城市軌道交通大跨度異形曲面鋼結構加工與安裝關鍵技術

孔 宏

（北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068）

1 引言

目前，大跨度異形曲面鋼結構技術正以迅猛速度發展，隨著人們對鋼結構造型要求的提高，大跨度異性曲面鋼結構的施工也面臨著新的挑戰。由于這類建筑結構造型多變、結構形式復雜，從而易形成縱梁、橫梁、斜梁多構件的交匯節點，加工難度巨大；這些鋼結構往往使用高空原位安裝法進行安裝，在安裝過程中常需要進行大量臨時支撐，完成主體工程后還要對這些支撐予以拆除；在復雜的拆撐施工中，不同的拆撐方法又會導致鋼結構不同的變形和受力，變形控制有時會變得比較困難或難以采取有效的措施去控制，很可能在施工過程中結構因失去平衡而傾覆，或因失去穩定而倒塌，或由于局部構件和節點強度不足而破壞，也可能成形后的結構與設計狀態相差甚遠。因此，需要打破傳統的施工做法，解決大跨度異形曲面鋼結構加工與安裝的施工難題，減少安裝拼裝的累計誤差，提高安裝精度。

本文依托北京地鐵環球影城站大跨度異形曲面鋼結構，對安裝工藝、異形曲面線型控制、小截面扭轉米字形箱形節點精確加工、大噸位復雜傘狀鋼柱節點加工、施工數值模擬、安裝精確定位、大型鋼結構屋蓋施工過程監測、高精度智能焊接控制、鋼結構屋面防水施工等技術進行研究。

2 工程概況

環球影城站是北京地鐵7號線東延與八通線南延的換乘站，為雙島型站臺，車站總長347 m，車站公共區采用四柱五跨結構形式。其中，中間跨設置鋼結構屋蓋，屋蓋分為種植區域以及玻璃屋面采光區。鋼結構屋蓋長度為200 m，最大寬度為78.2 m，采用單層空間結構體系，水平受力構件為箱型截面與H型鋼組合而成的空間曲面結構，水平抗側力構件為8個傘狀格構柱。傘狀柱弧形段通過米字型節點與弧形構件、屋面桁架梁及與屋頂曲面梁構件進行連接，該節點類型復雜，8個面均不在同一個水平面上，焊接要求全部采用一級全融透焊縫，焊接質量要求超過同行業標準。屋蓋及支撐柱不僅要重視結構的設計狀態，而且也要關心結構的成形過程，屋蓋的玻璃屋面要保障采光，種植屋面要考慮植物培育生長和防水、排水，做到不滲不漏。鋼結構屋蓋示意圖如圖1所示。

3 施工難點分析

（1）結構造型和節點復雜。鋼結構屋蓋為單層異形雙曲面結構，在各受力構件交匯處形成的米字形節點為箱形結構，抗側力構件主要由8個傘狀格構柱組成；屋蓋具有造型復雜、投影面積大、下部支撐少的特點；鋼結構網殼結構造型多變導致其結構形式復雜，從而易形成縱梁、橫梁、斜梁多構件的交匯節點，其中以米字形節點結構最為復雜，加工難度最大。

（2）制作加工難度大。傘狀鋼柱節點內部結構復雜，節點中各插板將內、外圓管分成瓦片狀，內部焊接大量加勁板，焊接量大且焊縫要求均為全熔透一級，米字形箱形構件中存在8條插板與牛腿翼板焊縫，插板較厚，為防止產生層狀撕裂，須嚴格按照工藝要求開設坡口，保證插板焊縫質量。

（3）現場焊接質量要求高。整個屋面以箱體為主體結構，其中由圓管轉換箱體的傘狀柱節點作為整個屋面結構的核心支撐構件，其焊接質量和加工尺寸精度顯得尤為重要；傘狀柱弧形段通過米字形節點與弧形構件、屋面桁架梁及屋頂曲面梁構件進行連接，該節點類形復雜，8個面均不在同一個水平面上，焊接要求全部采用一級全融透焊縫，焊接質量要求超過同行業標準；本工程鋼材材質主要為Q345C、Q345GJC及Q390C、Q420C，施工現場焊接主要包括鋼柱、鋼梁及桁架焊接，焊接過程時間長，收縮大，變形控制困難；工程施工周期長，現場焊接受大風、降雨、高溫等天氣影響較大。

