復雜空間不銹鋼結(jié)構(gòu)與有機玻璃帷幕體系施工技術(shù)*

孫曉陽，顏衛(wèi)東，張 朋，于健偉，羅仁軼

(中國建筑第八工程局有限公司總承包公司，上海 201204)

1 工程概況

江蘇省園博園項目——未來花園位于南京市江寧區(qū)湯山，總建筑面積10萬m2，主要包括植物園、崖壁商業(yè)、崖壁劇院等。植物園采用不銹鋼結(jié)構(gòu)作為主體結(jié)構(gòu)，上覆蓋透明有機玻璃板，整體為傘殼結(jié)構(gòu)，由42把傘連成一片，長348m，寬73m，高12.85，22.35m。不銹鋼結(jié)構(gòu)與有機玻璃帷幕一體化效果如圖1所示。

圖1 不銹鋼結(jié)構(gòu)與有機玻璃帷幕一體化效果

2 技術(shù)特點與難點

1)不銹鋼及有機玻璃采用整體三維建模，五軸激光切割加工、裁切機床及控溫恒溫加工控制技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)字化精確制作。

2)不銹鋼結(jié)構(gòu)與有機玻璃帷幕一體化系統(tǒng)為首次應用，具有節(jié)點構(gòu)造復雜、受力因素眾多、撐桿數(shù)量多、空中安裝定位難度大等難點。

3)采用1∶1三維仿真建模，將結(jié)構(gòu)體系中的有機玻璃面板、肋板等主要部件進行分解，廠內(nèi)預制拼裝，現(xiàn)場裝配化作業(yè)，提高安裝效率。

4)采用專用溫控棚，配備加熱設備及循環(huán)風機控制溫度，實現(xiàn)有機玻璃肋、板拼裝及本體聚合，確保黏結(jié)質(zhì)量及強度要求。

5)采用格構(gòu)柱結(jié)合盤扣式滿堂支撐架方式，并利用有限元軟件分析支撐體系各工況穩(wěn)定性，確保支撐體系穩(wěn)定，有效減少支撐胎架數(shù)量，提高施工效率。

6)采用三維多點定位控制技術(shù)，通過機械定位代替人工測量，減少放樣測量的誤差，安裝快捷且精度高。

7)設計專用工裝，采用分區(qū)卸載方案，有效減小卸載范圍，實現(xiàn)快速卸載，大大縮短工期。

3 關鍵技術(shù)及工藝

3.1 有機玻璃板加工制作

工藝流程：工廠制造→板材復合→裁切→平板→五軸加工拼裝→打磨拋光→預拼→包裝運輸→現(xiàn)場施工包裝。對構(gòu)件進行分解，分為圓盤、三角葉片、天溝、伸縮縫等部件，進行成型加工。

1)有機玻璃肋板加工 將板材放置在設備平臺上，進行定位處理，采用精度為±2mm的大鋸進行裁切，對裁切面進行精拋處理，并對精拋面進行打磨拋光處理。

2)有機玻璃節(jié)點、面板加工 通過溫控棚實現(xiàn)板材和設備恒溫，將原板進行兩面銑面(厚度≥200mm)，節(jié)點開好包埋鑄件孔后，對板材四周雕刻銑削節(jié)點；用專用工裝放置預埋件，復核垂直度后，制模澆筑MMA聚合料聚合，聚合后采用階梯控溫退火處理；對節(jié)點打磨拋光處理。

3)有機玻璃板預拼裝 設計專業(yè)工裝進行預拼裝,拼接工裝定位后，使其基準面在同一水平面，組合連接工裝，放置節(jié)點和加強肋進行預拼裝。

3.2 支撐體系安裝

采用格構(gòu)體系+盤扣式滿堂架作為結(jié)構(gòu)支撐及操作平臺，并根據(jù)需求設置堆料平臺。格構(gòu)體系由格構(gòu)柱、連系梁等組成,走道梁、連系梁與格構(gòu)柱間焊接連接，相鄰連系梁高低錯位布置。

不銹鋼結(jié)構(gòu)、格構(gòu)體系焊接及有機玻璃板施工采用盤扣式滿堂架，間距1.5m，步距1.5m，兩次完成面高度不同，架體需進行兩次搭設，以滿足要求。

