观音圣坛圆通大厅单层斜交异形双曲铝合金结构设计与施工*

欧阳元文，尹 建，刘小蔚，李志强

(1.上海通正铝结构建设科技有限公司，上海 201612；2.上海建科铝合金结构建筑研究院，上海 200230)

1 工程概况

观音法界一期观音圣坛位于舟山市普陀区朱家尖香莲路北侧，总建筑面积66 058m2。其中地上约63 363m2，地下约2 695m2。圣坛地上10层，地下局部1层，1层至顶部宝珠高91.9m。圣坛中央为贯穿1～9层通高的圆通大厅。圆通大厅为单层斜交异形双曲面网壳结构，是整个项目的核心景观。圣坛整体剖面如图1所示。

图1 观音圣坛剖面

单层网壳结构坐落于底部混凝土壳体上，与混凝土结构融为一体，共同构成须弥山圣殿。结构高约32.65m，顶部直径为21.48m，底部直径为18.3m，中间最小直径为7.5m，展开面积约1 264m2。因铝合金结构具有轻量化、耐久性、数字化、一体化、装配式、绿色环保等优点[1-2]，本项目采用铝合金单层网壳结构。网壳由三维曲线旋转形成，四边形网格节点形成双曲面，网格360°进行12等分。中间向上、下部位沿艺术曲线平滑过渡，整体造型优美，曲线流畅，自下而上连为一体，如图2所示。网壳表面采用空间多曲铝板，镂空部位镶嵌马鞍形双曲A类防火玻璃，采用铝合金装饰一体化结构，无需次龙骨，无缝安装玻璃及铝板，实现围护结构、灯光照明和主体结构一体化设计与施工，最终形成佛教艺术建筑，铝合金装饰一体化节点如图3所示。

图2 圆通大厅整体模型

图3 铝合金装饰一体化节点

2 计算分析

2.1 静力分析

本工程铝合金网壳结构网格尺寸约1.4m，采用6061-T6 铝合金材料，主要荷载为恒荷载1.0kN/m2(玻璃及铝板装饰等)、活荷载0.5kN/m2、地震作用(抗震设防烈度7度，基本地震加速度0.10g，设计地震分组第一组，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期0.45s，阻尼比0.02)及±20℃升降温对结构的影响。

采用SAP2000及3D3S软件对结构进行设计计算，采用理想弹性材料。结构杆件采用工字形截面H200×150×10×15，H200×150×12×20。各荷载工况组合作用下，最大杆件应力比约0.6，出现在腰部附近；其余杆件强度应力水平均较低，如图4所示。

图4 铝合金构件强度应力比

2.2 结构变形分析

在恒荷载和活荷载标准值作用下，屋盖结构竖向位移如图5所示，累积竖向位移为129.9mm。通过分析节点间相对位移，得到网格区格间最大相对变形值为11.64mm，小于玻璃预留安装间隙15mm，不会挤碎玻璃。

图5 荷载作用下结构竖向位移

2.3 整体稳定性分析

铝合金单层壳体结构除需控制强度和变形，还需控制整体稳定性，其为承载力的决定性因素。根据JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》中第4.3.3条进行网壳全过程分析，应考虑初始曲面形状安装偏差的影响，可采用结构的最低阶屈曲模态作为初始缺陷分布模态，其最大值可按1/300跨度取值。采用ABAQUS软件对结构进行稳定性分析，结构弹性阶段整体分析结果如图6所示，屈曲荷载系数为6.44>4.2，满足规范要求[3]。

图6 弹性阶段屈曲分析结果

考虑几何非线性与初始缺陷的影响，利用弧长法对结构进行非线性稳定性分析，提取结构中位移最大的节点荷载-位移全过程曲线进行跟踪，取临界荷载为结构的极限荷载，得到结构荷载倍数-位移曲线。恒荷载+活荷载工况作用下结构荷载系数-弧长曲线如图7所示。考虑初始几何缺陷及材料弹塑性得到的结构整体稳定性荷载系数为 5.38，>2.0，满足规范要求[3]。

图7 弧长法结构荷载系数-弧长曲线

3 关键施工技术

3.1 施工重难点

3.1.1高精度三维弯扭工艺

本工程所有6061-T6铝合金杆件与一体化6063-T6玻璃压板均为弯扭杆件，弯扭构件数量极多，曲率均不同，且同一构件弯扭曲率为多曲率分段控制，弯扭难度级别为最高级别即A级别即特级弯扭难度，弯扭工艺复杂。弯扭杆件及压板如图8所示。

图8 弯扭杆件

经多次试加工，确定最终解决措施为：①将现有重型数控滚轮式三辊机升级改造为三维冷弯专用重型数控滚轮式三辊机，同时升级数控软件；②为保护冷弯过程中定制截面构件翼缘及企口，配合使用特殊定制滚轮及高强度填充物，确保冷弯后杆件及压板整体形态，避免出现不可控变形造成的安装困难及材料强度折减；③弯曲和扭转时，杆件两端均需夹具固定，过程中各杆件两端预留0.5～1.0m操作长度及加工余量，完成后切除。

