超大型多曲面空间室内植物园钢结构穹顶壳罩施工技术

2021-10-22赵云鹏任运豪

施工技术(中英文) 2021年16期

王涛，赵云鹏，袁渊，黄凯，苗苗，任运豪，刘帅

(中建三局集团有限公司成都分公司，四川成都 610041)

1 工程概况

随着建筑业的飞速发展，人与自然完美结合的设计理念得到推广，越来越多建筑物内设计有超大型钢结构多曲面空间室内植物园，但室内场地有限，植物园造型复杂，传统的高空散拼法已不能满足当前社会对成本、进度、质量和安全的要求。

重庆市两江新区约克北郡三期总承包工程超大型室内植物园修建于核心商圈超大型城市综合体工程内部，植物园整体为异形曲面空间穹顶构造，长80m、宽38m、高49m，由26个排拱组成。该室内植物园从地下1层跨越至裙楼屋面，造型复杂，立体空间约11万m3，如图1所示。本文依托该项目对传统施工工艺进行优化创新，解决超大型多曲面空间室内植物园钢结构穹顶壳罩的施工难题。

图1 重庆约克北郡三期室内植物园效果

2 施工工艺比选

超大型多曲面空间室内植物园钢结构穹顶壳罩多采用搭设满堂支撑架后高空散拼的施工方法，但室内植物园由多个曲面叠合而成，且内部空间巨大，施工时需搭设大空间的超高满堂架支撑体系，安全性面临重大考验；钢结构高空散拼，多曲面原设计造型及钢结构施工质量难以保证，施工人员长时间高空作业，安全风险高，作业效率低，整体施工进度难以保证，大型机械设备及架体材料长时间占用成本高。

综上所述，本工程采取地面原位拼装，减少高空作业，降低安全风险；用拼装胎架及提升架代替满堂架，节约工程成本；运用BIM技术辅助钢结构施工，保证工程质量；运用液压整体提升技术快速高效地完成植物园钢结构穹顶壳罩就位拼装，可有效解决超大型多曲面空间室内植物园钢结构穹顶壳罩的施工难题。

3 钢结构穹顶壳罩施工

3.1 施工工艺

钢结构穹顶壳罩施工工艺为：壳罩深化设计→支撑胎架及提升架深化设计→施工模拟分析→构件生产加工及运输→测量放样→胎架及提升架安装→钢结构壳罩预拼装→液压提升设备安装调试→钢结构壳罩液压提升→壳罩周边剩余构件散拼安装→钢结构壳罩高空卸载→支撑胎架及提升架拆除。

3.2 钢结构壳罩深化设计

根据施工图，应用Tekla Structures软件创建BIM模型，进行钢结构详图及智能节点设计。根据施工图提供的构件布置、截面、主要节点构造及相关数据和技术要求，严格遵守钢结构相关设计规范和图纸的规定，完善构件构造，深化三维模型，直接展示复杂节点，判断深化设计是否合理，如图2所示。

图2 钢结构壳罩BIM模型深化

对于有交叉的土建、机电等专业，利用BIM技术可视化特点，对各专业模型进行碰撞检查，优化专业间连接，尤其是复杂的型钢混凝土节点。为确保结构安全，避免钢筋无法穿过型钢结构导致现场随意开孔，对型钢混凝土节点的钢筋进行BIM放样(见图3)，提前在钢骨上设置连接板、孔眼，预留洞口，做好加固及施工措施，减少现场作业及返工，保证结构安全，提高工程质量。

图3 型钢混凝土节点BIM深化

3.3 支撑胎架及提升架深化设计

3.3.1支撑胎架深化设计

钢结构穹顶提升单元采用投影原位拼装，在设计固定点位布置支撑胎架。支撑胎架由H型钢及圆管拼装而成。本工程中间部位支撑胎架采用φ326×6圆管，两边采用φ219×6圆管，设置φ140×4圆钢作为横杆和斜撑，底部采用H400×200×8×13作为底梁，制作简单且支撑效果良好，如图4所示。由于本结构为曲面结构，为避免拼装后、提升前结构出现变形，在拼装完成后沿主龙骨拉紧钢丝绳进行提升，待罩棚结构施工完成后拆除钢丝绳。

图4 拼装支撑胎架

3.3.2提升架深化设计

由于室内植物园钢结构竖向空间较大，且一般设计在建筑物旁，周边无直接提升点位，故需设计超高提升架。根据受力计算，定制标准节进行拼装组合，该支撑体系结构简单、支撑强度大、安全性高、可周转、成本低。定制标准节尺寸为1.7m×1.7m×3.0m，标准节竖杆为φ140×4，斜撑和直撑均为∟50×5，材质为Q235B。提升架如图5所示，分配大梁和分配小梁均为HW350×175×7×11，提升大梁为HN700×300×13×24，材质为Q235。提升梁与提升塔架采用焊接连接；提升塔架较高，为提高其结构稳定性，在塔架顶部通过桁架将提升门架内侧两两相连，并分别在塔架顶部拉设缆风绳与两侧结构相连，提升架布置如图6所示。

