空間多向曲面網(wǎng)殼結構綜合施工技術(shù)

空間多向曲面網(wǎng)殼結構綜合施工技術(shù)

何雙紅¹ ，房大偉²，唐坤³，曹剛⁴

（陜西建工第十建設集團有限公司，陜西 723000）

[摘要]：   空間多向曲面的網(wǎng)殼結構中的多個(gè)曲面鋼結構安裝采用模塊化精準定位法，優(yōu)化構件尺寸及端面焊接角度，通過(guò)階梯型操作平臺，完美實(shí)現各構件的流線(xiàn)性組拼。玻璃面板安裝利用弧形調節件，精準調整頂面玻璃板塊安裝角度，最終實(shí)現多曲面的最佳效果。

關(guān)鍵詞：多曲面網(wǎng)殼；模塊化；焊接角度；弧形調節件

引言

網(wǎng)殼結構是以穹頂結構為設計理念而衍生的一種空間桿系結構，系以桿件為基礎，依據殼體結構布置，有規律的組成空間網(wǎng)格，形成了空間構架，其造型優(yōu)美，線(xiàn)條流暢，能夠完美的解決大跨度空間的復雜結構造型，在工程得到了更多的應用，通過(guò)對整體穩定性、鉸支座的精準計算，達到結構的安裝可靠性，施工過(guò)程中需依據受力特點(diǎn)進(jìn)行模塊式組裝，減少誤差，最終實(shí)現了結構完美安裝。

1.項目概況

楊凌自貿大廈項目位于楊凌CBD區，是政務(wù)辦公服務(wù)中心和跨國涉農企業(yè)辦事公共資源服務(wù)中心，也是一座打造“一帶一路”的現代農業(yè)國際合作中心。項目總建筑面積約83606㎡，分塔樓和裙樓兩部分，塔樓24層，裙樓5層，外立面為弧形玻璃幕墻結構，裙樓大廳屋面采用了空間雙向曲面結構，曲面圍繞主樓流線(xiàn)型布置，各曲面呈L型排布，高低錯落，如同盛開(kāi)的花瓣，多向采光，實(shí)現了綠色節能與造型的完美融合。

2.項目特點(diǎn)

空間多向曲面單層鋼網(wǎng)殼結構的邊緣由多段不規則弧形組成，最大跨度為35m，最高點(diǎn)高度為22m，建筑投影面積約1960㎡。該結構造型由邊緣梁和鋼箱體組件組拼而成，形成高低不等的多向曲面造型。

圖2-1 建筑全景圖

圖2-2   空間多向曲面分析圖

3.結構參數

邊緣混凝土結構梁外邊緣24個(gè)固定鉸支座，內邊緣12個(gè)雙向滑動(dòng)鉸支座，網(wǎng)殼鋼構件通過(guò)支座與結構梁連接。網(wǎng)殼邊緣線(xiàn)型構件由弧線(xiàn)段鋼圈梁和兩端直線(xiàn)段鋼圈梁組成。

注：ZZ-1為固定鉸支座   ZZ-2為滑動(dòng)支座

圖3-1   支座布置圖

（1）邊緣弧線(xiàn)段：800×400×40mm直線(xiàn)型鋼箱梁，長(cháng)度不等與結構通過(guò)鉸支座鉸接；

（2）直線(xiàn)段：480×220×22mm鋼箱梁，長(cháng)度不等，懸挑狀態(tài)；

（3）網(wǎng)殼內部：三角型焊接組拼，350×120×12mm、350×120×14mm鋼箱梁。

（4）曲面桿件組拼節點(diǎn)的標高如下表：

表3-1各項曲面參數表

4.主要施工技術(shù)特點(diǎn)

（1）網(wǎng)殼結構桿件優(yōu)化設計。應用Tekla等專(zhuān)用鋼結構建模軟件，確定箱梁桿件長(cháng)度為1.3～1.8m，共計2063根桿件，1079個(gè)節點(diǎn)；依據弧度要求，各箱梁桿件兩個(gè)斷面采用不同角度的坡口設計，并確保焊接后在一個(gè)平面上。

（2）應用BIM技術(shù)，明確桿件長(cháng)度和坡口角度，繪制施工圖，桿件是非標尺寸的鋼箱體，經(jīng)鋼材廠(chǎng)和專(zhuān)業(yè)加工廠(chǎng)加工。采用相貫線(xiàn)切割加工工藝，進(jìn)行坡口切割，經(jīng)防銹底漆處理，依據標高進(jìn)行編號運至現場(chǎng)。

