某連續異形曲面屋蓋施工關鍵技術

潘 俊

（浙江東南網架股份有限公司，浙江 杭州 311209）

0 引言

目前國內各類大型場館、綜合體、高鐵站房、航站樓等大量采用了大跨度空間結構。其具有結構體系復雜、造型優美的特點，大跨度空間結構的復雜性對施工技術提出了很高的要求。梁凱等[1]認為大跨度空間結構施工條件的制約性、施工方法的多樣性和復雜性，造成了施工階段結構內力分布的復雜性和最終成型狀態結構受力的可變性。其詳細介紹大跨度空間結構的施工仿真驗算技術。周觀根等[2]提出了大跨度鋼屋蓋在深化設計、加工制作、現場安裝及數字化信息管理等各階段關鍵施工技術，解決了鋼屋蓋施工技術難題。王策等[3]結合具體施工項目，綜合建筑結構設計、安全質量控制、新技術應用等方面內容，提出異形屋蓋鋼結構施工的優化方案。

本文以實際案例為基礎，詳細介紹了大跨度空間結構的施工制約條件，提出了網殼過程穿插拼裝，液壓累積提升，結合局部原位安裝相結合的綜合施工方案，對不同條件區域結構采用與其施工條件及結構相適應的施工方法。解決了現場各類不利條件，為項目的順利推進奠定了堅實的基礎。

1 工程概況

海口國際免稅城（如圖1 所示）位于海口西海岸，是世界最大單體免稅店，免稅商業中心總建筑面積28.9 萬m2，地下2層鋼筋混凝土結構，建筑面積約14 萬m2，地上4 層鋼框架支撐結構，建筑面積約15 萬m2，5 層屋面為大跨度單雙層網殼鋼結構造型屋面。

圖1 海口國際免稅城項目

5 層造型屋面為大跨度鋼結構輕型屋面，由5 塊穹頂網殼、2 個冷卻塔、綠植墻、一圈連續大跨度單雙層網殼屋面組成。屋面支承于下部結構鋼管混凝土柱頂。其中主入口處為雙層網殼，熱帶雨林中庭為單層網殼，其余部分為單雙層結構網殼。如圖2、圖3 所示。

圖2 典型節點示意圖

圖3 主入口大門雙層網殼剖面圖

單雙層網殼根據設計要求，均采用鼓節點，鼓節點均垂直于大地，導致鼓節點上下端口需根據屋蓋結構造型切割為斜切口。

項目施工條件復雜，現場采用了分塊吊裝、分區提升、局部滿堂架相結合的綜合施工方案。本文僅對主入口處雙層網殼的施工方案選擇及關鍵施工技術做詳細介紹。

2 施工重難點分析

2.1 現場施工條件復雜

造型屋面需在下部結構施工完成后才能介入施工，導致現場主入口處場地條件異常復雜，地下室頂板外輪廓邊緣大，頂板邊緣至主入口網殼邊緣距離分別為31.7、74.5m，且正對面還存在未施工的地下連通道、下沉庭院，左右兩側均布置有汽車坡道，如圖4 所示，對大型機械行走及選擇影響大，現場的場地條件直接影響現場施工方案的選擇。

圖4 海口國際免稅城項目

2.2 構件量大、相似度高、節點復雜，深化設計及加工難度大

本項目雙層網殼均采用鼓節點，根據設計要求，鼓節點角度為垂直于大地，導致鼓節點需根據結構造型設置斜切口，節點尺寸大，構造復雜，導致加工及拼裝難度進一步提升；同時網殼上下封邊梁采用變截面箱型彎扭構件深化設計和加工制作難度大。

2.3 大跨度連續多曲面造型屋面位形控制難

海口國際免稅城主入口屋面造型呈多曲面狀，對項目的鋼結構整體外形尺寸及桿件的安裝精度要求高。同時，由于曲面網殼結構在拼裝、焊接、施工、卸載階段結構變形大，屋蓋位形控制難，位形控制要求高。特別是屋面桿件直接作為屋面鋁板結構型材連接構件，無檁條過渡作為調節，型材可調節空間僅20mm，部分構件外露可視，對屋面結構的感官及安裝精度要求非常高。

