椭圆球体结构支撑体系施工技术研究

李贺龙 马得银 王 辉 周 建 剡江伟

结构支撑体系是建筑工程结构的主要支撑系统，用于承受和传递结构的质量、外部荷载和内力，确保建筑结构的稳定性和安全性[1]。目前，建筑物的功能逐渐多样化，以休闲、娱乐和购物功能为核心的公共建筑，愈加注重公共空间的开阔性和建筑外观的艺术性，因此衍生出不同的建筑形态及其结构支撑体系。其中，椭圆球体是剧院、体育馆、图书馆、商业综合体以及工业厂房等大型建筑较为常见的结构支撑体系。该体系的施工过程涉及诸多子工程，包括前期平面与高程控制、基坑工程、模板工程、混凝土工程以及支撑体系施工等。为提高施工质量，需要研究各环节的施工技术和施工要点。

1 椭圆球体结构支撑体系的优势和施工难点

在其他造型的结构支撑体系中，呈直线布置的地下连续墙会受到横向的主动与被动土压力。为了平衡力矩并约束墙体位移，必须将地下连续墙插入基坑底面以下的坚硬土壤中，插入深度由土壤性质及墙体支护方式确定，约为开挖后墙体露出土壤高度的0.3 ～0.6 倍[2]。然而，椭圆球体结构支撑体系不承受弯矩，地下连续墙仅受到周围土壤产生的压应力，无须插入基坑底面，也不需要设置水平方向支护，因此该体系在大型公共建筑中具有明显优势。

椭圆球体结构支撑体系是大型公共建筑中常见的结构支撑体系，外形为椭圆球体，内部空间较大，在施工方面存在以下难点:

1）相较于常规结构支撑体系，该体系的建筑空间结构和跨度更大，存在空间定位难度大和平面与高程控制难度大等问题；

2）该体系的结构平面复杂，存在许多曲线墙体和多曲面弧形墙体，增加了施工难度[3]。

2 椭圆结构顶板的支撑架形式

椭圆结构顶板支撑架的立杆尺寸为Φ60 mm×3.2 mm 的钢管，材质为Q355，步距为1500 mm 或1000 mm。横杆为Φ48 mm×2.5 mm 的钢管，材质为Q235，圆壳体中部的横杆纵向间距为900 mm，横向间距为600 mm，圆壳体两端球体部分的横杆纵向以及横向间距均为600 mm。

立面斜杆采用Φ48 mm×2.5 mm的钢管，材质为Q195。支模部位情况和参数数据如表1 所示。

表1 支模部位情况表 单位/m

3 椭圆球体结构支撑体系的施工流程

椭圆构件的钢板面施工是椭圆球体结构支撑体系的施工难点：椭圆构件众多、类型各异，钢筋混凝土结合钢板面施工，钢板面模板单件质量较大，焊接精度要求较高。椭圆球体结构支撑体系为盘扣式脚手架，结构整体为2 m 厚的顶板，给椭圆球体的定位放线带来较大困难，具体为：

1）在施工前应做好定位放线工作，确保各椭圆构件的安装点位。例如，对于椭圆球体的底部支座，应通过各种测量方法反复校核标高位置，确保符合设计要求。

2）椭圆构件应该按照先经管后纬管的顺序逐层安装，采用基点生根法配合水准仪和经纬仪逐一安装经管并调整垂直度，然后利用十字定位法精准定位椭圆球体的长轴和短轴，以点焊的方法焊接固定经管对接节点。

3）在经管之间穿插安装纬管，利用连接卡环将纬管临时固定在经管上，利用水准仪和经纬仪调整纬管的位置及标高，确保纬管安装点位正确。安装纬管同样要遵循逐层安装的顺序，由顶部向底部逐层安装和固定。

3）现场焊接椭圆球体结构支撑体系中的构件。由于考虑到体系中构件的焊缝众多，并且焊接易导致构件变形，因此在焊接构件时应该采取防变形措施。例如，在现场焊接时应采用对称焊接法，即在椭圆球体对称的分区如东西分区或南北分区同时进行焊接工作，能够抵消焊接产生的应力，从而有效控制支撑体系的变形。