图5 提升架构造

图6 提升架布置

3.4 施工模拟分析

3.4.1受力分析

将BIM模型导入有限元软件SAP2000中，微调模型后，根据整体提升方案，对各工况下杆件、受力体系进行有限元受力分析，验算提升段穹顶钢结构、提升架、提升架楼板、拼装胎架及楼板受力，验证整体提升的安全性。根据分析结果可知，提升段穹顶钢结构最大应力比均<0.9，位移和应力值均满足规范要求；设计的提升架和缆风绳变形及受力满足要求；原楼板结构承载力满足要求；设计的拼装胎架位移及应力满足要求。

3.4.2BIM施工模拟

运用BIM技术，对钢结构整体提升进行全过程施工模拟(安装竖向第1段主龙骨→安装竖向中间段龙骨→竖向龙骨安装完成→搭设拼装胎架→提升段拼装→提升段拼装完成→搭设提升架→提升段提升→提升及补杆完成)，论证提升方案的合理性、可行性，并将BIM施工模拟用于现场交底，立体直观地将整个施工过程及注意事项展现出来，加深现场工作人员对施工方案的理解，确保整体提升的安全性和安装的施工质量。

3.5 构件生产加工及运输

将深化完成的钢结构BIM模型出图转为机床加工数据，采用工厂化预制加工，可有效节省现场加工场地、缩短施工周期、降低施工难度。成品构件运输至现场组装。

3.6 测量放样

为保证测量精度，按工期进度要求做好施工测量，平面控制网按“先整体后局部，高精度控制低精度，长边、长方向控制短方向、短边”的原则，分三级布设。复核业主提供的基坑周边控制点，作为二级控制网的建立依据，对施工过程中的地脚螺栓、钢柱安装及构件拼装定位进行精确测量。

3.7 支撑胎架及提升架安装

根据深化设计图纸，现场安装拼装支撑胎架及提升架，首先安装拼装胎架，提升段钢结构组装完成前，提升胎架仅安装至凸出提升段钢结构顶部。地面拼装即将完成时，将提升架安装至顶，并及时设置内外提升架间的顶部片式桁架、附墙件、缆风绳。

3.8 钢结构壳罩预拼装

拼装胎架完成后，对钢结构壳罩进行地面拼装，如图7所示。拼装过程中应及时检查弯曲构件与胎架接触面的间隙尺寸，用2台全站仪测量凸缘和两端口的空间坐标，与深化设计提供的坐标数据作比较，得出弯曲构件组装焊接后的实际变形情况，用火焰对超差处进行局部校正，确保各点坐标误差在2.0mm以内。

图7 现场钢结构壳罩预拼装

3.9 液压提升设备安装调试

提升架全部拼装完成后，安装液压提升设备，布置液压泵源系统，对液压泵站、电动机旋转情况、油管连接情况、锚具、钢绞线及提升系统进行全面检查调试。

3.10 钢结构壳罩液压提升

1)提升分级加载以计算机仿真计算的各提升吊点反力值为依据，对钢结构单元进行分级加载(试提升)，各吊点外的液压提升系统伸缸压力应缓慢分级增加，依次为20%，40%，60%，80%；确认各部分无异常后，可继续加载至90%，95%，100%，直至钢结构全部脱离拼装胎架。

分级加载至结构即将离开拼装胎架时，可能存在各点不同时离地，此时应降低提升速度，并密切观察各点离地情况，必要时做“单点动”提升，确保钢结构各点同步、平稳离地。

2)结构离地检查结构单元离开拼装胎架约100mm后，利用液压提升系统设备锁定，空中停留12h以上做全面检查(包括吊点结构、承重体系和提升设备等)，并将检查结果以书面形式报告现场总指挥部，确定各项检查正常无误后进行正式提升。

3)提升过程监测提升过程中，随时监测提升塔架位移、玻璃罩结构位移及玻璃罩就位情况。玻璃罩整体水平、竖向位移变形应≤50mm，塔架顶部水平向变形应≤100mm，提升塔架下沉变形应≤50mm。

使用经纬仪监测提升塔架水平向偏移，南北向观测点各布置1台；布置1台全站仪用于观测玻璃罩的水平、竖向位移及就位情况；使用自动呼叫器监测提升塔架的下挠。某项监测数据超出限值时，由液压提升系统监控人员控制提升，调节各点位受力及提升速率，以确保玻璃罩提升过程中水平及竖向位移在控制范围内。如遇紧急情况，须停机检查，处理完毕后方可继续。

4)整体同步提升(见图8) 以调整后各吊点高度为新的起始位置，复位位移传感器。在结构整体提升过程中，保持该姿态直至提升到设计标高附近。

图8 钢结构壳罩液压提升

5)BIM放线机器人辅助提升过程微调结构在提升及下降过程中，因空中姿态调整和杆件对口等需进行高度微调。为快速反馈现场数据进行微调，利用BIM放线机器人自动追踪功能，对就位后的钢结构壳罩进行多曲面精确校核，为验证提升结构是否存在误差。可按手簿上“牛眼”窗口的显示信息，确定现场固定点位误差，根据误差数据引导钢构件移动，直至偏差量符合限差要求，即完成BIM放样校核操作。