（3）根據網(wǎng)架結構特點(diǎn)為多項曲面結構，采取了高空散拼逐個(gè)曲面安裝。

5.網(wǎng)殼安裝

（1）跤支座及調平板安裝

    主體施工時(shí)預埋的鉸支座錨板。為減少誤差，錨板上加裝600×600×100mm厚調平鋼板，板上留置9個(gè)孔徑40mm孔洞，便于電弧焊融透填塞焊與原預埋錨板焊接，焊縫高度不小于板厚。裙樓24個(gè)固定鉸支座，塔樓部12個(gè)雙向滑動(dòng)鉸支座與調平板焊接連接。

（2）圈梁安裝

鋼圈梁長(cháng)度約1.8m箱體，內部按間距200mm設豎向14mm厚加勁肋。邊緣圈梁與鉸支座之間設置微調板，調節圈梁的標高，保證圈梁的標高統一。圈梁施工時(shí)，應從一端向另一端依次順序連接，且同一鋼梁不能兩端同時(shí)焊接，防止鋼梁因焊接產(chǎn)生的溫度應力而變形。由于鋼圈梁與結構完成面間距較小，底部焊縫無(wú)法施工，采取在鋼圈梁的頂部端頭預留300×300的臨時(shí)洞口，待底部焊縫施工完成并焊縫檢測合格進(jìn)行封洞處理。

（3）搭設操作平臺

根據工程特點(diǎn)，鋼網(wǎng)架采用高空散拼安裝，網(wǎng)架下搭設加強型鋼管滿(mǎn)堂落地腳手架。按網(wǎng)架體量，分為三個(gè)曲面施工區域。操作平臺搭設高度依據各區的三維坐標點(diǎn)呈階梯型搭設，立桿縱橫間距0.9嗎，按加強型布設剪刀撐。每層架體立管距離鋼構件下口預留30-50cm空間，作為鋼構件安裝時(shí)的操作空間。操作平臺承載能力為200—250kg/㎡，可用于臨時(shí)堆放少量鋼構件和施工作業(yè)人員操作。

（4）桿件安裝

桿件安裝依據曲面區域進(jìn)行，先主梁后次梁進(jìn)行逐個(gè)區域組拼安裝。施工前，將相對坐標引至操作平臺上進(jìn)行標記，桿件焊接施工時(shí)再使用經(jīng)緯儀按此坐標點(diǎn)所對應的垂直高度進(jìn)行定位，用架管做臨時(shí)支撐。

由于網(wǎng)架為曲面構造，按照深化圖紙起拱點(diǎn)設置在節點(diǎn)處。根據曲面分區，先施工主梁，待主梁對接焊縫檢測合格后，再進(jìn)行次梁的施工。施工時(shí)，依次曲面一—曲面二—曲面三。   每個(gè)曲面的安裝順序應根據網(wǎng)架結構的類(lèi)型、受力和構造特點(diǎn)、施工現場(chǎng)情況等因素綜合確定。拼裝順序應能保證拼裝的精度和減少累計誤差。焊接節點(diǎn)采用架管臨時(shí)支撐，支承點(diǎn)布置可按網(wǎng)殼曲面劃分區域的安裝順序進(jìn)行，臨時(shí)支承點(diǎn)布置應均勻，保證剛度和穩定性。支承支架的接頭變形、彈性壓縮等因素引起的總沉降控制在5mm以下。節點(diǎn)焊接逐榀焊接，逐榀檢查復核標高、撓度、節點(diǎn)偏移量，及時(shí)糾偏，減少誤差累積。

3）網(wǎng)架安裝的誤差控制

由于鋼網(wǎng)架采用鋼管腳手架操作平臺進(jìn)行網(wǎng)架安裝，在每安裝完一格網(wǎng)架需要進(jìn)行一次測量，鋼網(wǎng)架的安裝過(guò)程中必須時(shí)刻測量和控制鋼網(wǎng)架的安裝誤差，一旦有變形位移超出控制范圍的必須立即進(jìn)行糾正。每次鋼網(wǎng)架安裝完成后必須立即測量鋼網(wǎng)架的撓度、整體尺寸、節點(diǎn)偏移等，并在下一區工作平臺上安裝的鋼網(wǎng)架施工中進(jìn)行調整，避免產(chǎn)生的累計誤差過(guò)大。

鋼網(wǎng)架安裝完成后應依據《鋼結構工程施工質(zhì)量驗收標準》 GB50205-2020中的要求進(jìn)行檢查，所有驗收數據按規范中的允許偏差進(jìn)行取值。

