多点支承大跨度单层复杂曲面网壳结构的安装

金伟峰

上海市机械施工集团有限公司 上海 200070

1 工程概况

G60科创云廊项目位于上海临港松江科技城，为多点支承大跨度单层复杂曲面钢-铝合金组合连续网壳结构。屋盖长736 m，最大跨度132 m，投影面积约8.2万 m2。网壳屋盖通过56组树杈钢柱支承上盖于高80 m的11栋塔楼顶部，在几何形态上呈连续起伏的波状。波峰主要集中于塔楼之上，最高点相对标高103 m；波谷主要集中在楼宇间，最低点相对标高86 m；檐口相对标高92.8 m，其建筑效果如图1所示。

图1 云廊网壳效果图

2 工程特点

1）本工程网壳屋盖的高差起伏变化大，除楼顶上方区域的1.6万 m2外，其余6.6万 m2网壳均处在悬空区域，高空作业面极大，且塔楼之间最大净距达132 m，施工安装跨度大，网壳投影区域下方既有结构情况复杂，这些特点为网壳的安装带来了极大的困难。

2）网壳为异形单层曲面结构，网壳结构在形成整体之前刚度差[1]，对施工总体的形态控制要求很高[2]。

3）铝合金杆件主要采用不锈钢铆钉的全机械连接，总铆钉数量约为180万套，铆钉孔精度为2 mm，且现场不允许扩孔，故施工安装时无调节余量。因此对于构件的加工及安装的精度要求极高，同时对施工阶段的测量控制精度也提出了高要求。

4）屋盖网壳长达736 m，投影面积8.2万 m2，覆盖11栋塔楼。安装时以小单元吊装为主，高空散装为辅，支撑点位多达3 000个，若网壳整体安装完成后再进行同步卸载，则施工周期长、措施成本高。为了节约工期，并降低措施成本，研究如何控制网壳分区卸载的施工附加应力是本项目的关键。

5）为网壳提供支承的塔楼主体结构及其外立面玻璃幕墙在网壳施工前已基本安装完成。既有混凝土塔楼、裙房结构的配筋率较低，无法承受施工措施及大型机械设备的施工荷载，需要进行大量的结构加固。同时，塔楼区域网壳钢构件较多，结构存在大量的焊接作业，对下部塔楼玻璃幕墙的成品保护难度极大。

6）本工程施工措施钢平台的拆除，需要在安装完成的网壳下方进行，这一制约条件为施工方案的编制以及机械设备的选型带来了困难。

3 施工技术路线

3.1 总体技术路线及机械选型

网壳高度高、跨度大、面积广，且投影范围内均有地下室结构，全部采用搭设满堂脚手架或设置百米高支撑代价大且难以实现；网壳主体为单层异形曲面铝合金结构，结构刚度较小且面积大，无法整体吊装或提升；网壳高差大，11栋塔楼顶部均有高于网壳最低点的小炮楼，同时塔楼之间的跨度大，且网壳通过钢结构树杈柱与11栋塔楼的楼顶相连，滑移也难以实现。

根据G60科创云廊项目结构特点，结合网壳常规施工工艺制定总体技术路线，提出了一种“以机械设备为主线，建立全覆盖、可升降、模块化高空承重钢平台体系，分区分块流水吊装网壳结构”的施工方法，解决了铝合金网壳在超高空的高精度悬空安装难题。根据各分区结构特点设置全覆盖、可升降、模块化的高空承重钢平台体系，在保障铝合金杆件安装精度的同时，大幅提高了施工效率和施工安全性。

根据群塔上盖网壳下部支撑塔楼分布进行区块划分、编号，形成位于群塔楼顶T（T1—T11）区域，位于塔楼间高空连廊K（K1、K2）区域，位于南侧塔楼间底部地面裙房P（P1—P4、P7）区域，位于塔楼间低空连廊P（P5、P6）区域，位于两侧群塔中轴接合S（S1—S10）区域；分成5大类，合计30个网壳分块，其分块如图2所示。

图2 网壳分区平面布置示意

针对群塔网壳上盖这一特点，对主要安装机械设备进行选型。布置原则：吊装范围全覆盖、设备便于拆装。布置要点：工程南侧场地良好，可开行大型履带吊，北侧场地不允许开行大型设备，无法在北侧塔楼楼顶安装大型固定式塔吊，由此牺牲的吊装范围及起重能力由中庭的行走式塔吊补充。机械布置：南侧5台固定式塔吊安装于楼顶；北侧5台固定式塔吊外附于主楼；南侧布置450 t履带吊，安装时采用主臂56 m＋副臂78 m，拆除时受网壳上盖影响，采用主臂56 m＋副臂54 m；中庭布置1台行走式塔吊，如图3所示。