4 椭圆球体结构支撑体系的主要施工技术

4.1 测量工程

椭圆球体结构支撑体系施工中涉及许多曲线墙体和多曲面弧形墙体，结构复杂，拼装和焊接要求高，定位难度大，对施工现场的放样测量精度提出了更高要求。

4.1.1 平面控制

平面控制是指在施工现场根据工程性质、场地大小和地形环境等，建立科学合理的平面控制网，目的是为施工放样和平面测量提供依据。椭圆球体结构支撑体系施工的平面控制需要根据建筑设计方案的形状和平面图布设十字主控线，在十字主控线的基础上加密，构建纵横交错的平面控制方格网。利用平面控制网和设计图纸进行护坡桩与地下连续墙的现场定位和放样，并构建施工现场的自定义坐标体系。

4.1.2 高程控制

高程控制是施工现场土方开挖和内部柱基础施工等工程的重要施工技术。在施工前，需要根据施工现场的首级高程控制网向实际施工作业面导引标高，精准测量施工作业面的高程。在施工时，由结构作业面向各曲线墙体和多曲面弧形墙体作业面导引和传递标高，并通过控制网检核各作业面的标高[4]。

4.2 基坑工程

基坑工程是椭圆球体结构支撑体系施工的基础工程。相较于其他结构支撑体系，该体系跨度大、空间结构复杂且基坑深度较小，基坑要挖成锅底形状，同时做好轴线标高复核工作。

4.3 模板工程

4.3.1 曲线构件的主龙骨和次龙骨

椭圆球体结构支撑体系中包含曲线墙体和曲线楼板等曲线构件，不同的曲线构件需要采用不同的主龙骨和次龙骨。曲线墙体的主龙骨采用槽钢弯曲成型，以钢面板作为模板，为达到墙体的弧度要求，在相应位置加设不同厚度的楔形木垫块。曲线墙体的施工必需充分考虑墙体的曲率和曲率半径等参数，可以选用曲线半径可调的钢模板体系，以提高曲率半径的可调节性[5]。

4.3.2 搭设安装模板支撑体系

椭圆球体结构支撑体系的支撑架受力复杂，且顶板支撑设计难度较大，因此可以选用满堂架作为椭圆球体屋面的支撑体系。搭设支撑体系的步骤为现场龙骨安装、模板拼装、钢筋绑扎以及混凝土浇筑。

在安装龙骨时，要先固定斜撑及纬度方向的主龙骨，再固定经度方向的龙骨，最后调整龙骨的结构顺序。龙骨安装完成后，需要在龙骨结构内外拼装模板。模板拼装应分片进行，安装前要在满堂架上固定好模板圆心，以免在安装过程中出现偏移。

此外，外模板支设时需要设置浇筑口和振捣口，便于浇筑填充混凝土，进而加固模板。架体搭设时，施工人员需要同步进行钢筋绑扎和焊接作业，从底部自下而上浇筑自密实混凝土，完成模板支撑体系的搭设安装[6]。

4.4 钢管混凝土柱施工

钢管混凝土柱是椭圆球体结构支撑体系的重要支柱，其施工过程存在诸多难点，例如钢管桩无法统一放样、吊装精度要求高以及梁部分纵筋贯穿钢管等。

在施工过程中需要分层安装钢管柱，根据施工图纸组装钢管柱体以及连接管，并焊接内衬接口处。焊接完成后，在钢管柱外围包裹特定材质的保温材料，一方面可以保护钢管柱不受损坏，另一方面还可以提高混凝土的保温性能。

此外，为了提高钢管柱的安装质量，可以采用方木柱箍固定钢管柱，并用调节托局部调节钢管柱的垂直度。针对钢管柱吊装的精度要求，在施工过程中可以利用全站仪、水准仪和实时动态全球定位（Global Positioning System-Real Time Kinematic，GPSRTK）技术等，包括精准定位和测定钢管柱的三维坐标，从而为调整钢管柱的垂直度和水平位置提供精准的定位数据[7]。

4.5 混凝土劲性柱施工

混凝土劲性柱是由型钢外面包裹混凝土组成的结构，其质量和截面较大，会增加施工难度。同时，混凝土劲性柱内分布有密集的型钢，箍筋工艺比较复杂，并且与其他结构构件存在大量交叠，增加了柱内型钢处理的复杂程度。

