某连续异形曲面屋盖施工关键技术

潘 俊

（浙江东南网架股份有限公司，浙江 杭州 311209）

0 引言

目前国内各类大型场馆、综合体、高铁站房、航站楼等大量采用了大跨度空间结构。其具有结构体系复杂、造型优美的特点，大跨度空间结构的复杂性对施工技术提出了很高的要求。梁凯等[1]认为大跨度空间结构施工条件的制约性、施工方法的多样性和复杂性，造成了施工阶段结构内力分布的复杂性和最终成型状态结构受力的可变性。其详细介绍大跨度空间结构的施工仿真验算技术。周观根等[2]提出了大跨度钢屋盖在深化设计、加工制作、现场安装及数字化信息管理等各阶段关键施工技术，解决了钢屋盖施工技术难题。王策等[3]结合具体施工项目，综合建筑结构设计、安全质量控制、新技术应用等方面内容，提出异形屋盖钢结构施工的优化方案。

本文以实际案例为基础，详细介绍了大跨度空间结构的施工制约条件，提出了网壳过程穿插拼装，液压累积提升，结合局部原位安装相结合的综合施工方案，对不同条件区域结构采用与其施工条件及结构相适应的施工方法。解决了现场各类不利条件，为项目的顺利推进奠定了坚实的基础。

1 工程概况

海口国际免税城（如图1 所示）位于海口西海岸，是世界最大单体免税店，免税商业中心总建筑面积28.9 万m2，地下2层钢筋混凝土结构，建筑面积约14 万m2，地上4 层钢框架支撑结构，建筑面积约15 万m2，5 层屋面为大跨度单双层网壳钢结构造型屋面。

图1 海口国际免税城项目

5 层造型屋面为大跨度钢结构轻型屋面，由5 块穹顶网壳、2 个冷却塔、绿植墙、一圈连续大跨度单双层网壳屋面组成。屋面支承于下部结构钢管混凝土柱顶。其中主入口处为双层网壳，热带雨林中庭为单层网壳，其余部分为单双层结构网壳。如图2、图3 所示。

图2 典型节点示意图

图3 主入口大门双层网壳剖面图

单双层网壳根据设计要求，均采用鼓节点，鼓节点均垂直于大地，导致鼓节点上下端口需根据屋盖结构造型切割为斜切口。

项目施工条件复杂，现场采用了分块吊装、分区提升、局部满堂架相结合的综合施工方案。本文仅对主入口处双层网壳的施工方案选择及关键施工技术做详细介绍。

2 施工重难点分析

2.1 现场施工条件复杂

造型屋面需在下部结构施工完成后才能介入施工，导致现场主入口处场地条件异常复杂，地下室顶板外轮廓边缘大，顶板边缘至主入口网壳边缘距离分别为31.7、74.5m，且正对面还存在未施工的地下连通道、下沉庭院，左右两侧均布置有汽车坡道，如图4 所示，对大型机械行走及选择影响大，现场的场地条件直接影响现场施工方案的选择。

图4 海口国际免税城项目

2.2 构件量大、相似度高、节点复杂，深化设计及加工难度大

本项目双层网壳均采用鼓节点，根据设计要求，鼓节点角度为垂直于大地，导致鼓节点需根据结构造型设置斜切口，节点尺寸大，构造复杂，导致加工及拼装难度进一步提升；同时网壳上下封边梁采用变截面箱型弯扭构件深化设计和加工制作难度大。

2.3 大跨度连续多曲面造型屋面位形控制难

海口国际免税城主入口屋面造型呈多曲面状，对项目的钢结构整体外形尺寸及杆件的安装精度要求高。同时，由于曲面网壳结构在拼装、焊接、施工、卸载阶段结构变形大，屋盖位形控制难，位形控制要求高。特别是屋面杆件直接作为屋面铝板结构型材连接构件，无檩条过渡作为调节，型材可调节空间仅20mm，部分构件外露可视，对屋面结构的感官及安装精度要求非常高。