图3 施工机械设备平面布置示意

3.2 各分区措施平台构建

1）群塔楼顶投影区域搭设满堂脚手支撑架，群塔楼顶周边悬挑区域安装悬挑桁架和上部格构柱支撑形成措施钢平台胎架。

2）塔楼间底部地面裙房区域在地面拼装措施钢平台，同时在两侧塔楼结构柱和中间的临时支撑塔架上设置反力架，对措施平台进行整体提升，提升到位后的措施钢平台用于安装此区域的网壳（图4）。

图4 平台提升立面示意

3）塔楼间高空连廊投影区域安装格构柱支撑，高空连廊两侧悬挑区域安装悬挑桁架和上部格构柱支撑形成措施钢平台胎架。

4）塔楼间低连廊区域在连廊顶和出连廊地面搭设贝雷架组合支撑系统，作为措施平台的高空支撑架，再在措施钢平台顶安装上部格构柱支撑，形成网壳安装用高空措施钢平台胎架（图5）。

图5 低连廊区域措施立面示意

5）两侧群塔中轴接合区域高空吊装措施钢平台和上部格构支撑柱间的距离较长，在地面设置通长轨道安装行走式塔吊和自行式拼装台车，用于钢平台的地面拼装、转移和高空吊装，措施钢平台两端固定点视具体情况存在多种形式，可搁置在塔楼原结构、连廊原结构、已安装高空措施钢平台、塔楼悬挑钢平台上。

3.3 各分区网壳的安装及卸载

网壳的安装基于下部树杈柱安装完成和高空措施钢平台胎架构建完成，安装方式为杆件散装和单元吊装相结合。

楼顶区域散装顺序遵循树杈柱分布点位进行，即先散拼树杈柱顶节点区域网壳并互相延伸连接，形成外部一圈稳定结构单元，再逐圈内缩至完成塔楼顶网壳区块安装。塔楼间网壳区块以两个塔楼顶网壳区块为基础进行中间区域网壳安装，安装顺序为2个塔楼相向搭桥连接，搭桥完成后以此向两侧扩散直至完成本区块的网壳安装。塔楼顶、塔楼间网壳区块完成后，安装中轴接合区域网壳区块，形成与塔楼顶网壳区块和塔楼间网壳区块结构连接的中轴接合网壳区块。根据卸载设定原则，多个塔楼顶、塔楼间、中轴接合网壳区块互相连接成稳定结构后形成第一网壳安装大分区，此时可进行第1次网壳卸载，随着后续塔楼顶、塔楼间、中轴接合网壳区块的安装，不断形成新的网壳安装大分区，对应地可进行再一次网壳卸载，直至全部网壳安装完成且卸载完成。

4 安装关键技术

4.1 贝雷架支撑体系设计

贝雷架组合临时支撑，主要由底部贝雷架钢柱基础、贝雷架钢柱、横纵向连系构件、爬梯通道、贝雷架钢柱上部的阳头大础板和“工”形转换梁等组成。同时贝雷架钢柱还可以利用附墙抱箍和周围主体结构进行连接，必要时，当台风预警或超出设计要求需额外加固的情况下，还可以在多个贝雷架钢柱两两之间，利用花篮螺杆及钢丝绳进行交叉拉结。

各标准贝雷架之间通过销轴节点进行对接，形成长度模数化的贝雷架，将4片贝雷架通过三角撑侧向连接和中间的水平支撑连接，形成一个四方格构式贝雷架钢柱。多个贝雷架钢柱之间通过多道横向水平贝雷梁连接，使用2片标准贝雷架拼装而成，标准贝雷架之间通过竖向的阴阳头销轴节点和横向的水平支撑架连接，形成整体稳定的竖向支撑体系。

4.2 模块化措施钢平台设计

为了减少措施用钢量，节约项目成本，措施钢平台的设计需要引入模块化思想，使得某一区域的钢平台经过现场简单的改造后，即可应用于另一类似区域。针对需钢平台的最大净跨度，提出2套设计方案进行对比遴选。其中，方案1采用三层网架直接跨越132 m，方案2采用双层网架，并在跨中加设若干竖向临时支撑塔架，以减小钢平台计算厚度，2套方案的技术指标对比见表1。