（4）安裝精度控制難。屋蓋曲面多變，每個節點拼接桿件多且方向各異，現場安裝定位難度大；施工過程中結構本身因跨度大、自重大會產生較大變形，且支撐胎架在荷載作用下也會產生變形；安裝產生的次生應力、焊接產生的殘余應力也有可能導致次生應變、殘余應變的累積，使安裝誤差難以控制。

（5）鋼結構健康性要有保障。結構本身跨度、自重大，在施工過程中，荷載多變、結構動態瞬時變化頻繁，因此需對關鍵節點的應力進行實時監測。

（6）種植屋面防水處理與施工困難。種植屋面，即在鋼結構屋面上設置種植區域，為更好地起到承托、防水等作用，種植區域往往設置混凝土屋面板；相對于普通混凝土，屋面板現澆混凝土澆筑環境具有較大的差異性，其普遍厚度小、面積大，其硬化過程中的收縮可能會造成混凝土產生較多的貫通裂縫；混凝土板也會由于曲面造型的原因，在曲面波峰處會產生較大的拉應力致使混凝土板開裂；屋面板混凝土常年暴露于大氣環境下，在夏季多雨季節須防止雨水下滲，屋面混凝土應具有良好的抗滲性。

（7）信息交叉多，協調難度大。在工程設計施工及監測過程中存在大量的信息，包括鋼結構屋蓋的設計形式、鋼結構屋蓋的加工信息、鋼結構屋蓋的安裝詳細信息以及變形、應力應變監測信息。這些信息具有交叉性，屋蓋的設計形式不同，會影響到加工安裝監測，屋蓋加工質量也會影響后續施工。因此，統一規劃協調，保持信息的傳遞完整性、流動性、靈活性，是設計施工安裝監測中的難點。

4 施工工藝及關鍵技術

4.1 安裝工藝

（1）針對本工程的難點，結合以往大跨度異形曲面鋼結構加工與安裝的施工經驗，本工程將大跨度鋼梁等拆分成分段構件，在工廠加工并對相應構件進行編號、加工和分批供應，運輸至施工現場。

（2）在構件安裝前采用一般有限單元法的一次性建模法對結構進行施工過程模擬分析，結合施工過程中結構、荷載、邊界條件的變化，對結構建立整體計算模型，并劃分相應的施工階段進行分析，準確模擬結構在施工過程中內力和變形的變化情況，確保安裝、卸載方案合理安全，為施工提供監測數據依據。

（3）構件進至現場后進行分區對稱安裝，采用汽車吊配合大型履帶吊將其吊裝就位，對格構式支撐架進行臨時支撐定位，最終在屋蓋中部進行連接合龍，并拆除臨時支撐架完成受力轉換；按照對稱軸從兩側向中間對稱安裝，整體合龍后，采用“分區域同步卸載”的方式進行卸載完成受力轉換，控制鋼結構整體不均受力和變形。

4.2 異形曲面線型控制

根據概念設計圖紙，采用Tekla軟件進行1 : 1建模，整體鋼結構屋蓋模型如圖2所示，將體系中的結構型材、面板、節點盤等主要部件逐個分解，確定構件的精確尺寸；對鋼結構構件進行碰撞檢測查找相關問題，實現構件廠精確生產控件及現場模擬安裝指導。

4.3 小截面扭轉米字形箱形節點精確加工

本項目在各受力構件交匯處形成的米字形節點為箱形結構，構件8個端口均存在扭轉段，每個扭轉段的尺寸均不相同，節點焊縫多且密集。中間3塊內隔板厚度均超過45 mm，焊接操作空間狹小。考慮折彎精度、焊接變形等因素，加工的重點為采取合理的安裝順序保證內隔板、主體焊縫質量和構件尺寸精度，具體采用如下安裝順序及方法。

