復雜須彌山形空間彎扭鋁合金結構施工技術*

孫曉陽，楊 鋒，趙 海，趙 旭，李正浩

(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

普陀山觀音圣壇項目位于浙江省舟山市朱家尖景區白山風景區南側。建筑形態來源于普陀山普濟寺所供奉的毗盧觀音像。總體布局為“一主兩從”的建筑群，包括圣壇、善財樓、龍女樓和廣場。總建筑面積61 900m2。圣壇室內須彌山結構裝飾一體化工程，為軸心對稱的多曲面空間藝術造型建筑，凈高度約55.8m，須彌山上部空間彎扭多曲面鋁合金網殼結構呈寶瓶瓶頸狀(見圖1)，結構平面呈圓形，結構總高32.7m，底部直徑18.17m，中部直徑7.6m，頂部直徑21.65m，鋁合金結構桿件共7 000余塊，玻璃587塊。

圖1 空間彎扭鋁合金結構效果

2 施工難點及新技術應用

2.1 施工難點

1)本工程鋁合金結構均為雙曲面桿件，加工制作難度大，安裝成型的精度要求高。

2)對超高鋁合金結構進行分段預拼裝，精度控制難，且結構截面呈環形，預拼裝過程結構應力復雜，如何控制整體沉降、避免構件變形是難點。

3)室內安裝空間狹小，大型起重機械、運輸設備使用受限，鋁合金桿件、玻璃運輸及吊裝難度較大；裝飾節點構造復雜，安裝工序繁瑣，如何創新應用鋁合金結構施工技術、保證安裝質量是難點。

2.2 新技術

以常規鋁合金施工技術為根本，與數字化技術、科學指導相結合作為指導思想，結合工程實際采用的新技術包括鋁合金桿件制作工藝、鋁合金結構分段預拼裝技術、空間點陣測量定位技術、基礎鋼平臺安裝工藝、高空盤扣架搭設技術、鋁合金桿件安裝技術、鋁合金結構卸載、多曲面防火玻璃及裝飾鋁板安裝工藝、應力應變監測技術。

3 關鍵施工技術

3.1 工藝流程(見圖2)

圖2 工藝流程

3.2 鋁合金桿件制作工藝

3.2.1空間彎扭鋁合金桿件制作工藝

1)深化設計 應用BIM技術建立鋁合金結構三維建筑信息模型并進行虛擬論證，主要對鋁合金結構與另一形式結構連接的節點部位進行重點深化研究，從完成效果和后續專業施工角度實現深化設計，明確工程中使用的復雜桿件外形及功能要求。包括雙曲鋁合金桿件、雙曲鋁合金節點板、雙曲十字形連接板及環槽鉚釘緊固件。

2)桿件加工 為實現鋁合金結構彎扭效果，定制化改造了現有重型數控滾輪式三輥機。通過控制彎扭制作角度，對較大彎扭角度桿件進行≥10次彎扭，之后進行彎扭校正，簡化曲面加工過程，確保了鋁合金桿件曲率要求，提高彎扭精度。

3.2.2鋁合金結構分段預拼裝技術

3.2.2.1預拼裝工藝流程

在桿件制作完成后及出廠前，按鋁合金結構整體分段原則，每分段桿件加工完成后進行分段預拼裝，并進行觀感質量驗收，確保各方面技術參數符合設計圖紙及規范要求，提升生產制作效率。施工流程為：構件分段制作→環形鋼梁安裝→測量找平→鋼支撐安裝→腳手架搭設→構件預拼裝→觀感質量驗收→安裝數據測量→保護性拆除→構件包裝。

3.2.2.2預拼裝分段

鋁合金結構分為8個預拼裝段，每段高度控制在4m左右，最大預拼裝截面約21.65m，最小截面約7.6m，縮短了整體預拼裝工期，確保高精度控制結構分段曲率。

3.2.2.3預拼裝作業平臺

預拼裝結構高度≥2.0m時，搭設預拼裝階段作業平臺(見圖3)。該作業平臺采用盤扣式腳手架搭設，沿環形鋼梁內、外側各1.5m搭設環形腳手架。腳手架為φ48×3.2標準盤扣式腳手架，依據規范要求確定立桿橫距、縱距、步距，布設防護欄桿、安全通道等，確保了預拼裝階段施工安全，有效提升了施工效率。

