觀音圣壇圓通大廳單層斜交異形雙曲鋁合金結構設計與施工*

歐陽元文，尹 建，劉小蔚，李志強

(1.上海通正鋁結構建設科技有限公司，上海 201612；2.上海建科鋁合金結構建筑研究院，上海 200230)

1 工程概況

觀音法界一期觀音圣壇位于舟山市普陀區朱家尖香蓮路北側，總建筑面積66 058m2。其中地上約63 363m2，地下約2 695m2。圣壇地上10層，地下局部1層，1層至頂部寶珠高91.9m。圣壇中央為貫穿1～9層通高的圓通大廳。圓通大廳為單層斜交異形雙曲面網殼結構，是整個項目的核心景觀。圣壇整體剖面如圖1所示。

圖1 觀音圣壇剖面

單層網殼結構坐落于底部混凝土殼體上，與混凝土結構融為一體，共同構成須彌山圣殿。結構高約32.65m，頂部直徑為21.48m，底部直徑為18.3m，中間最小直徑為7.5m，展開面積約1 264m2。因鋁合金結構具有輕量化、耐久性、數字化、一體化、裝配式、綠色環保等優點[1-2]，本項目采用鋁合金單層網殼結構。網殼由三維曲線旋轉形成，四邊形網格節點形成雙曲面，網格360°進行12等分。中間向上、下部位沿藝術曲線平滑過渡，整體造型優美，曲線流暢，自下而上連為一體，如圖2所示。網殼表面采用空間多曲鋁板，鏤空部位鑲嵌馬鞍形雙曲A類防火玻璃，采用鋁合金裝飾一體化結構，無需次龍骨，無縫安裝玻璃及鋁板，實現圍護結構、燈光照明和主體結構一體化設計與施工，最終形成佛教藝術建筑，鋁合金裝飾一體化節點如圖3所示。

圖2 圓通大廳整體模型

圖3 鋁合金裝飾一體化節點

2 計算分析

2.1 靜力分析

本工程鋁合金網殼結構網格尺寸約1.4m，采用6061-T6 鋁合金材料，主要荷載為恒荷載1.0kN/m2(玻璃及鋁板裝飾等)、活荷載0.5kN/m2、地震作用(抗震設防烈度7度，基本地震加速度0.10g，設計地震分組第一組，場地類別為Ⅲ類，場地特征周期0.45s，阻尼比0.02)及±20℃升降溫對結構的影響。

采用SAP2000及3D3S軟件對結構進行設計計算，采用理想彈性材料。結構桿件采用工字形截面H200×150×10×15，H200×150×12×20。各荷載工況組合作用下，最大桿件應力比約0.6，出現在腰部附近；其余桿件強度應力水平均較低，如圖4所示。

圖4 鋁合金構件強度應力比

2.2 結構變形分析

在恒荷載和活荷載標準值作用下，屋蓋結構豎向位移如圖5所示，累積豎向位移為129.9mm。通過分析節點間相對位移，得到網格區格間最大相對變形值為11.64mm，小于玻璃預留安裝間隙15mm，不會擠碎玻璃。

圖5 荷載作用下結構豎向位移

2.3 整體穩定性分析

鋁合金單層殼體結構除需控制強度和變形，還需控制整體穩定性，其為承載力的決定性因素。根據JGJ 7—2010《空間網格結構技術規程》中第4.3.3條進行網殼全過程分析，應考慮初始曲面形狀安裝偏差的影響，可采用結構的最低階屈曲模態作為初始缺陷分布模態，其最大值可按1/300跨度取值。采用ABAQUS軟件對結構進行穩定性分析，結構彈性階段整體分析結果如圖6所示，屈曲荷載系數為6.44>4.2，滿足規范要求[3]。

圖6 彈性階段屈曲分析結果

考慮幾何非線性與初始缺陷的影響，利用弧長法對結構進行非線性穩定性分析，提取結構中位移最大的節點荷載-位移全過程曲線進行跟蹤，取臨界荷載為結構的極限荷載，得到結構荷載倍數-位移曲線。恒荷載+活荷載工況作用下結構荷載系數-弧長曲線如圖7所示。考慮初始幾何缺陷及材料彈塑性得到的結構整體穩定性荷載系數為 5.38，>2.0，滿足規范要求[3]。

圖7 弧長法結構荷載系數-弧長曲線

3 關鍵施工技術

3.1 施工重難點

3.1.1高精度三維彎扭工藝

本工程所有6061-T6鋁合金桿件與一體化6063-T6玻璃壓板均為彎扭桿件，彎扭構件數量極多，曲率均不同，且同一構件彎扭曲率為多曲率分段控制，彎扭難度級別為最高級別即A級別即特級彎扭難度，彎扭工藝復雜。彎扭桿件及壓板如圖8所示。

圖8 彎扭桿件

經多次試加工，確定最終解決措施為：①將現有重型數控滾輪式三輥機升級改造為三維冷彎專用重型數控滾輪式三輥機，同時升級數控軟件；②為保護冷彎過程中定制截面構件翼緣及企口，配合使用特殊定制滾輪及高強度填充物，確保冷彎后桿件及壓板整體形態，避免出現不可控變形造成的安裝困難及材料強度折減；③彎曲和扭轉時，桿件兩端均需夾具固定，過程中各桿件兩端預留0.5～1.0m操作長度及加工余量，完成后切除。