（1）先對構件各板材進行點焊定形，組裝到一定程度檢查構件拼接形狀再進行滿焊，減小焊接過程中構件累計變形。

（2）節點內部水平加勁板有8處與內隔板或腹板頂緊不焊，其余部位與腹板、牛腿腹板、內隔板之間均為全熔透焊縫；對翼板、內隔板、腹板、封板等按合理順序組裝，在滿足整體性要求的情況下，使狹小內部空間的節點加工得以順利實現。

（3）焊接腹板與上、下翼板之間的焊縫時，在翼板端頭加設臨時支撐，可減少翼板焊接過程中的變形，保證節點加工精度。

（4）先單獨組裝牛腿，再將其精確裝配至主體結構上，以保證牛腿尺寸精度；4個牛腿對稱裝配，以減小主體結構焊接變形。

4.4 大噸位復雜傘狀鋼柱節點加工

（1）為滿足現場異形曲面造型，提高連接強度減輕結構重量，采用傘狀節點作為主梁與鋼柱的連接節點。傘狀節點是整個鋼結構屋面的水平抗側力及豎向支撐的主要部件，為空間異型空心節點。傘狀節點由內弧形板、外弧形板、插板、水平加勁板、弧形牛腿組成。

（2）為避免 8 塊插板焊縫重疊，傘狀節點內部由直徑600 mm×壁厚40 mm 的圓管分割成弧形板作為中心結構，8塊插板對稱成為受拉過渡結構。傘狀節點外部由 8 個弧形牛腿及相應內隔板內外相貫、交叉組合而成。

（3）利用Tekla軟件做出節點三維模型，根據模型導出CAD圖，將構件中所有零件生成為1 : 1 CAD圖紙，利用下料軟件生成數控程序，將生成的程序傳輸至數控切割設備進行切割下料；有弧度的零件使用滾筒機進行弧度加工；將零件進行割縫處理并在開坡口后進行組裝焊接，組裝時控制組裝精度；所有焊縫采用CO2氣體保護焊對節點進行全熔透等強焊接。

4.5 施工數值模擬

（1）經過Tekla軟件進行1 : 1建模后，形成BIM模型數據，利用BIM模型進行施工模擬，通過施工模擬可以確定施工空間順序和時間順序，排除實際施工中可能遇到的問題。

（2）運用MIDAS/GEN有限元分析模型對鋼格構柱進行整體受力分析、穩定性驗算及工況分析復核；對每對結構分段吊裝的施工過程進行模擬，了解結構的內力和位移變化情況；采用目標優化方法，按結構和支撐胎架卸載過程中受力最優原則，對支撐架卸載進行模擬，避免支撐架卸載過程中發生安全生產事故。

4.6 安裝精確定位

本工程安裝過程精度主要從安裝定位測量精度、焊接變形2個方面進行控制。首先，基于BIM技術對施工過程進行模擬，確定鋼結構構件安裝過程中關鍵點位坐標，避免鋼結構構件間間距不符合設計要求導致無法安裝的問題。其次，利用智能放樣平臺對異形節點安裝點位進行實時定位和糾偏。最后，結合三維掃描和BIM模型比對技術，對異形曲面主要節點實測三維坐標值，并與設計值進行比較，如圖3所示（圖中D、Dx、Dy、Dz為坐標差值）。采用上述技術方法進行預拼裝精度對比表明，構件安裝精度值均滿足相關規范要求。

4.7 大型鋼結構屋蓋施工過程監測

對大型鋼梁、復雜節點安裝過程進行應力、應變監測，及時了解結構工作狀態，并進行安全性判斷；在網架合龍與卸載應力階段進行監測，及時了解構件應力應變狀態，并對鋼結構構件性能進行評判，保證施工安全。本工程鋼結構的施工監測布點根據測點所處的位置共分為2類，第1類為屋面箱型梁監測點，如圖4所示，第2類為傘狀柱監測點，如圖5所示。