在施工过程中，可以根据混凝土劲性柱的节数采用不同的施工技术。例如，对于第1 节混凝土劲性柱，可采用钢板支垫在型钢下部安装和固定柱内型钢，并利用螺栓局部微调型钢的垂直度；对于第2 节及以上的混凝土劲性柱，可以采用大磁力线坠控制型钢的垂直度，用螺栓固定型钢并在十字形四角方位进行焊接。

针对混凝土劲性柱与其他结构构件相交的问题，可以采用焊接工艺降低钢筋处理的复杂度。例如，当混凝土劲性柱的型钢与梁的纵向钢筋相交时，要保留梁的纵向钢筋并将其焊接在柱内型钢表面；当混凝土劲性柱的型钢与梁的纵向钢筋垂直时，可以在型钢上开孔并严格控制孔径的大小，确保纵向钢筋能够穿过型钢，钢筋穿过孔洞后要焊接封闭开孔处，从而避免混凝土劲性柱和梁纵向钢筋的结构性能下降。

4.6 钢拱梁和钢环梁施工

4.6.1 钢拱梁施工

钢拱梁施工分可为地面拼装和高空吊装2 个步骤：

1）在地面拼装时，首先利用全站仪和水准仪等标定钢拱梁拼装时的地面点位。

然后，在钢拱梁运输至施工现场后，利用胎架和前期标定的拼装点位，以侧卧的方式拼装钢拱梁。

其次，在正式焊接前利用水准仪对钢拱梁进行找平，确保不同节的钢拱梁位于同一水平面上。

最后，焊接钢拱梁。采用立焊、平焊和仰焊的顺序，能够有效避免焊接时钢拱梁的变形问题。

2）高空吊装时，采用履带式起重机将钢拱梁提升至特定位置和高度，利用水准仪调控钢拱梁的水平位置和垂直度，调整钢拱梁的角度并与中心环焊接固定。

4.6.2 钢环梁施工

钢环梁为月牙弯型圆环管，在施工过程中存在定位难和安装角度调控难等问题，因此在钢环梁施工前，可以利用计算机软件精准定位钢环梁在钢拱梁腹板上的具体位置，通过全站仪和水准仪在施工现场的钢拱梁腹板上定位放样。然后根据现场定位安装钢环梁，并利用手拉葫芦等设施动态调节钢环梁的安装角度，根据施工方案调整钢环梁与水平面的夹角，并在校核定位以及角度之后方可进行焊接固定。

5 结语

4.7 卸载中心环、钢拱梁和球铰支座

在所有焊缝测试完毕且合格后进行卸载，千斤顶的顶升高度只需让钢梁脱离垫铁即可，具体步骤为：首先，卸载前要在米字形钢拱梁接近中心环的位置和钢拱梁中间位置贴上反光片，便于测量卸载前后的钢结构架体，精准把握卸载后的变化。其次，在卸载中心环之前，要先拆除球铰支座底部的限位固定板，并用全站仪观测支座坐标的变化[8]。最后，拆除第2 d 开始卸载钢拱梁的支撑架体并测量数据，应该先拆除支撑架体的对角位置再卸载中心环，在中心环下部的米字梁上放置千斤顶，在千斤顶顶部做好测量标高的标识点，抽取垫铁卸载中心环，卸载后状态如图1 所示。

图1 卸载后状态（来源：网络）

椭圆球体结构支撑体系是大型公共建筑中常见的结构支撑体系，其外形独特，为椭圆球体，内部空间较大而且空旷，在施工方面存在跨度大、空间定位难度大、平面与高程控制难度大、结构平面复杂以及拼装困难等一系列问题，这些问题都会影响施工质量。

在施工前应根据工程性质、场地大小和地形环境等，建立合理的平面控制网和首级高程控制网，为施工放样和平面及高程测量提供依据。在施工期间，应该高度重视曲线模板的调节、钢管混凝土柱的分层安装及垂直度调节、混凝土劲性柱的内型钢相交处理等，以便满足施工技术标准，切实提高施工质量，保证结构支撑体系的稳定性和安全性。