基于曲線美的雙曲面屋頂施工技術研究

鄭慶超 周恩文 奚智聰

1 雙曲面屋頂施工概述

1.1 工藝原理

本文介紹的基于曲線美的雙曲面屋頂施工技術，是通過放線并借助建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術將弧形三維立體結構轉化為弧形面，進而轉換為圓弧線，將其作為確定三維異形空間的基礎。放線環節要關注交錯的梁體，并設定梁底弧度，提高板弧度的精準度。此方法將弧形三維立體結構轉變為平面結構，可從點出發確定線與面的具體位置，形成美觀的三維異形曲面。同時，要重點關注南北向梁體的數量和位置，從撓度和剛度等方面衡量實際使用中是否會存在隱患，并根據BIM 技術提供的空間圖，確定最終的剛度和撓度[1]。另外，采取弧度自兩側向中間遞增的設計形式，以中間梁為基準線形成對稱結構，如此可減少一半的工作量，僅需對半邊梁開展放線作業即可實現精準定位。

1.2 技術難點

雙曲面屋頂保持穩定性主要依靠管桁架，通過其提供的支承作用提升對上部屋面的承載能力。由于雙曲面屋頂外形獨特，在澆筑過程中需要滿足不同的頂標高，因此在澆筑技術的選擇上也有難度。對于實際項目，不同柱頂標高間的差值可達9 m，增加了管桁架的吊裝難度，而且吊裝對周圍施工環境要求較高，要想保證施工中兼顧其他工序，就要研究施工區域交叉作業的細則，從而提升整體作業的流暢性。此外，雙曲面屋頂弧度的變化具有定位難和變化范圍廣的缺點，在定位構件位置的過程中無法經過簡單計算保證精準度，而且還需要衡量構件位置是否符合提升結構穩定性的要求，無形間增加了工作量[2]。

2 基于曲線美的雙曲面屋頂施工技術應用

2.1 原材料加工

原材料加工要依照管材的特點確定具體流程。曲線型要在煨彎的基礎上運用直線型管材的制作工藝。具體來講，原材料加工中需要應用煨彎和相貫線切割貫口兩項工藝。

（1）煨彎。此工藝的使用要根據管徑大小而定。當管徑直徑不小于400 mm時要應用機械冷彎的方法，即在管材兩端設置弧形支點并在支點間施加壓力，通過加大壓力將管材煨彎；當直徑小于400 mm 時要運用加熱的辦法，即加熱管材中間部位使其受熱變彎[3]。

（2）相貫線切割貫口。此工藝的應用要借助相貫線切割機，確保切割過程的精確度。在雙曲面屋頂結構中，管桁架是決定結構穩定性和美觀性的關鍵，因此要在精準焊接管材節點的基礎上及時檢測管材焊接的焊口性質，從外形和相對弧度兩個方面衡量管材切割的效果。實際施工中，要使用Tekla 軟件繼續深化設計圖紙中的管材，將線條細化為型材，修正其中難以與實際要求相符的部分。然后使用計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）軟件或者相貫線切割軟件，按照已經深化的圖紙精確切割管材。一般切割管材的操作在施工場地外完成，并以軸為單位切割打包，便于運輸至施工現場后直接存放管理。

除了要制作管材外，還需要制作鋼構架。依據南北梁的標高和弧度設計整體的鋼構架體系，并確定體系中所需的構件數量，完成半根梁的加工作業后即可直接確定整根梁的高度。鋼構架由鋼筋骨架組成，制作中首先要計算其直徑，以3 根為1 組制作成等腰三角形的結構形式；其次安裝好固定裝置，并將鋼筋條置于相應位置，提升抗彎剛度；最后要開展鋼筋的焊接作業。保護好鋼構架結構，將其安全運輸至施工位置。

2.2 焊接作業

2.2.1 胎架

基于曲線美的要求，在雙曲面屋頂施工中使用胎架完成屋頂的焊接作業。制作立體受力模具，通過細化立面外形、跨度和結構標高等參數，使其更貼合管桁架結構，然后再將制作完成的模具與管桁架進行拼接，使二者在結構外形上更相似[4]。

以某雙曲面屋頂施工工程為例，立桿和基座橫桿結構使用的型鋼采用參數：HN500 mm×200 mm×10 mm×15 mm。

此外，加固立桿的斜撐采用參數：HN200 mm×100 mm×5 mm×7 mm。為確保管桁架的施工質量，需要在胎架頂端搭建臨時支點，焊點的確定要從雙曲線屋面的相對高差出發，并以此作為臨時支點的標高。也就是說，屋面胎架頂端臨時支點的標高數值變化時，屋面線型也將隨之變化。