監測點數據監測采用ARM-M系列處理器，并配合DVW數據采集軟件實現振弦式傳感器遠程無人值守采集、預警，監測任意時刻的實時應力、溫度數據；對施工過程異形曲面測點應力及變形實測值與計算值進行對比，及時對曲面的線形進行控制；對于結構安裝及卸載過程、結構完工過程、結構經歷大風荷載過程、結構經歷地震作用過程（如果發生），監測系統可提交相應應力及變形情況報告，并對極端災害事件造成的前期環境、荷載及作用、結構特性以及結構響應的異常在第一時間給出災害警報。

4.8 高精度智能焊接控制

本工程焊接部位非常多，考慮壁厚處理、焊接收縮、焊接間隙等影響因素，利用BIM模型導出焊接節點相關數據，包括但不限于焊接方法、鋼結構型號、焊接長度、焊縫厚度等，根據相關參數進行數值化焊接；通過對焊接及探傷工程量的統計，合理調配焊接設備及人員，保證焊接的進度和質量。對焊縫施焊信息進行集成與統計，掌握焊工的焊接水平；焊縫檢驗結果通過系統反饋至數字模型中，實現對焊縫檢測結果的統計，全過程記錄每一條焊縫的返修過程，實現焊縫質量的全面跟蹤。

4.9 鋼結構屋面防水施工

施工過程防滲漏水控制重點是鋼筋桁架樓承板與異形曲面鋼結構連接施工以及鋼結構種植屋面防水施工。在本工程中，采用如下技術手段應對防水問題。

（1）屋蓋種植屋面混凝土樓板采用鋼筋桁架樓承板，鋼筋桁架樓承板是將樓板中鋼筋在工廠加工成鋼筋桁架，并將鋼筋桁架與底模連接成一體的組合模板。鋼筋形成桁架，承受施工期間荷載，底模托住混凝土；混凝土采用超長曲面薄板種植屋面補償收縮混凝土，屋面和地下室變形縫采用防水的互扣式變形縫構造，與基層結構變形相適應。

（2）為保證種植屋面上的植物既能培育生長，又要防水和排除積水，做到不滲不漏，則需要加強種植屋面的構造層次，在本工程中實施如圖6所示的自下而上的構造層次：100 mm厚混凝土組合樓板或樓撐板，自粘隔汽層，70 mm厚擠塑聚苯保溫層，20 mm厚水泥砂漿找平層，3 mm厚SBS改性瀝青防水卷材，4 mm厚SBS耐根穿刺防水卷材，40 mm厚C20混凝土保護層內配φ6 mm@200 mm鋼筋網，20 mm厚HDPE聚乙烯排蓄水層，無紡布滲水層，300 mm厚輕質種植土，植被層。

通過采取以上技術方法，保證樓承板的安裝，對曲面坡屋面種植防滑加固；達到對樓承板安裝、防水施工質量進行控制；有效保護施工完成的成品；輔助各部門避免或減少施工過程中防水問題的發生；有效提升鋼結構屋蓋防水工程質量。

5 結束語

本文以北京地鐵7號線東延環球影城站大跨度異形曲面鋼結構為背景，對大跨度異形曲面鋼結構的加工與安裝施工關鍵技術進行了全面系統的研究與闡述，解決了大跨度異型曲面鋼結構的制作、拼裝、變形控制、施工監測、防水等技術難題；為鋼結構施工方案安全性及可行性的判定提供了可靠依據；有效保障了大跨度異形曲面網殼鋼結構施工安全及質量，縮短了施工周期，取得了較好的經濟和社會效益，積累了地鐵車站大跨度異形曲面網殼鋼結構屋蓋的相關施工經驗。以期為其他類似大跨度異形曲面網殼鋼結構的軌道交通工程建設提供參考和借鑒。