通過三維模型展開放樣加工彎扭節點盤，根據實際曲率進行數控加工及多次人工校準，確保節點盤有效連接，建筑外觀整體一致。

3.1.2多曲面型材生產加工工藝

為達到建筑結構一體化的藝術形態和美學效果，主桿件外包鋁板也為復雜多曲面鋁板，如圖9所示。項目涉及鋁板共計9 408塊，彎扭曲率各不相同，彎扭控制難度大、精度要求高。解決措施為：①每塊鋁板單獨導出模型進行三維放樣，將鋁板先彎曲后分開焊接加工；②焊接后進行表面處理，為達到設計要求，成型鋁板安裝采用“先用沉頭鉚釘固定，后用交流鎢極氬弧焊焊接對接接縫，焊縫打磨拋光，現場噴涂氟碳面漆”的施工方法。

圖9 三維多曲面鋁板

3.1.3空間構件二次精加工工藝

標準項目中由于桿件、壓板和節點板無彎扭(或只有輕度彎曲)，所以一般的二次加工程序只有陽極氧化和人工校準[4]，標準平面玻璃的切割打磨工序也相對簡單。本項目構件均為復雜三維彎扭空間構件，安裝精度要求高，構件定位難度大。引入5軸機械臂和三維定位儀器完成二次精加工，可提高加工精度，降低材料二次加工廢損率。

3.1.4多曲面鋼化防火玻璃制作工藝

本項目采用馬鞍形雙曲玻璃(見圖10)，面材為超白鋼化防火玻璃，同時具備半透明的磨砂效果，國內尚無應用先例。

圖10 多曲鋼化玻璃三維示意

目前大部分國內廠商只能制作出單曲面玻璃，為滿足設計要求，需對現有曲面玻璃制作工藝進行創新。主要采取以下措施：①對現有鋼化爐升級改造，將其替換成能使用特殊不銹鋼模具的鋼化爐，以便進行雙曲玻璃鋼化工作，同時在加工過程中不斷進行調試和改進，如圖11所示；②防火玻璃須經過精磨邊和拋光處理，異形玻璃無法在雙邊機上拋光，須在單邊機上逐塊拋磨，人工成本高，次品率高，需嚴控加工誤差；③采用以色列DP公司打印機及高溫陶瓷油墨工藝進行著色；④夾膠工藝方面采用成本較高的真空預壓技術，每片玻璃通過單獨使用一次性真空包裝袋預壓完成夾膠作業。

圖11 改造的玻璃鋼化成型模具

3.2 預拼裝與施工安裝

3.2.1預拼裝

本工程鋁合金網殼為復雜異形結構，為保證網殼安裝后的建筑效果，制作精度和安裝精度要求極高[4]。因此，網殼桿件制作完成后，進行大范圍分段預拼裝，確保網殼桿件曲線流暢優美，螺栓孔位精確，各方面技術參數符合設計圖紙及規范要求。根據網殼直徑及曲面變化，將網殼分為9個區段(見圖12)，每段拼裝高度控制在4m以內，最大拼裝半徑為18m。

圖12 預拼裝段劃分

3.2.2施工安裝

本工程采用滿堂腳手架高空散裝法施工，因結構為兩端大、中間小的寶瓶形狀，最窄處僅7.1m，對桿件和節點的安裝操作空間不利，且腳手架搭設也存在很大風險及困難。為避免桿件與腳手架碰撞，保證網殼施工順利，腳手架搭設前應建立BIM模型對網殼與腳手架進行碰撞校核(見圖13)，優化腳手架圖紙，將施工中可能出現的碰撞問題消除在腳手架圖紙設計階段。

圖13 BIM碰撞校核模型

桿件及構配件的加工誤差均控制在毫米級別，對安裝精度要求高，施工過程中需對安裝定位進行精密測量，保證網殼安裝精度[5]。采取的措施為：①增加測量控制點布設密度，每根桿件至少選取3個測量點，同時測量三維坐標；②增加測量儀器布設數量，每層平臺至少布置4臺全站儀；③施工時每個節點一點測量、多點復核；④施工過程中，定期檢測結構形變；⑤每開始一道工序，應對上道工序進行測量復核；⑥施工測量工作全過程緊密配合。

為保證結構安裝達到預期效果，綜合考慮結構自身特性和施工空間狹小的因素，采用滿堂腳手架高空散裝法。自下而上一次安裝鋁合金網殼，每安裝一段鋁合金桿件進行一次校正，避免安裝誤差累積。同時，邊裝鋁合金結構邊搭設腳手架，腳手架搭設貫穿整個網殼安裝過程，實現一次安裝成型、一次安裝合格。

網殼安裝完成后進行玻璃、鋁板安裝，安裝順序自上而下，每安裝一段玻璃拆除一段腳手架，腳手架拆除貫穿整個玻璃安裝過程。玻璃安裝開始后，實時監測結構應力、應變，防止結構內應力過大擠碎玻璃，造成重大成本與工期損失。本工程選用的馬鞍形異形雙曲玻璃單片造價高，安裝過程中需采取嚴密的成品保護措施。玻璃安裝前需對安裝工序進行分解，編制安裝工藝卡，并向作業人員進行技術交底，保證玻璃及鋁板安裝準確、流程規范合理。

4 結語

1)結構在各種荷載工況下應力水平較低，變形滿足使用要求；整體穩定性分析結果表明，考慮幾何及材料雙非線性，結構屈曲穩定安全系數滿足規范要求；結構靜力分析表明，鋁合金單層網殼性能優異，滿足設計與使用要求。

2)由于本項目為異形雙曲面復雜結構，且為藝術類精品建筑，結構及裝飾圍護體系加工生產工藝復雜且困難，詳細闡述其加工重難點及解決措施，可為該類藝術類建筑施工提供參考。

3)詳述預拼裝與安裝關鍵技術，可為類似狹小安裝空間異形結構體系的施工積累經驗。