不銹鋼構(gòu)件安裝時，架體高度為柱頂面標高向下1～1.5m，根據(jù)需要，在焊接區(qū)域鋪設踏板，根據(jù)現(xiàn)場工況調(diào)整高度。不銹鋼構(gòu)件安裝后，對操作架進行二次搭設增高至有機玻璃板完成面以下1～1.5m，滿鋪沖壓型腳手板，為有機玻璃板提供施工界面。

3.3 不銹鋼樹柱基礎安裝

測控樹干位置，樹干底部設置調(diào)整螺栓，頂部設置拉索調(diào)整樹柱垂直度。吊點分別布置在柱頂和柱底鋼板上，柱底吊點為輔助吊點，采用吊車安裝，樹柱吊裝孔布置如圖2所示。

圖2 樹柱吊裝孔布置

3.4 不銹鋼結(jié)構(gòu)安裝

為減少溫度影響，將結(jié)構(gòu)分區(qū)，整體施工為自中間向兩邊(見圖3)，分區(qū)內(nèi)的樹之間固定連接，跨區(qū)樹之間在施工過程中暫不焊接，各區(qū)均施工完成后，通過施工模擬分析計算選擇合適的合攏溫度，再將跨區(qū)兩棵樹之間的構(gòu)件焊接固定。

圖3 不銹鋼結(jié)構(gòu)分區(qū)及安裝順序

單把傘安裝順序為主肋ZL→次肋CL→內(nèi)部斜桿NX →中環(huán)交叉桿ZX→外環(huán)交叉桿WX→外環(huán)桿件WH；單把傘焊接順序為主肋ZL→次肋CL→外環(huán)桿件WH→外環(huán)交叉桿WX→中環(huán)交叉桿ZX→ 內(nèi)部斜桿NX，如圖4所示。

圖4 單把不銹鋼傘安裝及焊接順序

采用汽車式起重機或塔式起重機安裝主肋，主肋一端由樹干頂部弧形構(gòu)件承托，另一端和中部分別采用主肋工裝支撐固定，主肋工裝由千斤頂和可調(diào)夾具組合而成，利用千斤頂調(diào)整主肋高度，可調(diào)夾具調(diào)整主肋水平位移和角度，并將主肋完全固定。

次肋在主肋安裝后，采用汽車式起重機或塔式起重機安裝。次肋一端與樹干臨時固定，另一端和中部分別采用次肋工裝支撐固定，次肋工裝由千斤頂和可調(diào)夾具組合而成，利用千斤頂調(diào)整次肋高度，可調(diào)夾具調(diào)整次肋水平位移和角度，并將次肋完全固定。

在格構(gòu)柱工作平臺上放樣環(huán)桿水平面投影線，將環(huán)桿中心線對準投影線，輔以水平儀控制安裝高程。

在桿件末端通過繩索綁定木板搭設在主次肋，粗略定位后，對交叉桿中心進行測量微調(diào)，在交叉點處粘貼反光片，通過全站儀進行精確復測與定位，確保交叉桿高度與坐標。

3.5 不銹鋼結(jié)構(gòu)合攏

傘狀樹長度較長，為了避免施工過程中累計溫度應力過大對結(jié)構(gòu)不利，設置3道溫度釋放區(qū)，3道溫度釋放區(qū)將傘狀樹整體分為4個區(qū)域(見圖5)，施工到溫度釋放區(qū)時，兩側(cè)的傘狀樹之間不做焊接固定，待所有區(qū)域施工完成后再進行溫度釋放區(qū)傘狀樹之間的焊接施工。

圖5 不銹鋼結(jié)構(gòu)分區(qū)施工示意

通過設計狀態(tài)與分區(qū)施工狀態(tài)合攏溫度變化過程仿真模擬(分區(qū)施工完成→降溫10℃→合攏→卸載→結(jié)構(gòu)整體升溫20℃→結(jié)構(gòu)整體降溫20℃)，考慮設計狀態(tài)下結(jié)構(gòu)升溫和降溫20℃過程應力及變形影響，得出最佳分區(qū)合攏溫度，在同一合攏溫度下，將溫度分區(qū)處的傘狀樹相連固定。

