大跨度椭圆形弦支穹顶钢屋盖测量施工技术

□文/张永坡 李学顺 张俊铎 尚 智 冯志强

1 工程概况

天津中医药大学新建体育馆共有5 035个座位，建筑面积17 420 m2，建筑造型为椭圆形建筑，建筑总高度23.8 m。

工程主体结构形成为框架混凝土结构，主体1层，局部4层，主体混凝土柱分为圈，外圈混凝土柱共32根，柱顶标高16.13～21.9 m。内圈不连续混凝土柱共26根（北侧场馆入口处抽空6根混凝土柱），柱顶标高为20.14～21.9 m，见图1。

图1 内外圈混凝土柱和抽空6根柱

钢屋盖结构由大跨度弦支穹顶和平面异形桁架两部分组成。弦支穹顶平面布置外部尺寸：长轴120 m，短轴100 m。内部尺寸：长轴92.2 m，短轴73 m，矢高6.5 m。

弦支穹顶由417个焊接球，1 921根杆件焊接成单层网壳与下部的预应力构件（撑杆、径向拉杆及预应力环向拉索）构成结构体系，坐落在两圈58根标高多变的混凝土柱顶上，经径向张拉，使钢屋盖形成空间稳定受力结构体系，见图2。

图2 外围桁架与穹顶连接图

平面异形桁架就是建筑外围装饰钢结构，由32榀“怪异7字型”平面桁架组成外部造型，下部与混凝土柱上的预埋件焊接，上部与弦支穹顶钢结构焊接，形成稳定结构体系，见图3。

图3 外围桁架与混凝土柱连接

2 测量方案的确定

钢屋盖的测量放线定位，与钢屋盖的安装施工方法和安装顺序有着直接关系。为保证钢屋盖轴线点位的精确首先要确定钢屋盖的安装方法和顺序。

2.1 钢屋盖的施工安装方法

采用盘扣式满堂红支承架体，高空原位散装对接安装。

2.2 钢屋盖的安装顺序

先安装外围平面异形桁架的水平段，再安装平面异形桁架的垂直段，然后安装焊接环向杆件，使外围桁架形成稳定的空间体系，顶部弦支穹顶由外向内分环逐步安装，见图4。

图4 外围桁架安装

安装弦支穹顶单层网壳，由最外圈（第10环）逐圈向内安装至最内圈（第1环），弦支穹顶单层网壳形成后，再安装网壳下部的预应力构件，再进行预应力环向张拉和径向张拉，形成了完整的屋盖结构。

3 测量的重难点

1）地面控制网向高空控制网传递，形成高空控制网。

2）高空球节点的精准测量定位。

3）倾斜或斜交的空间结构，高空作业测量精度要求高，测量作业量大。

4 建筑物控制网的建立

4.1 一级控制网建立

根据施工现场平面图和天津市一级控制点的标高和坐标，对现存的基准点进行复测，验证基准点数据资料的准确性，确定为一级控制网。一级控制网共计8个永久控制点，在施工过程中要加强对控制点的保护管理，见图5。

图5 土建工程控制平面

4.2 二级控制网建立

根据土建工程控制点，建立由2#～9#控制点组成的地面二级控制网，见图6。它主要是对预埋件、桁架支座的定位测量。2#～9#控制点在放射线外10 m处，高出自平地坪500 mm，周围加设防护栏杆，见图6。

图6 地面控制网平面

4.3 三级控制网建立

根据二级控制网，在内外混凝土框柱之间的放射线中心点，建立向上传递位置的8个地面测量控制点，见图7。引测4个水准控制点，形成三级控制网（高程控制网）。三级控制网高出网壳最高端1 m，保证能够通视。高程控制网主要是为焊接球定位测量、张拉监测，网壳完成后进行复测而建立，也是测量工作的重要环节，见图8。

图7 8个地面测量控制点

图8 高程控制点

4个水准控制点，组成水准基点组。构成闭合路线，各点间的高程进行往返观测，闭合路线的闭合误差应n为测站数）。

水准测量作业结束后，每条水准路线须以测段往返高差不符值计算每千米水准测量高差的偶然中误差和全中误差。

式中：M△为高差的偶然中误差，mm；△为水准路线测段往返高差不符值，mm；L为水准测段长度km；n为往返测的水准路线测段数。

式中：MW为高差的全中误差，mm；W为闭合差；L为计算各W时，相应的路线长度，km；N为附合路线或闭合路线环的个数。

5 预埋件的测量定位

5.1 预埋件平面定位方式

外圈混凝土柱上预埋件，根据相应混凝土柱轴心坐标加上预埋件所属标高确定预埋件三维坐标值。预埋件轴线偏移量允许值为2.0 mm。

5.2 预埋件的标高控制

对基础面的高程控制，采用水准仪常规高差测量，直接测得预埋件的标高：首先采用水准仪对先前施工的每一个预埋件进行复测并对埋件的四个角进行标高复测。以实测的水平标高为依据来调整埋件高度，使四点达到设计标高。

6 平面异形桁架安装的定位测量

6.1 桁架经度的控制

桁架经度、垂直度采用经纬仪控制。圆心、柱根轴线、控制线在一条直线上。经纬仪放置在控制线上，照准控制线，翻转目镜照准柱根轴线，复核合格后锁定目镜。上下调节目镜，照准桁架，控制桁架经度、垂直度。32条控制线应在基础完成后，首层施工前完成引测，可以在硬化道路上弹墨线。因现场条件不能满足弹设控制线，故设置了控制点，保证圆心、柱根轴线、控制点在一条线上。

6.2 桁架的高程控制

高程控制采用水准仪测量，以柱子上1m线为基点，4个基准点经闭合复核后，对焊接球、桁架的标高控制。

7 单层钢网壳高空散装的定位测量

采取CAD辅助测量方法进行网壳节点测量。通过深化设计计算确定单层网壳每个球中心点初始位置，如编号 HQ-004-18 坐标（Y=89 082.820，X=281 116.911，Z=23 283）。

在观测台上架设全站仪并对中整平，初始化后检查仪器设置：气温、气压、棱镜常数。以编号HQ-004-18焊接球为例，输入14#站点的坐标，输入15#后视点坐标，完成建站。将焊接球下方P点坐标输入全站仪，P点坐标与该球的水平方向相同，标高在该球下方焊接球半径+100 mm处，即为在球在钢板上的投影点，见图9。利用定位胎架，调节标高及钢板水平位置，进行精确调整，对P点定位放样。

图9 焊接球定位

球心投影点（P点）定位后在钢板上弹线十字线，在十字线上按照钢管半径做好标记，焊接钢短管（10 mm厚φ299 mm、10 mm厚φ219 mm），使钢短管圆心为十字线中心，放置焊接球后，定位点即为焊接球中心平面投影点，作为平面控制依据；钢板定位点标高+138 mm+焊接球半径即为焊接球中心标高。以此类推，完成其他焊接球的定位、放样。见图10。

图10 球定位胎架

8 结语

网壳拼装后，纵横向长度偏差为5 mm，最大挠度值为16 mm，满足规范和设计要求。张拉完成后最大起拱值为59 mm，与设计值仅有8 mm的误差，满足设计要求。通过该套测量技术的应用，很好地完成了天津中医药大学钢结构工程的施工测量工作，测量精度完全满足设计和规范的要求。

[1]GB 50755—2012，钢结构工程施工规范[S].

[2]GB 20205—2001，钢结构工程施工质量验收规范[S].

[3]GB 50026—2007，工程测量规范[S].