球幕影院鋼網殼安裝關鍵技術

李國誠

隨著我國經濟的高速發展，鋼結構在眾多建設項目上都得到了廣泛應用，包括在一些大跨度結構[1]、高層建筑、工業建筑、輕鋼結構、高聳結構以及抗震要求高的結構體系。尤其在一些大型的場館，為建設球幕影院等設施，對鋼結構的應用更是倚重。

1 工程概況

甘肅省科技館項目，主要由主體建筑和球幕影院兩部分組成，其中球幕影院內、外殼均為單層鋼網殼，外殼直徑為33 m，內殼直徑為27.7 m，外殼主要桿件采用300 mm×150 mm×8 mm、200 mm×200 mm×8 mm 的薄壁矩形管，節點采用轂節點；內殼采用局部加斜桿的肋環型網格，桿件采用102 mm×5 mm、89 mm×5 mm的圓鋼管，節點采用焊接空心球。

2 球幕影院鋼網殼安裝施工方案及難點分析

2.1 鋼網殼安裝施工方案

球幕影院鋼結構施工采用“先內殼再外殼、分層施工”總體施工思路。

1）內殼分層施工：吊裝前，搭設滿堂腳手架作為支撐體系，同時用作安裝操作平臺。搭設高度比球節點標高低500 mm。再在需要支撐的球節點下部搭設腳手架支撐立桿，將球節點坐標定位。下層網殼以所選擇軸線為起點，分東西半球同時施工，每個吊裝單元安裝就位后將球節點與下部支撐進行點焊固定，安裝推進逐步形成完整的環形。環形形成后進行每個節點坐標位置的調整，再進行焊接，最后形成整體穩定連接，然后開始上層網殼的施工。

2）外殼分層施工：分塊吊裝+高空散裝[2]。外殼分為赤道以下、赤道以上及頂環三部分。赤道以下部分先進行施工，施工順序同內殼相同，形成環形穩定體系。然后進行赤道以上部分的施工。赤道以上部分以選擇軸線向兩側進行施工，最終形成環形，調整焊接后進行球頂環的施工。

2.2 鋼網殼安裝施工難點分析

2.2.1 拼裝精度控制要求高

在地面拼裝成多個吊裝單元，然后分塊吊裝，施工完成后為兩個單層球殼。要求整體球形平滑，拼裝精度要求非常高。應對措施：根據場地、分片重量及起吊、落位的受力狀態，將內外殼進行吊裝單元劃分；利用AutoCAD 輔助進行拼裝轉換，將吊裝單元的3 個角點確定的平面作為XOY面，原點設在其中一個角點上，量取其它節點坐標值作為定位坐標來設置拼裝胎架。

2.2.2 支撐架上部定位措施設置的難度較大

內、外殼均為單層網殼，分塊吊裝落位后變形較大，故利用下部支撐進行上部結構節點的坐標定位。內外殼節點下部的支撐架定位難。外殼節點為轂節點，且其指向圓心，所以外殼支撐架頂部與轂節點的連接定位措施設置難度大。

應對措施：根據內殼節點坐標搭設作為內殼承重支撐及安裝操作平臺的滿堂腳手架。先將腳手架根據球面的形狀搭設至球節點下部500 mm 位置，搭設完畢后，再根據每個球節點的三維坐標，在球節點的下部搭設4管撐，下插至掃地桿與滿堂腳手架連接，并設置剪刀撐；球節點下部設置球節點支托。

外殼鋼結構支撐采用鋼支撐架[3]。支撐架在結構內外部設置，立桿選用300 mm×10 mm 方鋼管，立桿環向支撐接觸面為斜面。外殼徑向主桿為300 mm×150 mm×8 mm 矩形鋼管，外殼轂節點指向球心。外殼徑向主桿落位在立桿的環向支撐接觸面上。在支撐架立桿及立桿的環向支撐上設置兩塊立板，立板上表面與外殼徑向主桿焊接固定。

3 球幕影院鋼網殼安裝工況

3.1 內外殼吊裝單元拼裝

3.1.1 吊裝單元的劃分

內殼劃分共18 個拼裝單元，其中內殼吊裝單元根據設計分為2個類型。內殼吊裝單元類型示意圖如圖1所示。

圖1 內殼吊裝單元類型示意圖（來源：作者自繪）

外殼以經線劃分為12 個第1 類型吊裝單元（圖2a）、12 個第2 類型吊裝單元（圖2b）和8 個第3 類型吊裝單元（圖2c），其他桿件高空散裝［4］。外殼吊裝單元類型示意圖如圖2所示。

圖2 外殼吊裝單元類型示意圖（來源：作者自繪）

3.1.2 胎架搭設

每榀吊裝單元成弧形，拼裝難度大效率低，每拼一榀后胎架都需調整，設置2 塊拼裝場地，各場地設2 副胎架交替拼裝[5]。考慮到小拼（圖2a）單體重量約8 t，每個轂節點旁邊設置支撐架立桿，每支撐架立桿下方鋪設鋼板，支撐架立桿和牛腿采用H 鋼或槽鋼，并用角鋼將支撐架和鋼板連成一整體，提高支撐架的穩定性。拼裝立面圖如圖3 所示。

圖3 拼裝立面圖（來源：作者自繪）

3.1.3 拼裝胎架搭設要求

根據坐標轉化后的X、Y 投影點來鋪設鋼板，相互連接形成一剛性平臺，然后，放X、Y 投影線、標高線、檢驗線及支點位置[6]，形成田字形控制網，然后拼裝胎架立桿并設置斜撐。