3.6 不銹鋼構(gòu)件打磨拋光

工藝流程：表面質(zhì)量檢查→粗磨→精拋→鏡面拋光→擦亮→潔亮劑保護。構(gòu)件在工廠通過機械拋光加工為鏡面，在拼焊現(xiàn)場組裝完成，僅對焊縫及焊縫周邊打磨拋光。整棵樹安裝后，對整個傘狀樹進行精拋，確保整體鏡面效果。

3.7 有機玻璃肋板安裝

支座定位復核后，安裝支撐立桿(不含外圈12個)，校正垂直后點焊。

安裝有機玻璃肋，肋全部安裝及聚合后，焊接支撐與不銹鋼傘之間的焊縫(除外圈)。

有機玻璃肋板支撐調(diào)校工裝采用快裝卡扣式盤扣組件，可360°不同部位及角度調(diào)校,將其吊運至樹冠下部操作平臺，以樹冠其中一條主肋板為中心,1.5m×1.5m間距組拼，鋪設面積大于有機玻璃覆蓋面。

不銹鋼結(jié)構(gòu)及有機玻璃支撐桿位置復核、焊接后，以外圈12個安裝于不銹鋼支撐座的節(jié)點為基準點，進行有機玻璃肋板布置和表面調(diào)校排序，由外延向中間進行鋪設，如圖6所示。

圖6 有機玻璃肋板安裝排列

3.8 有機玻璃面板安裝

利用塔式起重機及專用吸盤工具，吸吊有機玻璃面板于肋板位置排列調(diào)校就位。以中心為基準調(diào)校點，布置調(diào)校排序，由中心向四周擴散進行鋪設。以首件為起點按順時針方向進行整列布置安裝。

3.9 有機玻璃面板與肋板粘接

面板與肋板粘接縫控制在一定范圍內(nèi)，當肋板聚合為一體結(jié)構(gòu)后，在肋板與面板接觸表面預放厚2～5mm有機玻璃顆粒，用于控制面板與肋板聚合間隙及施工時面板平整度的調(diào)整。

3.10三角區(qū)粘接

三角區(qū)有機玻璃肋板在工廠內(nèi)進行最大規(guī)格尺寸預制，在現(xiàn)場進行批量面板整體粘接，如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場三角區(qū)有機玻璃結(jié)構(gòu)批量粘接

3.11有機玻璃本體聚合

本體聚合工藝：灌料(板之間封閉腔)→聚合反應(塑料膜包覆，恒溫25℃，清潔環(huán)境)→升溫至 90～120℃， 再降溫(去除應力)→表面打磨。

3.11.1有機玻璃肋板本體聚合

1)肋板注料 將肋板和節(jié)點定位組裝后，用快速制模法制模，配置MMA拼接料進行注料。

2)肋板拼接固化 固化溫度采用恒溫(與工廠加工環(huán)境溫度一致)，溫差波動±3℃。

3)肋板拼縫打磨 拼接縫采用專業(yè)工具切削加工，表面磨平、拋光。

3.11.2有機玻璃面板本體聚合

1)面板注料 按照圖紙編號組裝，調(diào)整后進行制模，從邊緣到中心逐步進行注料。

2)面板拼接固化 板材在恒溫下固化，本體料注入拼接縫后24～48h固化，超過20h后用手按壓聚合縫表面，已硬化則視為聚合固化完成。

3)圓盤整體高溫聚合 按照階梯溫度曲線進行控溫，退火溫度70～85℃(高溫聚合)。溫控棚內(nèi)上下、中間位置布置循環(huán)風機,期間通過溫度檢測儀器實現(xiàn)智能控制。

4)圓盤拼縫處理打磨拋光 用清潔水清洗板材銑削的端面，砂皮打磨表面。

3.12溫控棚安裝

搭設傘面溫控棚滿足有機玻璃施工潔凈和工藝操作需求，溫控棚采用組裝式結(jié)構(gòu)，頂部為整體結(jié)構(gòu)，用于不同保溫棚吊裝使用，棚布和鋼結(jié)構(gòu)可快速安裝。

