安裝的研究。段寶平等[1]對大跨度雙曲面鋼網架屋蓋結構整體頂升法施工技術進行了研究，詳細介紹了整體頂升工藝。趙航[2]闡述了常見網架分類及各類網架的特點，對比分析了常規施工方法各自的優缺點。張位清等[3]研究了網架的地面拼裝、液壓技術原理和同步計算機控制技術，重點論述了大跨度網架的整體頂升方法。于景民等[4]通過方案優選，采用有線網絡電腦控制50系列油缸頂升設備，成功采用整體頂升法完成了400 t鋼結構網架安裝。鄭秋霞等[5]對體育館屋蓋大跨度球殼焊接球網架結構的整體同步頂升施工技術進行了介紹。陳建鋒等[6]介紹了采用雙機抬吊進行起吊、空中翻身等，實現C型鋼柱及外附雙曲網格的無支撐安裝。異形雙曲斜交網格單層網殼結構與前述文獻相比，造型更復雜，整體頂升的網殼質量更大，與之前技術差異部分是局部區域采用綜合吊裝法配合貝雷架，利用原結構設置鋼結構轉換層，減少高空作業工作量和項目資源投入，且網殼結構安裝分別采用地面拼裝整體頂升及綜合吊裝的施工技術。

1 項目概況

背景項目位于福州濱海新城核心區，總建筑面積為24.54萬 m2，該項目有教學科研樓及報告廳等功能性建筑。中庭飄帶是采用異形雙曲玻璃頂的醫護交流區域，對結構施工精度要求高，鋼結構屋蓋采用總長度290 m，高度約33 m，寬度最寬處30 m、最窄處12 m的斜交網格單層殼結構，下部設36組樹狀四枝柱。柱網尺寸多為15.0 m×13.8 m，單層殼采用箱形截面，網格尺寸約為3 m×3 m，單層殼一端直接落地，多枝柱的單枝采用鋼管，鋼管柱上端呈樹杈狀支撐單層殼，結構下方為地下室或主體結構。

2 工藝流程

準備工作→清點構件→放線→設置臨時支撐、拼裝鋼結構→安裝頂升架→頂升鋼結構至設計高度→安裝樹杈柱→卸載頂升設備，將設備轉移至下一施工段

3 關鍵施工技術

3.1 頂升關鍵技術及設備

采用液壓同步頂升工藝，主要使用大型構件液壓同步頂升及鋼結構整體變形控制施工技術，主要設備為額定起重量500 kN的液壓頂升器、位移傳感器、液壓泵源系統、計算機同步控制系統、頂升胎架及吊具。

3.2 頂升技術原理

利用結構板作為液壓頂升設備安裝平臺，通過在加固的頂升點和防滑蓋下方放置液壓頂升器和頂升胎架支撐鋼網殼，利用液壓頂升器和頂升胎架將鋼網殼結構頂升至設計位置。由于頂升過程中支撐胎架處于懸臂狀態，提升高度至14 m以上后需設置纜風繩及固定角鋼與周邊結構連接，對鋼網殼整體剛度進行補強，并調整水平位移，確保頂升施工過程中異形雙曲斜交網格單層網殼的質量及施工安全。

3.3 頂升支撐點位設置

頂升點位設置考慮盡量利用原有結構柱并且不改變其受力狀態，在考慮胎架整體承載力及穩定性的同時減少頂升點位和臨時支撐架的使用量。本項目根據需求設置33個頂升點，頂升荷載最大為500 kN。

3.4 頂升支撐點位安裝

將飄帶鋼結構節點坐標投影到場地，并根據各節點的高低差設置臨時胎架來控制標高，將桿件放置到相應的臨時支撐處，支撐做法見圖1。先點焊固定，待該施工段桿件安裝到位后，再次測量各節點標高，確認與設計高差吻合后方可進行焊接。

圖1 臨時支撐安裝

3.5 頂升步驟

雙曲斜交網格單層網殼，采用BIM和犀牛軟件參數化建模，提高節點處相貫線的處理效率，在加工廠下料制作，運至施工場地進行鋼結構整體拼裝。拼裝過程中采用BIM技術結合機器人放樣技術，提高空間結構的安裝精度及效率。焊接完成后，須對網殼結構的尺寸、焊接質量進行自檢，滿足設計要求后進行頂升工作施工，頂升步驟如下：啟動泵站使千斤頂活塞同步上升一個行程→安裝頂升架標準節（圖2）→泵站回油使千斤頂缸體上升→將方鋼管（受力桿件）移至上一個標準節，完成一個行程→重復以上工作使鋼結構不斷升高→頂升至14 m高度時為頂升架增設纜風繩，或與混凝土建筑進行剛性連接（圖3），繼續頂升至設計高度，停止頂升→安裝樹杈柱（圖4）。寬度允許偏差應符合表1要求，長度允許偏差應符合表2要求。

