华润前海金融中心天幕工程设计施工技术分析

2020-08-18夏剑龙潘志强

建材与装饰 2020年23期

夏剑龙，潘志强

（华南理工大学，广东广州 510000）

1 工程概况

本工程为华润前海金融中心天幕及特色餐饮平台幕墙工程，位于深圳市南山区梦海大道与桂湾四路交汇处。结构形式为大跨度空间自由曲面单层网壳结构，建筑总面积为3500m2。网壳由一系列树型柱和一对接地柱支撑在结构混泥土上，天幕上表皮由ETFE 膜（带彩釉点）及边天沟排水系统组成，其整体效果见图1。

图1 整体效果

2 主体结构体系

天幕为网壳结构，主体钢结构稳定体系较为复杂。网壳组成：树形柱、接地柱、边环梁、填充杆件、X 节点。首先如何使天幕下方形成较大空旷的空间，又需要保证有足够的支撑系统来承受上方所传导下来的荷载。经过多次论证实验及计算，第一步：我们采用8 根树型柱及一对接地柱作为主要竖向支撑结构。第二步：由于天幕投影面积较大（3500m2），如何将天幕的重量均匀传导至支撑结构上，我们经过计算使用31 根管径大小及长短不一的圆管将支撑柱与网壳进行连接，连接方式为铰接，见图2。

天幕网壳填充系统：￠299 圆管、拉杆X 节点组成。￠299 圆管经过坐标定位与边梁焊接，￠299 圆管之间连接采用X 型节点刚性连接。拉杆与￠299 圆管使用铰接，见图3。

图2 树杈效果

图3 钢管铰接

3 膜系统节点设计及优化

首先如何优化自由曲面网壳表皮，从整个设计理念，我们根据钢结构的构造形状，将表皮分解成若干个棱形网格布置。

ETFE 膜支持系统：如何在一个自由曲面设置支撑系统还是比较复杂，首先要保证支撑体系安全性，其次在自由曲面中必须要有可调节空间（三维调节）。根据以上两点我们对支撑系统进行优化，第一步设置钢马件可进行高度方向，第二步设置钢底座可左右调节。以此系统安装时可消除由于钢结构安装时所产生的误差，从而达到表皮安装精度，见图4。

ETFE 膜固定系统：本项目表皮为不规则菱形，且局部凸凹起伏无固定形态。从而导致如何将表皮随形安装对固定构件要求较为精确及形状要求多变。为了达到设计效果，在菱形四条直边设置为通长直段铝型材，在菱形四个相交角设置多曲面铝板，从而保证ETFE 膜完美随形，见图5、图6。

图4 可调底座

图5 膜连接

图6 龙骨连接

4 制作

4.1 钢结构制作

X 节点制作是系统安装重点及难点。如图6 所示单个X 节点，每个X 节点四个圆管起伏高度根据网壳形状均不相同。

组成X 节点的四管空中相交，双曲网壳的数学模型决定其相交角度。将带拉杆孔的那一整块加肋板称为A 加肋板，将不带拉杆孔的两块加肋板称为B 加肋板。在相贯线在同一平面的X节点，B 板可以根据左右管子的腔体切割弧形口，见图7。

图7 龙骨焊接节点

在完成焊接24h 后，对焊缝进行探伤，对一级焊缝部分，100%超声波探伤或100%磁粉探伤。三级焊缝做外观检查。

边梁制作采用大口径中频弯圆机结合双曲胎架进行弯圆。本质上中频弯管是在交流大电流形成交变磁场，在圆管局部高速加热，用胎架或半径控制逼迫被弯圆管按需要变形。胎架或半径控制同样是半径控制，其弯圆原理如图8 所示。

图8 钢管工厂加工

将直管分段放置在大型数控弯圆机上，调整中频线圈，让直管穿过线圈而保持10～20mm，将液压缸推杆通过支架顶住直管，最后启动大型中频弯圆机，完成作业。

4.2 钢结构胎架

天幕工程吊装需要用到57 个胎架，目前胎架是按回顶一层楼板布置，现场共计57 个胎架。其中落在负二层上的胎架TJ24、TJ25、TJ26、TJ55、TJ54、TJ16、TJ17、TJ18、TJ46、TJ47，共计10 个胎架支座反力较小，不需要做回顶支撑；其中落在负一层上的胎架TJ2、TJ3、TJ4、TJ5、TJ19、TJ20，共计6 个胎架在结构加固区域，不需要做回顶支撑；其中落在支三路上的胎架TJ50、TJ51、TJ45、TJ30、TJ31、TJ36、TJ29，共7 个胎架在回顶加固区域，不需要做回顶支撑；剩余34 个胎架回顶一层。经设计院复核后得知胎架按回顶一层的做法满足结构受力要求，见图9。