3.2.2.4預拼裝專用工裝

鋁合金結構預拼裝應力和側向位移存在對拼裝結構造成永久性損傷的可能性。通過在預拼裝過程中采用專用工裝，以消除反力造成的集中應力和側向擠壓，專用工裝由轉換支架和環形鋼梁組成。

1)轉換支架 采用與鋁合金桿件截面相近的H型鋼(Q235B)制作轉換支架，支撐角度根據預拼裝段桿件角度放樣確定，轉換支架高度控制在800mm以內，支撐下部通過銷軸連接副連接在環形鋼梁上，上部通過節點連接固定預拼裝段，支撐數量根據預拼裝段的節點尺寸確定。

2)環形鋼梁 為保證構件生產制作及現場安裝的連續性，確保工序銜接緊湊，采用環套環的環形鋼梁作為預拼裝平臺，主要用于網殼預拼裝時固定轉換支架，由主梁、次梁組成，主梁、次梁選用H型鋼(Q235B)制成。環形鋼梁尺寸根據預拼裝段截面確定，轉換支架點位數量經計算確定，控制在4～8個并對稱布置。

3.3 高空鋁合金施工操作平臺搭設技術

3.3.1基礎鋼平臺安裝工藝

1)地下室鋼結構斜撐加固 經過結構受力驗算，基礎轉換鋼平臺中間4個支座落在首層混凝土框架梁上，框架梁下部通過設置八字鋼結構斜撐進行頂撐加固，將框架梁承受的荷載傳遞至柱上，以確保結構安全。經設計確認，加固措施可行。地下室鋼結構斜撐加固節點如圖4所示。

2)基礎鋼平臺搭設 根據工程現場情況，基礎轉換鋼平臺設置為長20m、寬20m，梁下距離首層地面高度為4.5m，柱、主梁、次梁均采用H型鋼加工制作。基礎轉換鋼平臺共12個立柱，其中8個立柱通過預埋板安裝在地下室混凝土結構柱上，4個立柱通過預埋板安裝在地下室混凝土框架梁上。基礎鋼平臺安裝工藝如圖5所示。

圖5 基礎鋼平臺安裝工藝

3.3.2高空盤扣式腳手架搭設技術

3.3.2.1高空盤扣式腳手架搭設

1)腳手架分區設置 在基礎鋼平臺上搭設盤扣式腳手架作為操作架，根據工程現場情況，腳手架搭設長度20m、寬度20m，凈高度49.84m。根據須彌山造型特點，將腳手架劃分為3個分區(見圖6)：A1區腳手架共33步，A2，A3區腳手架均為10步。

圖6 腳手架平面分區

2)支架搭設 根據專項施工方案與支架體系平面布置圖，采用彈線放置每個可調底座，確保位置正確。嚴格按照施工流程作業，平面方向先采用4根立桿組成1個塔式穩定體，安裝水平橫桿后再向周邊擴展，垂直方向搭完1層后再搭設次層，以此類推。在場地四周施作0.500mm水平標記，拉通線找平。第1步支撐組立完成后，以水平尺控制，確保每個可調底座達到同一水平位置。各桿件采用插銷結合，結合后再以榔頭槌實。

3.3.2.2材料運輸及安全通道設置

1)材料水平運輸 采用標準板車完成水平運輸，板車自圣壇主入口進入，從水平運輸通道運至基礎轉換鋼平臺垂直運輸洞口正下方卸料，板車水平運輸通道應做好警示標識，并安排專人監管。

2)材料垂直運輸 在頂部9層樓板上安裝1臺2t標準電動葫蘆，通過腳手架中間的垂直運輸通道完成材料處置運輸。

3)本工程在室內施工，材料垂直運輸受限，為滿足施工需求，在滿堂腳手架中心設置6m×2m的垂直運輸通道，垂直運輸通道洞口的設置應滿足最大構件外形尺寸要求。水平運輸、垂直運輸及安全通道如圖7所示。