3 屋蓋施工關鍵技術研究

3.1 施工方案的選擇確定

考慮現場的場地條件，對地下連通道進行臨時封堵并回填，連通道待主入口屋面網殼安裝完成后施工。因基坑邊緣與屋面結構距離較大，采用大型吊機安裝經濟性較低，采用常規施工方法措施投入極大，無法保證各專業穿插及施工工期。

綜合考慮屋面結構造型及受力特點、周邊場地條件及屋面下部樓層情況，經過反復討論研究，確定“網殼過程穿插拼裝，液壓累積提升，結合局部原位安裝”的綜合應用來完成造型屋面的安裝。其中，拼裝一區在±0 標高處拼裝，拼裝二、三區在二層樓面拼裝（標高6.6m），如圖5 所示，利用液壓同步提升系統將拼裝一區整體提升約6.7m，暫停提升，與在標高6.60m的拼裝二、三區單元對接，安裝連系桿件，連成整體后，繼續將整體提升到設計位置；原位拼裝區采用搭設腳手架在機房層屋面（標高27.65m）直接拼裝安裝就位。最后嵌補提升區與原位拼裝區的桿件，對結構進行整體卸載后，完成此區域的安裝[4]。

圖5 主入口屋面施工分區圖

3.2 網殼拼裝控制關鍵技術

根據設計要求，鼓節點角度為垂直于大地，導致鼓節點需根據結構造型設置斜切口，即每個鼓節點呈不同空間位置及不同角度，為保證整個屋面造型的準確性，同時保證與鋁板幕墻和玻璃幕墻施工精度相匹配，每個鼓節點及每根桿件的安裝精度至關重要。下面以下層網殼拼裝為例說明。

3.2.1 放樣及胎架設計

分塊組裝時控制點應取在鼓節點處，以每個鼓型節點的下端面為節點控制面。在每個節點下端面上取四點并投影至地面，其交點即為該鼓節點端面的中心點的投影。然后根據該中心投影點進行胎架的放置，如圖6 所示，胎架的支撐面應根據每個節點下端面傾斜角度統一放置。

圖6 胎架設計

3.2.2 桿件拼裝

在每個鼓節點處劃出桿件定位線，現場根據定位線進行桿件的拼裝，使組裝間隙偏差控制在±1.0mm 之間。合格后進行定位焊。

3.2.3 網殼焊接變形控制

現場每個節點均為全熔透一級焊縫，總體焊接量大，同時焊接平面尺寸，焊接變形控制直接影響網殼的整體安裝精度。所有桿件組裝完成并復查合格后，先焊環向桿件，再焊腹桿，焊接采用對稱施焊，如圖7 所示。

圖7 網殼焊接順序示意圖

針對每根桿件，先焊桿件兩端上的腹板焊縫，再焊下翼緣焊縫，最后進行上翼緣焊縫的焊接。

對稱施焊：一個節點上有左右兩根桿件時，或一根桿件上有兩個節點時，采用對稱于節點軸線同時對稱施焊，如圖8所示。

圖8 桿件對稱焊接

3.3 提升點布置及設計關鍵技術

（1）提升支架及吊點設計

為最大限度地使提升結構受力狀態接近于使用狀態，盡量利用原結構鋼柱作為提升點，即在主入口4 根鋼柱頂設置提升支架，但此時提升區塊網殼無法形成穩定受力體系，故在網殼懸挑處設置2 個臨時提升點，以滿足結構整體提升的要求，如圖9 所示。

圖9 提升吊點設置

采用SAP2000 軟件建立提升區塊三維模型，對整個提升過程網殼、提升支架和上下吊點進行計算分析，確保整個施工過程中結構均處于設計及規范允許范圍內，根據計算值最終設計確定提升支架及吊點的設置及做法。

采用液壓同步提升設備吊裝大跨度鋼結構，需要設置合理的提升上下吊點。在提升上吊點即提升平臺上設置液壓提升器。液壓提升器通過專用鋼絞線與提升鋼結構上的對應下吊點相連接。本項目共設2 種類型提升架。

臨時塔架設計：臨時塔架采用門型格構架，提升支架高度為44m，臨時塔架平面尺寸為1.8m×1.8m，主肢截面為P299mm×16mm， 腹桿截面均為P114mm×4mm，腹桿間隔1.8m。臨時塔架頂部的分配梁截面規格為400mm×400mm×20mm，平面尺寸為2.2m×2.2m。提升大梁截面規格為650mm×350mm×20mm。頂部分配梁和提升大梁接觸面設置30mm 厚的鋼墊板。材質均為Q355B。構件之間均采用熔透焊縫，焊縫等級二級，加勁板采用角焊縫焊接，焊縫尺寸hf=0.7t。臨時塔架如圖10 所示。