3.2 固定鉸抗震鋼球支座安裝

應先對土建預埋的埋件按照圖紙位置及定位尺寸進行復測，確定無誤后，再進行固定抗震鋼球支座與預埋件的固定。另外鉸支座固定后應采取防銹措施，安裝過程中保持上頂板與下底盆的連接固定，安裝完成后拆除連接板。

3.3 內殼安裝

內殼空心球節點多、桿件多，經小拼后吊裝至高空定位再結合散件安裝，最終完成總拼。內殼網架為肋環形網殼，每一圈節點均位于同一水平緯線上。用全站儀對節點三維坐標定位以確保整個球殼外形尺寸。

3.3.1 支座頂部半球安裝及第一環網架分塊吊裝

根據球鉸支座頂面彈出的定位線放置支座頂部半球，焊牢固定后進行第一環網架的吊裝。就位后，利用手拉葫蘆精確調整，將每個吊裝單元最下端桿件與支座半球焊接。吊裝單元的球節點與球節點支托焊接固定。第一網架施工以選擇軸線依次對稱安裝。分塊吊裝完成后，進行每個分塊單元之間的桿件安裝，形成一個穩定的環形結構。

3.3.2 第二環網架分塊吊裝

將拼裝完成的第二環吊裝單元，吊裝至設計標高，利用手拉葫蘆精確調整[7]。調整完成后，吊裝單元下端球節點及上端球節點與球節點支托焊接固定。第二環網架分塊吊裝完成后，進行每個吊裝單元中間的桿件安裝，形成環形結構。

3.3.3 第一環與第二環網架間的補檔施工及頂環桿件施工

第一環和第二環網架安裝完成后進行其之間桿件與頂環桿件的散裝施工。施工前應對第一環頂部的球節點三維坐標和第二環底部及頂部球節點的三維坐標進行復測。

3.4 外殼安裝

先進行支撐架搭設，然后進行吊裝單元吊裝，每個吊裝單元先定位好下面位置，在把上面搭在支撐架上事先確定好的位置，再把吊裝單元落位至設計位置，和支撐架上邊的楔形板固定牢靠；安裝結束后，進行單根桿件高空散裝；最終達到總拼單元。

3.4.1 支撐架搭設

為增大看臺板承載力，在支撐點的投影位置加設轉換梁，首先根據轉化梁位置設置，在混泥土梁位置打入100 mm 的膨脹螺絲與埋板固定牢靠，轉換梁與埋板接觸部分進行圍焊。立桿坐落于轉換梁上采用坡口熔透焊接，待立桿高度調整好，環梁與立桿最上端坡口熔透焊接，與立桿之間連接的環梁盡量擬合成圓弧型環梁，待環梁和立桿連接完成，每個環梁下部設置反向支撐。

3.4.2 支撐架承載力驗算

安裝外殼結構單元時，需要搭設環形支撐架[8]。經計算，最重的一片吊裝單元自重荷載，傳遞到環梁上為9 KN。環形支撐架直徑為12 m，下部支撐柱落位于傾斜的混凝土看臺上。在每片吊裝單元環向支撐點，布置方管構成下部支撐，環形梁和鋼柱均為方管。經計算可知，環形支撐架，變形較小，應力比較小，滿足設計和施工要求。結構外圈搭設單管支撐，頂部搭設在赤道環向以下，構件就位后與外殼赤道以下分塊單元徑向桿件固定，底部與土建澆筑的混凝土基礎的埋件固定。

3.4.3 吊裝單元吊裝

支撐架設置好后，采用100 t 汽車吊將第一榀吊裝單元進行脫胎，同時采用25 t 汽車吊配合，通過兩個吊點設置手拉葫蘆調節重心，使吊裝單元處于落位形態，將第一榀吊裝就位。就位后，上部及下部進行點焊臨時固定，采用手拉葫蘆進行節點坐標的調整。調整后，將底部與下片的吊裝單元的轂節點焊接，上端節點位置與支撐架立板焊接固定，將吊裝單元與支撐立桿、支撐環向桿上部設置的立板焊接固定，使連接節點形成固定約束，確保下部支撐系統只承受豎向荷載。隨后進行第二榀小拼的吊裝。

3.4.4 散件高空散裝

吊裝單元就位牢靠后，進行散件的補檔。吊裝單元之間相鄰的散件根據與節點連接位置，連接好。頂端的散件補空，應在支撐架環梁頂端上加設刀板支撐。因轂節點和上下桿件相連之后，兩端距離只有25 mm，故支撐架環梁及刀板設置在頂環靠外，避開轂節點，與桿件進行固定。

3.4.5 外殼支撐架拆除

先進行頂環支撐架的拆除，然后進行內部環向支撐架的拆除，最后進行球外側支撐架的拆除。胎架拆除時采用“氣割”的方法將每個支撐架頂部設置的立板進行分級割除。每次割除20 mm，并觀察結構是否脫胎。

4 結語

通過對球幕影院鋼網殼施工方案的選擇和難點分析，采用的“先內殼再外殼、分層施工”思路，以及“分塊吊裝+高空散裝”相結合的施工方法[9]，并因地制宜的利用技術手段解決了拼裝精度控制要求高、支撐架上部定位措施難度大等難題，成功完成了球幕影院建設，取得顯著成效。