2.2.2 管桁架

管桁架是雙曲面屋頂結構的關鍵，實際施工中要做好施工流程的完善工作，確保在高效作業的基礎上滿足曲線美的現實要求。首先，要將已經完成焊接的材料運至施工場地并進行現場檢查，必要時可進行現場二次焊接；其次，使用二氧化碳氣體作為保護氣體，并采取手工電弧焊的方式完成焊接任務。

圖1 和圖2 分別為當e ≤0.25 d 時和e=0 時的節點連接特點，均采取相貫連接的方式。施工中常見的節點類型是N型和K 型，焊接流程如下。

圖1 當e ≤0.25 d 時節點連接示意圖（來源：網絡）

圖2 當e=0 時節點連接示意圖（來源：網絡）

一是按照先上下弦桿，后腹桿，最后斜桿的順序，焊接成多個獨立的小單元，并以軸間節點為單位運用胎架調整控制的辦法，將上下弦桿間的高度控制在相應范圍內。二是完成初始焊接任務后焊接吊裝塊，從各組成單元管桁架的結構出發，運用胎架組合拼裝的方法達到施工目的。另外，雙曲面屋頂要在完成數字軸的吊裝塊組拼后再進入字母軸桁架的組拼作業中。數字軸組拼時要注意拼裝的完整性，采用一次性作業的方式，沿著數字軸方向使用點焊固定的辦法暫時焊接分塊節點位置，并在需要吊裝時先切開臨時焊口，然后完成起吊吊裝塊的任務。實際焊接中，還要加入鋼襯墊結構，提升焊縫底部的質量[5]。

2.2.3 其他節點

有些管桁架的節點施工較為繁瑣，主要是由于節點具備多方向交匯的特點，需要將上下弦支撐、斜桿、腹桿和上下弦桿形成相貫結構，在具體施工中可能會多達11 個鋼管支數，因此要更加關注焊接作業。

施工中要確定好相應的流程和順序，一般先針對上下弦桿展開作業，然后進入腹桿的施工中。按照由大到小的順序完成線桿支撐后再進入上下弦的支撐作業中，并按照先厚桿后薄桿的順序，通過先里后外的流程實現焊接作業的對稱要求。同時，檢查焊縫是否均可焊接，防止出現隱蔽焊縫影響整體結構的情況，并檢查焊接應力情況，確定是否需要釋放，還要針對各個焊接節點進行編號，找出復雜節點[6]。另外，運用鑄鋼節點的方式一次性鑄成中心球節點，其所用材料水玻璃砂模要外伸一定距離，從而避免因多次焊接中心球節點和支管而出現應力釋放問題，緩解節點壓力。

2.3 吊裝管桁架

2.3.1 吊裝方法

管桁架安裝質量的控制要兼顧整體工期的要求，確保所開展的各項作業均不影響其他建筑的正常運行。由于在雙曲面屋頂施工中無法統一各點標高的數值，需要借助整體分塊施工的方法，采用在胎架和地面上控制線型的方式實現對曲面線型的管控。將大部分施工作業置于地面，避免出現多種不可控危害。運用整體分塊吊裝的方式提升安全系數，允許出現交叉施工的情況，使得施工具備整體性和流暢性特征，確保在進度、質量的約束下實現美觀性目標。

2.3.2 施工流程

施工中要設定分塊的具體單元，按照4 個承重柱為一單元的方式，劃定管桁架下方的相鄰區域為各個單元，并根據混凝土承重柱的具體數量分成多個區域完成吊裝。精確計算卡環、鋼絲繩和吊鉤等吊具的重量，計算各單元吊裝的總重量，以避免出現質量過大損壞吊具的問題[7]。

運用四點系扣的方法，使用起重機完成吊裝?；陔p曲面屋頂的外形特征，系扣點受標高影響無法保持在同一平面，因此要設計控制平衡的具體方法。

首先，要根據系扣點的實際位置設置強度較高的柔性吊帶，一般以字母軸和數字軸的相交位置作為纏繞的作用點，同時要確保纏繞的吊帶可承受結構的總體重量。底部硬性焊接球與柔性吊帶實現緊密接觸，降低了焊接球與鋼絲繩在應力作用下結構破壞發生的概率，提升焊接球的完整度。