表1 钢平台设计方案对比

对比2套方案后发现，方案1挠度过大、提升点反力过大（远超既有塔楼承载力）、提升点反力不均匀、加工运输安装不方便。增设临时支撑后的方案2挠度大幅降低、提升点安全储备高、结构形式更合理且用钢量少。因此本项目中整体提升与下降安拆的施工措施钢平台拟采用优化后的双层网架＋临时支承的设计方案。

4.3 整体提升、下降技术

计算机控制钢结构整体同步提升、下降技术采用液压提升器作为牵引器具，柔性钢绞线作为承重索具。液压提升器为穿芯式结构，以钢绞线作为提升索具，具有安全、可靠、承重件自身质量轻、安装方便、中间不必镶接等一系列优点。

本工程中提升的措施钢平台P平台跨度达134 m，宽57 m，总面积为5 000 m2，提升质量1 000 t，提升净高为55 m。由于平台跨度较大，除依附在两侧塔楼结构柱上的8组提升反力架外，在平台跨中还布置了6组钢结构格构式临时支撑塔架，每组塔架各设置了2个提升点，总计20个提升点。提升过程中，通过观测平台三维状态，后台对每个提升千斤顶进行调整，确保平台位移的均匀同步。

4.4 网壳单元小拼及高空安装技术

悬空区域采用搭设措施钢平台的方式进行网壳安装，但是由于网壳自身高度起伏大，平台受限于塔楼标高只能安装至77.2 m标高，与网壳86～103 m的标高差距较大，需要在平台上加设临时支撑系统。考虑到尽量减少支撑以降低措施平台荷载，同时兼顾设计要求的零应力施工，本项目对铝合金网壳单位的施工阶段的应力分析，选择九宫格小拼单元高空吊装的施工工艺。

九宫格单元安装工艺是在地面小拼九宫格网壳单元，同时在塔楼楼顶及措施钢平台上搭设好格构柱支撑系统作为搁置点和操作平台，通过高空吊装的方式安装就位，施工流程如下。

1）按照单元分块图在地面进行拼装，并将中间4个节点螺栓全部锁完，四边节点均锁4枚螺栓，与已安装的节点相连的节点锁上节点4枚螺栓（下节点已位于已安装的节点），与下一片单元对接的节点锁下节点4枚螺栓（上节点随下一片单元安装）。

2）按计算给出的吊点位置及钢丝绳长度进行设置。

3）利用塔吊将单元块吊至相应格构柱顶撑位置。

4）与后方已安装的网壳杆件或九宫格相连。待安装单元和已安装网壳杆件对接就位后，锁定上下节点板螺栓。

5）测量顶撑位置的节点标高，并按测量结果调整网壳标高，以满足要求。

4.5 空间网壳分区卸载技术

在网架安装前，根据网架既有结构支撑的分布和受力形式设置安装大分区和卸载小分区，经计算，网架大分区安装完成后的小分区卸载能保证原结构应力和形变都达到设计要求。再依据现场场地条件及网架的主要受力节点分布进行临时支撑的布置，临时支撑可采用独立钢柱、多边格构柱、满堂支撑架等多种支撑形式，临时支撑的顶部设置可调托座，并在托座上加设找平木楔作为和网架节点的接触面。在大分区网架结构安装、焊接完毕及螺栓锁紧并验收合格后，进行小分区卸载，卸载区和非卸载区之间预设过渡带，过渡带按照计算挠度的1/3、2/3进行非完全卸载。采用多步分级循环的方式将卸载支撑点下移，使可调托座随着逐级卸载逐步和主结构脱开，使钢结构平缓地达到设计受力状态。在小分区卸载完成后，进行下一安装区的网架安装，待形成第2个安装大分区后，再进行第2个卸载小分区的卸载工作，依次进行，直至全部网架结构安装、卸载完成。

使用计算机软件对网壳结构进行仿真分析，计算网壳卸载的挠度，根据计算结果，设定可调托座丝杆的规格、高度和插入深度，以保证卸载行程不超过可调范围，并将卸载过程中可能会与网壳结构发生碰撞的脚手架、走道梁、栏杆等进行预处理，减少卸载碰撞问题，降低卸载过程中动火切割的可能性。

5 结语

G60科创云廊项目根据屋盖的支撑体系，沿各主楼对网壳进行安装和卸载区的划分，共计进行5次分区卸载。以高效的施工工艺和过程控制措施完美地控制了钢构件与铝构件之间的连接节点及铝合金节点盘的精度，保证屋盖安装过程中的变形量和杆件铆接穿孔质量，使得工程的质量、安全、工期得到把控，为此类高空大跨度金属结构组合屋盖施工积累了经验。