（5）鋼梁焊接變形控制

鋼梁在焊接過(guò)程中，焊接順序應遵循先約束大后約束小部位，焊接方向一致、多層同順序、兩側交替焊接、對稱(chēng)施焊等原則進(jìn)行施工。在構件單元組合焊接時(shí)，要從中心向兩側進(jìn)行對稱(chēng)焊接，分層焊接時(shí)要從同一方向焊接；構件高空拼裝時(shí)多方向多處合攏焊縫的施焊，宜采用各接口輪流循環(huán)跳焊法，避免單個(gè)構件集中加熱焊接，產(chǎn)生集中變形或軸線(xiàn)偏移；一個(gè)構件的兩端不能同時(shí)施焊；為了減小桿件焊縫的殘余應力，在焊接前，先對桿件進(jìn)行預熱處理，達到一定溫度后，再進(jìn)行焊接。

（6）桿件的防銹、防火

鋼構件由廠(chǎng)家加工并進(jìn)行防銹底漆處理后運輸至現場(chǎng)，構件預留焊縫兩側30～50mm范圍暫不做油漆處理，待現場(chǎng)施焊完畢后對焊縫進(jìn)場(chǎng)質(zhì)量檢測，經(jīng)認定滿(mǎn)足設計要求的焊縫等級后再進(jìn)行防火涂料施工。鋼梁的耐火極限時(shí)間不小于1.5h，防火材料采用膨脹薄型防火涂料，厚度為2.1mm，滿(mǎn)足結構耐火極限的要求。

6.網(wǎng)殼玻璃安裝

依據各桿件的三角組拼形式在桿件上安裝玻璃龍骨，利用桿件節點(diǎn)臨時(shí)焊劑鋼筋定位樁，保證節點(diǎn)四周的玻璃龍骨安裝線(xiàn)條流暢。龍骨上安裝半圓弧形底座，以便微調玻璃安裝的角度，玻璃編號安裝，調平后打膠密封并清理現場(chǎng)。

1）測量放線(xiàn)、定位。由于曲面造型比較復雜，無(wú)法按照常規的放線(xiàn)方式進(jìn)行，經(jīng)過(guò)研討，結合采光頂節點(diǎn)實(shí)際情況，決定根據現場(chǎng)鋼結構的中線(xiàn)作為玻璃分縫的主要依據。以各方向鋼結構桿件的交叉點(diǎn)作為基準定位點(diǎn)，在點(diǎn)位上焊接定位鋼筋作為玻璃龍骨安裝位置的依據，防止采用傳統彈線(xiàn)方法時(shí)，因墨線(xiàn)在防銹漆噴涂過(guò)程中被覆蓋而無(wú)法施工。

2）龍骨安裝。依據放線(xiàn)定位的玻璃分格線(xiàn)，進(jìn)行龍骨安裝。先安裝弧形底座，實(shí)現角度調解，復核標高合格后安裝龍骨，保證了龍骨按弧線(xiàn)排布。

圖6-1支座安裝節點(diǎn)

3）玻璃板塊安裝：龍骨安裝調試驗收合格后進(jìn)行玻璃板塊的安裝?，F場(chǎng)安裝時(shí)，要先分清玻璃板塊的標號，確定無(wú)誤后再進(jìn)行玻璃板塊的調運安裝，各小組在工作中做好相互配合和交底工作。每一個(gè)曲面分區在安裝施工完成進(jìn)行報驗，合格后開(kāi)始填縫打膠，待整個(gè)面板安裝工作完成后打膠工作也基本完成。

7.結論

網(wǎng)殼結構造型優(yōu)美，線(xiàn)條簡(jiǎn)潔，極致超薄，讓人看得賞心悅目，備受廣大設計師的青睞，如何深化網(wǎng)殼結構的精細度，精準施工，確保多曲面結構的安全穩定性和曲面弧度流暢及美觀(guān)度，本文總結以下幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)：

（1）BIM技術(shù)分析構建模型，優(yōu)化桿件尺寸，端面坡口設計、焊縫角度；

（2）三角型組拼焊接，變化節點(diǎn)標高實(shí)現曲面效果；

（3）鉸支座設置調平板和微調板保證圈梁的基準標高精準性；

（4）迎合曲面效果，設計階梯型操作平臺，施工更加便捷；

（5）玻璃龍骨半圓形底座設計，實(shí)現玻璃角度的微調，保證曲面玻璃的流暢性。

參考文獻：

[1] 鋼結構工程施工質(zhì)量驗收標：GB50205-2020[s],北京，中國計劃出版社，2020.

[2] 建筑結構荷載規范：GB5009-2012[s],北京，中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3] 建筑施工安全檢查標準：JGJ 59-2011，北京，中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[4] 建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規范：JGJ130-2011，北京，中國建筑工業(yè)出版社，2011.