圖10 臨時提升點上吊點設計

柱頂提升架設計：提升平臺利用屋蓋鋼結構支撐柱柱頂設置，采用四肢格構柱形式，底部焊接于網殼支撐鋼柱臨時牛腿處，支架高度約3m，主肢規格P351mm×20mm，腹桿規格P159mm×6mm，分配梁截面規格為□650mm×400mm×16mm。提升大梁截面規格為650mm×300mm×16mm，加固斜桿P219mm×8mm。構件之間均采用熔透焊縫，焊縫等級二級。柱頂提升架如圖11 所示。

圖11 臨時提升支架設計

提升吊點設計：根據結構布置及提升工藝的要求，下吊點采用臨時吊具的形式。專用鋼絞線連接在液壓提升器和提升底錨之間，兩端分別錨固，用于直接傳遞垂直提升反力。底部鋼梁采用□400mm×200mm×16mm，通過短柱及外置加勁板與網殼連接。

提升支架計算分析：上述提升支架的設計均通過計算分析確定，結合提升反力及臨時措施自身應力及變形，確定了構件規格及措施結構形式。提升架最大應力為0.704，滿足相關規范要求，如圖12、13 所示。

圖12 提升反力計算

圖13 提升支架應力分析

（2）提升加固設計

因提升塔架落地位置位于地下室頂板處，在格構柱落點處設置轉換鋼梁平臺，將提升塔架受力傳遞至混凝土柱或主梁處，如圖14 所示。轉換梁采用H400mm×300mm×10mm×16mm，局部加強設置加勁板。

圖14 轉換平臺

本工程屋面網殼各桿件的內力，在施工過程中會發生變化，會導致桿件出現拉壓桿的轉化，導致桿件失穩或者超應力。經過計算分析，在提升點位置采用加固桿件的方式對桿件進行加固。加固桿件截面規格為H200mm×200mm×8mm×12mm，如圖15 所示。

圖15 臨時提升吊點加固及分析計算（虛線為加固桿件）

因主入口處鋼柱為獨立柱，高度達32m，提升過程中穩定性欠缺，且4 根鋼柱處的提升反力及附加水平力較大，經過整體施工過程分析計算，為確保施工過程安全可靠，對鋼柱進行水平拉結加固，為充分利用現場材料，采用了臨時鋼梁和臨時桁架相組合的形式，如圖16 所示。待網殼提升到一定高度時，加固措施需進行拆裝施工。

圖16 鋼柱臨時加固措施

3.4 施工測量控制

本項目造型屋面為大跨度、大懸挑變厚度異形多曲面網殼結構，為全焊接連接形式，測量控制技術主要應用在網殼樓面拼裝、提升區域的整體提升監測，網殼桿件高空散裝定位測量等。本項目為空間網殼體系，測量技術是控制施工質量的關鍵點。

整個造型屋面所有桿件及鼓節點均具有唯一性，每根桿件均需測量定位。根據深化設計模型，提取每個單元的三維模型，將三維坐標值轉化為樓面拼裝形態的坐標控制值，采用全站儀對拼裝胎架、提升過程進行全程跟蹤測量，所有構件待校正后再進行固定。項目在網殼的拼裝、安裝、提升過程標高控制、卸載，均應用了精確的測量控制技術。

4 結論

本項目通過對結構自身特點及現場場地條件的詳盡分析，在確保項目工期及多專業穿插施工的條件下，確定了“網殼過程穿插拼裝，液壓累積提升，結合局部原位拼裝”的綜合施工方案，特別針對項目提升施工的要求，提出了以下關鍵技術：

（1）網殼拼裝胎架設計技術；

（2）網殼拼裝焊接變形控制技術；

（3）提升吊點及塔架設計技術；

（4）施工仿真驗算等。

通過理論與實踐相結合，解決了海口國際免稅城主入口網殼的施工技術難題，結果表明施工安全可靠，質量滿足規范和設計要求也為后續類似結構施工提供了借鑒和參考。