圖3 為頂升架增設纜風繩

圖4 安裝樹杈柱

表1 寬度允許偏差

表2 長度允許偏差

3.6 頂升架設計及驗算

鋼結構頂升前應對鋼結構進行驗算，驗算結果如圖5所示。驗算盡可能采用原始設計程序，去除鋼結構安裝過程中不存在的屋面靜荷載及部分活荷載（如雪載）。計算時僅考慮鋼結構自重及20%的風載，頂升點僅承受z向力。檢驗是否出現超應力桿件及頂升過程中的撓度是否在規范允許的范圍內。若發生超應力桿件或撓度超標情況，則調整頂升位置與超應力桿件截面或增加頂升點，直到滿足要求為止。

圖5 異形雙曲斜交網格單層網殼結構驗算

3.7 頂升過程中的監測、監控內容

頂升設備在電腦控制下進行，千斤頂內安裝位移傳感器，正常情況下各頂升點之間的高低差在10 mm之內，造成高低差的大部分原因是基礎的不均勻沉降（本工程該問題不會存在）。為避免電腦及基礎等因素造成的頂升過程中高低差過大，應從以下幾個方面進行預防和處理。

1）樓面拼裝過程嚴加質量控制，拼裝完成后測量下弦各點標高，確保符合設計要求。

2）頂升前測量各頂升點（鋼板）標高，次日再次測量各點標高，如某頂升點沉降過大（≥25 mm），則通過在頂升架下面墊鋼板來處理。頂升時每2 d測量1次頂升點標高，檢查各頂升點的沉降。

3）在鋼結構下弦的4個角及中部設置4個觀測點，為掌握鋼結構在頂升過程中是否存在水平位移情況，同樣利用上述4個觀測點，鋼結構頂升前從觀測點（該點必須固定）吊一線錘，在地面投影位置設置固定標志（繪制十字線），待鋼結構頂升至一定高度，再從原觀測點吊一線錘測量鋼結構位移值。若水平位移較大（≥50 mm），則在頂升過程利用設置在4個角的鋼絲繩（收緊或松弛葫蘆），使鋼結構向正確方向移動，回到初始位置。

3.8 卸荷條件及措施

每個施工段鋼結構內所有樹杈柱安裝到位或與相鄰段飄帶連接后，即具備該施工段的卸荷條件。各頂升點在電腦控制下，每次降落10 mm，通過變形和應力監測，整體數據穩定，繼續下落，直至頂升設備與鋼結構脫離。

3.9 質量保證措施

質量控制主要依據GB 50205—2002《鋼結構結構施工質量驗收規范》、GB/T 19879—2015《建筑結構用鋼板》、GB/T 709—2019《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》。鋼材表面的銹蝕等級，應符合現行國家標準GB/T 8923.1—2011《涂覆涂料前鋼材表面處理 表面清潔度的目視評定 第1部分：未涂覆過的鋼材表面和全面清除原有涂層后的鋼材表面的銹蝕等級和處理等級》規定的B級及B級以上等級。鋼材端邊或斷口處不應有分層、夾渣等缺陷。

根據鋸、割等不同切割要求和對刨、銑加工的零件，預放不同的切割及加工余量和焊接收縮量。切割的構件，其切線與號料線的允許偏差，不得大于±1.0 mm。低合金高強度結構鋼，允許加熱矯正，加熱溫度嚴禁超過正火溫度850 ℃。用火焰矯正時，對鋼材的牌號為Q345或相當等級的焊件，不準澆水冷卻，一定要在自然狀態下冷卻。對重點工序，質檢員應按規定進行檢查，并做好記錄，確認其質量達到要求后，方可進入下道工序。

4 結語

1）采用地面拼裝整體頂升的方式，避免搭設落地滿堂支撐架，減少了高空作業工作量，降低了項目資源投入。

2）結合BIM技術及機器放樣技術，確保了焊接質量和幾何尺寸的準確性，提高了安裝效率，便于各方進行過程監督管理。

3）使用頂升工藝后，異形雙曲網殼結構結構的剛度和受力狀況在施工與使用階段區別較小，減少了對鋼結構的加固工程量。

4）貝雷架屬于裝配式構件，構造簡單，可多次重復利用，節能環保。

5）鋼網殼頂升工藝采用格構柱加固地下室頂板，減少了對大型設備占用及高空拼裝，提升了整體精度及安全性。采用綜合吊裝法安裝鋼桁架轉換層，避免了主體結構加固及滿堂腳手架搭設，分割鋼結構安裝與其他關鍵工序工作面，減少了資源投入并加快了安裝進度。