3 屋盖施工关键技术研究

3.1 施工方案的选择确定

考虑现场的场地条件，对地下连通道进行临时封堵并回填，连通道待主入口屋面网壳安装完成后施工。因基坑边缘与屋面结构距离较大，采用大型吊机安装经济性较低，采用常规施工方法措施投入极大，无法保证各专业穿插及施工工期。

综合考虑屋面结构造型及受力特点、周边场地条件及屋面下部楼层情况，经过反复讨论研究，确定“网壳过程穿插拼装，液压累积提升，结合局部原位安装”的综合应用来完成造型屋面的安装。其中，拼装一区在±0 标高处拼装，拼装二、三区在二层楼面拼装（标高6.6m），如图5 所示，利用液压同步提升系统将拼装一区整体提升约6.7m，暂停提升，与在标高6.60m的拼装二、三区单元对接，安装连系杆件，连成整体后，继续将整体提升到设计位置；原位拼装区采用搭设脚手架在机房层屋面（标高27.65m）直接拼装安装就位。最后嵌补提升区与原位拼装区的杆件，对结构进行整体卸载后，完成此区域的安装[4]。

图5 主入口屋面施工分区图

3.2 网壳拼装控制关键技术

根据设计要求，鼓节点角度为垂直于大地，导致鼓节点需根据结构造型设置斜切口，即每个鼓节点呈不同空间位置及不同角度，为保证整个屋面造型的准确性，同时保证与铝板幕墙和玻璃幕墙施工精度相匹配，每个鼓节点及每根杆件的安装精度至关重要。下面以下层网壳拼装为例说明。

3.2.1 放样及胎架设计

分块组装时控制点应取在鼓节点处，以每个鼓型节点的下端面为节点控制面。在每个节点下端面上取四点并投影至地面，其交点即为该鼓节点端面的中心点的投影。然后根据该中心投影点进行胎架的放置，如图6 所示，胎架的支撑面应根据每个节点下端面倾斜角度统一放置。

图6 胎架设计

3.2.2 杆件拼装

在每个鼓节点处划出杆件定位线，现场根据定位线进行杆件的拼装，使组装间隙偏差控制在±1.0mm 之间。合格后进行定位焊。

3.2.3 网壳焊接变形控制

现场每个节点均为全熔透一级焊缝，总体焊接量大，同时焊接平面尺寸，焊接变形控制直接影响网壳的整体安装精度。所有杆件组装完成并复查合格后，先焊环向杆件，再焊腹杆，焊接采用对称施焊，如图7 所示。

图7 网壳焊接顺序示意图

针对每根杆件，先焊杆件两端上的腹板焊缝，再焊下翼缘焊缝，最后进行上翼缘焊缝的焊接。

对称施焊：一个节点上有左右两根杆件时，或一根杆件上有两个节点时，采用对称于节点轴线同时对称施焊，如图8所示。

图8 杆件对称焊接

3.3 提升点布置及设计关键技术

（1）提升支架及吊点设计

为最大限度地使提升结构受力状态接近于使用状态，尽量利用原结构钢柱作为提升点，即在主入口4 根钢柱顶设置提升支架，但此时提升区块网壳无法形成稳定受力体系，故在网壳悬挑处设置2 个临时提升点，以满足结构整体提升的要求，如图9 所示。

图9 提升吊点设置

采用SAP2000 软件建立提升区块三维模型，对整个提升过程网壳、提升支架和上下吊点进行计算分析，确保整个施工过程中结构均处于设计及规范允许范围内，根据计算值最终设计确定提升支架及吊点的设置及做法。

采用液压同步提升设备吊装大跨度钢结构，需要设置合理的提升上下吊点。在提升上吊点即提升平台上设置液压提升器。液压提升器通过专用钢绞线与提升钢结构上的对应下吊点相连接。本项目共设2 种类型提升架。

临时塔架设计：临时塔架采用门型格构架，提升支架高度为44m，临时塔架平面尺寸为1.8m×1.8m，主肢截面为P299mm×16mm， 腹杆截面均为P114mm×4mm，腹杆间隔1.8m。临时塔架顶部的分配梁截面规格为400mm×400mm×20mm，平面尺寸为2.2m×2.2m。提升大梁截面规格为650mm×350mm×20mm。顶部分配梁和提升大梁接触面设置30mm 厚的钢垫板。材质均为Q355B。构件之间均采用熔透焊缝，焊缝等级二级，加劲板采用角焊缝焊接，焊缝尺寸hf=0.7t。临时塔架如图10 所示。