圖7 水平運輸、垂直運輸及安全通道示意

3.4 鋁合金結構安裝技術

3.4.1空間點陣測量定位技術

3.4.1.1項目坐標系建立

1)坐標原點 須彌山中央經線與水平面的交點為坐標原點。

2)坐標方向 圣壇主入口中線為縱軸線，北方向為正向，橫軸線垂直于縱軸線。

3)單位長度 同設計圖紙，單位長度為1mm。

3.4.1.2三維點陣測量體系建立

根據須彌山鋁合金結構多曲面形構造規則，建立三維空間點陣體系，采用多點位分層測量的施工方法，以3層的4個測量控制點作為測量基準點(見圖8)，布置平面控制網，利用各層標高控制線布置高程控制網，解決室內無法使用GPS定位儀布置測量控制基準點的難題。

圖8 空間點陣測量定位技術

3.4.2鋁合金桿件安裝技術

3.4.2.1安裝分段劃分

鋁合金桿件依據曲率和高度分為12段進行施工，逐層向上邊搭設腳手架邊安裝，腳手架也同步安裝12次，確保了全流程動態施工，提高了施工效率。

3.4.2.2安裝工藝

采用滿堂腳手架高空散裝法，自下而上一次安裝鋁合金結構，為避免安裝誤差累積，每安裝1跨鋁合金桿件后，進行1次校正。邊安裝鋁合金桿件邊搭設腳手架，腳手架搭設貫穿整個網殼安裝過程，且每段安裝彎扭鋁合金桿件和節點板時，始終保持腳手架搭設進度比安裝進度快1段。

1)鋁合金桿件及十字芯連接板安裝工藝 研發一種十字芯連接板進行鋁合金桿件連接，可避免在桿件上二次開孔，滿足須彌山鋁合金結構大空間異形復雜形體的節點結構強度要求。

2)鋁合金節點板及維護插銷底座安裝工藝 待1圈鋁合金桿件及十字芯連接板安裝完成后，在十字芯連接板外側安裝鋁合金節點板，鋁合金節點板采用鋁合金專用M10螺栓鎖緊連接，進一步在鋁合金節點板外側采用螺栓固定維護插銷底座，用于裝飾鋁板安裝。鋁合金節點板、沉頭Huck不銹鋼螺釘、裝飾板與鋁合金桿件均為擠壓成型。

3)內側EPDM膠條安裝工藝 采用具有耐熱性、耐候性的EPDM膠條安裝固定于須彌山鋁合金結構內側，確保結構連接性、密封性、裝飾性和安全性能均符合設計要求。

3.4.3卸載技術

卸載過程中，采用數碼視覺位移監測系統對須彌山鋁合金頂部外圈4處對稱點做實時位移監測，卸載完成后對所有點進行位移監測，卸載時間為1個月。須彌山鋁合金結構所有造型點的位移監測結果表明，卸載后的須彌山鋁合金結構滿足設計要求，整體沉降40mm左右，小于設計預定值100mm。

3.4.4多曲面防火玻璃及裝飾鋁板安裝

3.4.4.1玻璃吊運

采用的硼硅防火玻璃為多曲面玻璃，規格為6mm+3.04SGP+6mm，最大構件外形尺寸為長3.458m、寬2.283m，玻璃尺寸較大，電動吸盤吸不牢靠，為保證施工安全，采用吊帶進行吊裝。針對長度<1.8m的玻璃利用吊帶綁扎；長度>1.8m的玻璃，參照長度<1.8m的吊帶綁法，雙面綁扎、立面吊裝。

3.4.4.2玻璃安裝分段劃分

玻璃依據人均承重不得超過30kg，按照由上至下的安裝順序，共劃分為8個施工段，安裝玻璃前先安裝玻璃托條并檢查確保牢靠，保證玻璃的臨時固定安全。

3.4.4.3裝飾鋁板及防火玻璃安裝工藝

1)鋁合金桿件、節點板防火涂料施工工藝 清除鋁合金結構桿件表面灰塵和其他粘附物，保證桿件表面無水漬、油污等，采用壓送式噴涂機進行無機鋁合金防火涂料噴涂工作，噴嘴與基面基本保持垂直，噴槍移動方向與基材基本平行，局部鏤空處可采用人工涂刷完成。