其次，將鋼絲繩與手扳葫蘆緊密連接并吊掛于履帶吊鉤上，與柔性吊帶形成整體結構，通過調整柔性吊帶的長短調平吊裝塊。最后，緩慢升起吊鉤，收緊鋼絲繩，根據吊點在高程上的差異調整手扳葫蘆的長短，使得吊裝塊更加平衡，符合施工需要。

實際施工中要注意以下幾點。第一，采取由中間向兩邊的施工形式，減少焊接變形和施工誤差，并設置單獨吊裝塊，將北側懸挑部分作為獨立吊裝結構。施工前設計拱度預留的具體細節，一般將頂標高數值增加10 mm 作為懸挑作用點，充分滿足雙曲面結構切割貫口的參數特征。第二，設置預定位置作為落鉤的作用點，結合雙曲面特征，通過焊接方式完成抗震底座和吊裝塊的固定作業。另外，檢查焊接效果，符合施工要求后可摘除吊鉤。第三，落鉤過程中要按照一定的順序卸力，吊裝塊焊接作業完成后要維持相應的荷載，降低應力釋放的影響。第四，臨時支撐可不作為吊裝中固定抗震支座和承重柱頂部的必要結構，只需確保焊接質量即可。

2.4 安裝檁條

在遇到風雪天氣時要設計傳力構件，檁條是常見的傳力構件，安裝此構件時要確定使用的根數和間距。由于大型雙曲面屋頂工程中需要安裝大量檁條，容易出現影響管桁架結構的情況，因此要有防范措施。采用螺栓連接的方法將檁托板焊接在上弦桿頂端，借助螺栓孔連接檁條。完成底部管桁架的安裝作業后，進行外形參數和屋面標高的復核作業，參照設計圖紙上的具體數值，若發現存在較大差距的情況則應參考標準及時調整檁托板的標高直至滿足要求。同時，要關注金屬屋面連接件是否與屋面雙曲面的參數特性相符，在不滿足的情況下及時予以調整。

2.5 澆筑混凝土

施工中要根據結構特點充分考慮混凝土的坍落度，設計科學的配合比，經過多次試驗并結合坡型工程的施工經驗，確定澆筑雙曲面屋頂的混凝土坍落度，一般將預拌混凝土的坍落度控制在90 ～110 mm 能夠滿足基本需要。

運用分層澆筑的工藝，先完成梁結構的澆筑作業。采取自下而上的形式將混凝土澆筑于梁結構上，如此可將曲面屋頂劃分為多個可作用的板面，使得整體符合階梯狀的特點?；谇嫫露茸兓^大的特征，傾斜結構在不同區域坡度存在差異，因此要在澆筑的混凝土上覆蓋塑料薄膜以增加阻力，維持混凝土的基礎形狀。

此種方式更適用于屋面坡度較小的區域，對于坡度較大的區域無法提供較大的阻力。對于坡度較大的位置可設置鋼絲網片（見圖3），采用分隔方法阻擋以梁為分割線的各個小區域，以達到類似于分段施工的作業效果。另外，鋼絲網片的網格大小根據混凝土原料的粒徑平均值確定。選擇完成后將其固定在鋼筋上，通過綁扎的方式提升鋼絲網片的阻擋能力，避免出現混凝土自上而下流動的情況。

圖3 鋼絲網片隔阻示意圖（來源：網絡）

2.6 變形監測

管桁架的吊裝作業結束后，要針對整體結構實施相應的監測，防止出現結構變形的問題。監測的重點應放在支座和懸挑部位，實時關注是否發生中心線偏移或者沉降的情況。監測前要計算沉降變形量的極限值和中心偏移的極限值，并在獲取計算數據后對比監測收集的數據，確定沉降變形量是否符合變形的具體要求以及懸挑部位是否滿足中心線的偏移要求。在鋼構架安裝偏差的允許范圍內，可適當調節上部檁托板的標高，從而滿足規范要求。

3 結語

在房屋建筑工程建設中，屋頂作為其基礎構件，能夠抵抗風沙、雨雪、日曬等外界環境的侵襲，對于保障建筑的使用性能和安全性能極為重要?；谇€美的雙曲面屋頂施工技術已經逐漸成熟，在實際施工中要從技術應用的難點出發，重視放線、原材料加工、焊接和澆筑過程，以提高結構的穩定性及美觀性。