图10 临时提升点上吊点设计

柱顶提升架设计：提升平台利用屋盖钢结构支撑柱柱顶设置，采用四肢格构柱形式，底部焊接于网壳支撑钢柱临时牛腿处，支架高度约3m，主肢规格P351mm×20mm，腹杆规格P159mm×6mm，分配梁截面规格为□650mm×400mm×16mm。提升大梁截面规格为650mm×300mm×16mm，加固斜杆P219mm×8mm。构件之间均采用熔透焊缝，焊缝等级二级。柱顶提升架如图11 所示。

图11 临时提升支架设计

提升吊点设计：根据结构布置及提升工艺的要求，下吊点采用临时吊具的形式。专用钢绞线连接在液压提升器和提升底锚之间，两端分别锚固，用于直接传递垂直提升反力。底部钢梁采用□400mm×200mm×16mm，通过短柱及外置加劲板与网壳连接。

提升支架计算分析：上述提升支架的设计均通过计算分析确定，结合提升反力及临时措施自身应力及变形，确定了构件规格及措施结构形式。提升架最大应力为0.704，满足相关规范要求，如图12、13 所示。

图12 提升反力计算

图13 提升支架应力分析

（2）提升加固设计

因提升塔架落地位置位于地下室顶板处，在格构柱落点处设置转换钢梁平台，将提升塔架受力传递至混凝土柱或主梁处，如图14 所示。转换梁采用H400mm×300mm×10mm×16mm，局部加强设置加劲板。

图14 转换平台

本工程屋面网壳各杆件的内力，在施工过程中会发生变化，会导致杆件出现拉压杆的转化，导致杆件失稳或者超应力。经过计算分析，在提升点位置采用加固杆件的方式对杆件进行加固。加固杆件截面规格为H200mm×200mm×8mm×12mm，如图15 所示。

图15 临时提升吊点加固及分析计算（虚线为加固杆件）

因主入口处钢柱为独立柱，高度达32m，提升过程中稳定性欠缺，且4 根钢柱处的提升反力及附加水平力较大，经过整体施工过程分析计算，为确保施工过程安全可靠，对钢柱进行水平拉结加固，为充分利用现场材料，采用了临时钢梁和临时桁架相组合的形式，如图16 所示。待网壳提升到一定高度时，加固措施需进行拆装施工。

图16 钢柱临时加固措施

3.4 施工测量控制

本项目造型屋面为大跨度、大悬挑变厚度异形多曲面网壳结构，为全焊接连接形式，测量控制技术主要应用在网壳楼面拼装、提升区域的整体提升监测，网壳杆件高空散装定位测量等。本项目为空间网壳体系，测量技术是控制施工质量的关键点。

整个造型屋面所有杆件及鼓节点均具有唯一性，每根杆件均需测量定位。根据深化设计模型，提取每个单元的三维模型，将三维坐标值转化为楼面拼装形态的坐标控制值，采用全站仪对拼装胎架、提升过程进行全程跟踪测量，所有构件待校正后再进行固定。项目在网壳的拼装、安装、提升过程标高控制、卸载，均应用了精确的测量控制技术。

4 结论

本项目通过对结构自身特点及现场场地条件的详尽分析，在确保项目工期及多专业穿插施工的条件下，确定了“网壳过程穿插拼装，液压累积提升，结合局部原位拼装”的综合施工方案，特别针对项目提升施工的要求，提出了以下关键技术：

（1）网壳拼装胎架设计技术；

（2）网壳拼装焊接变形控制技术；

（3）提升吊点及塔架设计技术；

（4）施工仿真验算等。

通过理论与实践相结合，解决了海口国际免税城主入口网壳的施工技术难题，结果表明施工安全可靠，质量满足规范和设计要求也为后续类似结构施工提供了借鉴和参考。