2)側封板、燈槽板、遮光板安裝工藝 鋁合金側封板、燈槽板、遮光板的安裝順序是從每個縱向桿件的第1排開始，逆時針自上而下安裝，安裝完成2層后，應進行精度檢查，以便及時消除誤差。采用單面施工的鉤形螺栓固定。

3)外側EPDM膠條安裝工藝 同內側EPDM膠條安裝工藝一致，根據外側構造節點進行外側EPDM膠條安裝，并同步安裝M8螺栓，用于固定鋁合金墊框和鋁合金玻璃壓板。

4)玻璃托條及硼硅防火玻璃安裝工藝 須彌山鋁合金玻璃幕墻采用板塊安裝，在每塊玻璃板塊下端設置2個不銹鋼托條，托條主要承受分格玻璃自重，長度應≥100mm，厚度應≥2mm，高度不應超出玻璃外表面，托條上應設置襯墊。

5)不銹鋼壓板及鋁合金墊框安裝工藝 根據M8螺栓布設位置，沿鋁合金桿件方向在M8螺栓兩側安裝不銹鋼壓板，壓板材質同不銹鋼托條，長50mm；同步在M8螺栓上固定安裝鋁合金墊框。

6)防火膠條及鋁合金玻璃壓板安裝 采用鑲嵌式密封防火膠條，在須彌山鋁合金桿件上預留了15mm寬卡槽；鋁合金玻璃壓板的安裝應表面平整，色彩一致，接縫應均勻嚴密。

7)外側及內側端頭鋁板安裝工藝 首先安裝外側端頭鋁板，采用鑲嵌式固定，全部安裝完成后進行內側端頭鋁板安裝固定。

3.4.5應力應變監測技術

在須彌山鋁合金結構分段拼裝至沉降穩定過程中，對結構應力進行監測。由監測結果可知，在每輪鋁合金桿件(或玻璃)開始安裝階段，應力呈階梯狀緩慢上升趨勢，表明過程中鋁合金結構應力緩慢增加，無局部異常突變情況，整體鋁合金結構應力應變正常。

4 質量管控要點

4.1 構件截面尺寸保證措施

1)為保證截面尺寸準確，須預留一定的加工余量。

2)H形鋁合金桿件制作、彎曲、扭轉要在專用設備上進行。

3)工廠預拼裝場地必須為夯實場地，預拼裝應在堅實、穩固的預拼裝平臺或胎架上進行。

4)組對好的構件應及時進行截面尺寸檢查，尺寸檢查合格后方可進行下道工序。

4.2 構件運輸質量保證措施

1)構件運輸原則是減少變形、降低運輸成本、保證現場成套組裝、方便安裝、保證現場安裝順序及安裝進度。

2)堆置構件時，應避免構件發生彎曲、扭曲及其他損傷。

3)為方便安裝，應使構件按安裝順序進行分類堆放及運輸。

4)包裝零散件，以免裝運、搬卸、儲存期間受損壞，在每件包裝外做好標簽，標出名稱、規格、型號、重量及所屬安裝區域等，并與相匹配的出廠段同時運至安裝現場，以保證現場成套組裝。

5)構件裝運時，應考慮車輛的顛簸，做好臨時性綁扎和加固，以防構件變形、散失和扭曲。

6)運輸時應在車上鋪好墊木，用倒鏈封車，并對倒鏈與構件接觸部位實施保護措施。

7)根據施工現場安裝順序進行運輸，同一施工段的構件應根據制作和安裝進度集中統一運輸。

5 結語

本文結合普陀山觀音圣壇項目中須彌山形空間彎扭鋁合金結構施工，介紹了復雜空間彎扭鋁合金結構施工技術，包括鋁合金桿件制作、分段預拼裝、創新組合操作平臺、鋁合金結構整體卸載、結構及玻璃安裝、應力應變監測等創新技術應用。