棚中設內(nèi)側(cè)循環(huán)風機、外側(cè)恒溫空調(diào)、加熱設備及輸送風管，根據(jù)操作方式調(diào)整恒溫期間空調(diào)和加熱器布置方法，以適應不同工況使用。

利用卡扣和螺絲將溫控棚底座固定；將保溫被套裝在PVDF膜結(jié)構(gòu)棚房外層后，整體吊裝膜結(jié)構(gòu)棚房，膜結(jié)構(gòu)棚房立面如圖8所示。

圖8 膜結(jié)構(gòu)棚房立面

3.13有機玻璃燈槽施工

燈槽加工流程：加強筋銑加工開槽→槽內(nèi)打磨拋光。將需要銑槽的筋條，經(jīng)過鉆拋加工后，移至開槽機，分9次進刀進行銑削凹槽，最后2次進行1mm以內(nèi)精刀銑削處理，保證銑削面光滑，使用小型手提式打磨機將凹槽內(nèi)打磨拋光處理。

3.14伸縮縫處理

伸縮縫底部由T形托板對伸縮縫進行托起，在有機玻璃伸縮縫板下用環(huán)氧樹脂貼聚四氟乙烯墊片，如圖9所示。

圖9 伸縮縫托板示意

3.15有機玻璃面板打磨、拋光

用清潔水清洗板材銑削的端面，依次選擇80，120，240，400，600，800，1 500號砂紙打磨表面，進行中拋→精拋→鏡面拋光。

3.16分區(qū)卸載

為保證卸載后有機玻璃面板接近同一水平面，確保不銹鋼結(jié)構(gòu)、有機玻璃面板均達到效果，采用分步卸載方案，一次卸載4把傘，按有機玻璃安裝順序自中間向兩邊擴散。卸載后采用千斤頂工裝對天溝進行水平度調(diào)整，對有機玻璃面板變形進行實時監(jiān)控。第1次卸載完成后依次卸載。

在設計荷載條件(不銹鋼+有機玻璃板)下，進行有限元卸載計算，確保面板在此撓度下偏安全，結(jié)果如圖10,11所示。

圖10 不銹鋼卸載結(jié)構(gòu)變形

圖11 有機玻璃卸載變形及應力

3.17結(jié)構(gòu)監(jiān)測

選取有限元分析計算較大應力桿件，如組合柱、樹冠、有機玻璃面板等進行監(jiān)測，對關鍵部位的內(nèi)力、位移等參數(shù)變化情況及結(jié)構(gòu)卸載期間受力狀態(tài)進行監(jiān)測，及時反饋，確保結(jié)構(gòu)安全。采用自動采集設備，將測試數(shù)據(jù)通過無線方式傳送至記錄和分析終端，實現(xiàn)智能化監(jiān)測、分析。

4 結(jié)語

江蘇園博園項目以礦坑生態(tài)修復結(jié)合江蘇水韻特色、區(qū)域文化和特色建筑建造，實現(xiàn)城市功能修補，坑內(nèi)的植物花園主結(jié)構(gòu)為傘狀網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，共42個巨型傘狀結(jié)構(gòu)連成整體，傘狀網(wǎng)殼外幕墻及屋面均采用有機玻璃，為國內(nèi)最大的有機玻璃面板系統(tǒng)，不銹鋼傘狀結(jié)構(gòu)與有機玻璃屋面的結(jié)合，在國內(nèi)外均無類似案例。為確保工程順利實施，開展了大量試驗研究和工法創(chuàng)新；研發(fā)了不銹鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)化設計、工業(yè)化制造、智能化建造一體化施工技術(shù)，實現(xiàn)不銹鋼構(gòu)件的精確制作與安裝；開發(fā)了有機玻璃設計狀態(tài)與分區(qū)施工狀態(tài)合龍溫度變化過程的仿真模擬技術(shù)及集循環(huán)風機、恒溫空調(diào)、加熱設備、輸送風管一體的溫控棚控制技術(shù)，實現(xiàn)了有機玻璃現(xiàn)場高效安裝與本體聚合，保證了效果。