通过三维模型展开放样加工弯扭节点盘，根据实际曲率进行数控加工及多次人工校准，确保节点盘有效连接，建筑外观整体一致。

3.1.2多曲面型材生产加工工艺

为达到建筑结构一体化的艺术形态和美学效果，主杆件外包铝板也为复杂多曲面铝板，如图9所示。项目涉及铝板共计9 408块，弯扭曲率各不相同，弯扭控制难度大、精度要求高。解决措施为：①每块铝板单独导出模型进行三维放样，将铝板先弯曲后分开焊接加工；②焊接后进行表面处理，为达到设计要求，成型铝板安装采用“先用沉头铆钉固定，后用交流钨极氩弧焊焊接对接接缝，焊缝打磨抛光，现场喷涂氟碳面漆”的施工方法。

图9 三维多曲面铝板

3.1.3空间构件二次精加工工艺

标准项目中由于杆件、压板和节点板无弯扭(或只有轻度弯曲)，所以一般的二次加工程序只有阳极氧化和人工校准[4]，标准平面玻璃的切割打磨工序也相对简单。本项目构件均为复杂三维弯扭空间构件，安装精度要求高，构件定位难度大。引入5轴机械臂和三维定位仪器完成二次精加工，可提高加工精度，降低材料二次加工废损率。

3.1.4多曲面钢化防火玻璃制作工艺

本项目采用马鞍形双曲玻璃(见图10)，面材为超白钢化防火玻璃，同时具备半透明的磨砂效果，国内尚无应用先例。

图10 多曲钢化玻璃三维示意

目前大部分国内厂商只能制作出单曲面玻璃，为满足设计要求，需对现有曲面玻璃制作工艺进行创新。主要采取以下措施：①对现有钢化炉升级改造，将其替换成能使用特殊不锈钢模具的钢化炉，以便进行双曲玻璃钢化工作，同时在加工过程中不断进行调试和改进，如图11所示；②防火玻璃须经过精磨边和抛光处理，异形玻璃无法在双边机上抛光，须在单边机上逐块抛磨，人工成本高，次品率高，需严控加工误差；③采用以色列DP公司打印机及高温陶瓷油墨工艺进行着色；④夹胶工艺方面采用成本较高的真空预压技术，每片玻璃通过单独使用一次性真空包装袋预压完成夹胶作业。

图11 改造的玻璃钢化成型模具

3.2 预拼装与施工安装

3.2.1预拼装

本工程铝合金网壳为复杂异形结构，为保证网壳安装后的建筑效果，制作精度和安装精度要求极高[4]。因此，网壳杆件制作完成后，进行大范围分段预拼装，确保网壳杆件曲线流畅优美，螺栓孔位精确，各方面技术参数符合设计图纸及规范要求。根据网壳直径及曲面变化，将网壳分为9个区段(见图12)，每段拼装高度控制在4m以内，最大拼装半径为18m。

图12 预拼装段划分

3.2.2施工安装

本工程采用满堂脚手架高空散装法施工，因结构为两端大、中间小的宝瓶形状，最窄处仅7.1m，对杆件和节点的安装操作空间不利，且脚手架搭设也存在很大风险及困难。为避免杆件与脚手架碰撞，保证网壳施工顺利，脚手架搭设前应建立BIM模型对网壳与脚手架进行碰撞校核(见图13)，优化脚手架图纸，将施工中可能出现的碰撞问题消除在脚手架图纸设计阶段。

图13 BIM碰撞校核模型

杆件及构配件的加工误差均控制在毫米级别，对安装精度要求高，施工过程中需对安装定位进行精密测量，保证网壳安装精度[5]。采取的措施为：①增加测量控制点布设密度，每根杆件至少选取3个测量点，同时测量三维坐标；②增加测量仪器布设数量，每层平台至少布置4台全站仪；③施工时每个节点一点测量、多点复核；④施工过程中，定期检测结构形变；⑤每开始一道工序，应对上道工序进行测量复核；⑥施工测量工作全过程紧密配合。

为保证结构安装达到预期效果，综合考虑结构自身特性和施工空间狭小的因素，采用满堂脚手架高空散装法。自下而上一次安装铝合金网壳，每安装一段铝合金杆件进行一次校正，避免安装误差累积。同时，边装铝合金结构边搭设脚手架，脚手架搭设贯穿整个网壳安装过程，实现一次安装成型、一次安装合格。

网壳安装完成后进行玻璃、铝板安装，安装顺序自上而下，每安装一段玻璃拆除一段脚手架，脚手架拆除贯穿整个玻璃安装过程。玻璃安装开始后，实时监测结构应力、应变，防止结构内应力过大挤碎玻璃，造成重大成本与工期损失。本工程选用的马鞍形异形双曲玻璃单片造价高，安装过程中需采取严密的成品保护措施。玻璃安装前需对安装工序进行分解，编制安装工艺卡，并向作业人员进行技术交底，保证玻璃及铝板安装准确、流程规范合理。

4 结语

1)结构在各种荷载工况下应力水平较低，变形满足使用要求；整体稳定性分析结果表明，考虑几何及材料双非线性，结构屈曲稳定安全系数满足规范要求；结构静力分析表明，铝合金单层网壳性能优异，满足设计与使用要求。

2)由于本项目为异形双曲面复杂结构，且为艺术类精品建筑，结构及装饰围护体系加工生产工艺复杂且困难，详细阐述其加工重难点及解决措施，可为该类艺术类建筑施工提供参考。

3)详述预拼装与安装关键技术，可为类似狭小安装空间异形结构体系的施工积累经验。