图9 回顶落地根部节点

4.3 钢结构卸载

本次卸载主要是对天幕网壳所有X 节点及大边梁下的临时固定支撑进行卸载，以及临时支撑的拆除。

卸载原则1：卸载过程是一个力的传递和受力体的转换过程，因此是一个动态过程。卸载主要利用托台的螺旋杆旋转下移来实现的，是以位移量的控制作为卸载荷载的控制，按照先卸载全部中间网壳结构，后卸载边梁结构的方式，逐步放支撑力，直至完全卸载。在过程中，力的传递与受力体的转换必须要遵循“合理、有序、平稳、缓慢、均匀”的原则。

卸载原则2：卸载过程中应保证主体结构和胎架支撑结构的内力和位移的变化是缓慢的。

卸载原则3：载过程中应保证主体结构和胎架支撑结构的应力控制在弹性范围内，同时保证内力和位移的变化幅值控制在合理的范围内，使它们不发生强度破坏或失稳。

卸载原则4：卸载时要进行跟踪测量和监控。

卸载原则5：卸载时要统一指挥，保证同步且严格执行卸载原则，不可一次性卸载完成，应分多步进行卸载。

5 天幕ETFE 系统施工

5.1 施工规划

依据现场实际情况编制合理施工措施方案，材料运输路线与堆放，针对复杂结构体系合理性施工。

5.2 施工重点

（1）主体钢结构安装对施工精度要求较高，针对高精度施工我们采用全站仪通过三维坐标进行定位让安装误差＜5mm。高精度的安装从而使网壳才能符合要求完成安装闭合。

（2）ETFE 支撑钢架，多曲面网壳表皮支撑由U 形钢件作为表皮与主体钢架连接构件，由于整个主体钢架高度没有规则性，导致所有钢件长短均不相同，在安装过程中精度较难控制。

钢件四个角点都不在同一个平面，所以在安装时如何在空间定位，我们从三维模型中导出四个角点坐标。首先在主体钢结构上使用全站仪预先在钢件区域焊接4 根钢筋，钢筋顶端为钢件四个角安装位置，钢筋定位完成后将钢件与钢筋顶端对位安装即可，见图10。

图10 支撑钢架安装

（3）钢结构卸载，本项目钢结构为大跨度悬挑钢结构，卸载方案的安全性及合理性尤为关键。在此我们通过以往实践及模拟计算，采用沙漏作为卸载工具。

卸载注意事项：

在网壳形成整体后，进行卸载，卸载前网壳应完成如下工序：每个分区间网壳已形成整体；网壳间节点与系杆之间安装、焊接完毕；临边节点及收边立杆安装、焊接完毕；节点临时固定托板割除打磨完毕；所有焊缝探伤合格出具报告。

原则1：卸载过程是一个力的传递和受力体的转换过程，因此是一个动态过程。卸载主要利用托台的螺旋杆旋转下移来实现的，是以位移量的控制作为卸载荷载的控制，按照先卸载全部中间网壳结构，后卸载边梁结构的方式，逐步放支撑力，直至完全卸载。在过程中，力的传递与受力体的转换必须要遵循“合理、有序、平稳、缓慢、均匀”的原则。

原则2：卸载过程中应保证主体结构和胎架支撑结构的内力和位移的变化是缓慢的。

原则3：载过程中应保证主体结构和胎架支撑结构的应力控制在弹性范围内，同时保证内力和位移的变化幅值控制在合理的范围内，使它们不发生强度破坏或失稳。

原则4：卸载时要进行跟踪测量和监控。

原则5：卸载时要统一指挥，保证同步，且严格执行卸载原则，不可一次性卸载完成，应分多步进行卸载。

原则6：根据边梁各区域变形量的大小，将对下沉量较大的部位与较小进行比例计算，得出最大下沉区域与最小下沉区域约为6：1，因此按照变形下沉的高度不同沙箱卸载时将对不同区域同时间段的卸沙量进行比例分配，以达到同步卸载。

卸载原则：

天幕结构中间的X 节点网格先卸载，分三个区域逐步卸载，每一区域为一次性卸载；边梁最后卸载，分三步卸载，每次卸载理论下沉量的30%，直到卸载结束。遵循从内向外、先高后低的原则。

沙漏卸载，首先在主体钢结构下方安装可承载沙漏平台，沙漏放置平台后与主体结构之间焊接支撑板，支撑板与主体结构之间空隙控制在5mm 以内，防止卸载时造成突然沉降量过大。在卸载时遵循缓慢平稳原则，通过沙漏两侧螺栓孔每次卸沙量控制在10mm，多次循环卸载，在卸载过程中连续观测下沉量是否超过理论下沉数据，以此完成全部卸载。