超高层建筑自由曲面单层网壳屋顶安装施工

中亿丰建设集团股份有限公司 苏州 215131

1 工程概况

苏州广播电视台总台现代传媒广场工程位于苏州工业园区南施街以东，苏州大道东以南，中央河以北，总建筑面积约32.8万 m2。工程地下3 层，地上由2 幢塔楼及裙房组成。办公塔楼42 层，高度214.8 m，采用核心筒钢框架结构体系；酒店塔楼38 层，高度164.9 m，采用核心筒-外框架劲性结构。2 幢塔楼屋顶均设计为上方下圆的空间自由曲面单层网壳结构。办公楼及屋顶结构示意见图1。

2 网壳屋架特点及组成[1,2]

2.1 网壳结构特点

两塔楼屋顶网壳结构均为下部椭圆形，上部长方形，且下部结构小于上部结构，呈碗状形态。底部设有一道椭圆形钢圈梁，顶部外边缘与钢梁连接，南北侧顶环梁下部有混凝土柱支撑，东西侧顶环梁下部无支撑，跨度31.5 m，标高范围为150.660～164.850 m，结构形式为空间扭曲网壳体。

2.2 网壳钢构件组成

图1 办公楼及屋顶结构示意

屋顶碗状网壳除顶部环梁为箱型构件+半圆管组合形式外，其余都为空间弯曲钢管，通过钢管的弯扭，形成上方下圆的网壳结构。东西向顶圈梁为□500 mm×250 mm×30 mm+Φ325 mm×12 mm（半圆管），南北向顶圈梁为□500 mm×250 mm×30 mm+Φ219 mm×12 mm（半圆管），次管为Φ102 mm×7 mm，主管为Φ203 mm×10 mm，底部环管为Φ219 mm×12 mm。

3 焊接材料

钢材材质主要为Q345B，手工焊条选用E5015（中国标准），Φ3.2 mm、Φ4.0 mm。二氧化碳焊丝选用药芯焊丝E501T-1，Φ1.2 mm。

4 主要技术应用点[3,4]

4.1 构件加工制作

由于网壳结构杆件众多，且多杆交汇节点对于构件加工制作精度要求较高，在图纸深化设计方面主要采用的是目前国际上最先进的日本MdiSystem软件和相贯面等离子-火焰管材数控切割机，它通过对整个结构的数字化虚拟建模，通过计算机1∶1模拟设计，输出指令，实现无图纸化加工，确保构件加工精度及质量要求。

4.2 钢结构模拟施工技术

根据网壳结构的结构特点、现场安装及运输条件，将网壳结构分解成多个小桁架拼装单元进行模拟工况分析，采用MIDAS 7.80分析软件对构件模拟计算，确定合理的拼装顺序。

4.3 测量技术

（a）满堂脚手架搭设前，按照设计图纸在楼层上确定投影基准点，投影基准点在选择时，应尽量确保垂直传递的视线通视，与楼层主梁相避让。在楼层面的四角设置4 个投影基准点，并要保证每个基准点可通视相邻2 个基准点。根据CAD放出的分块图投影1∶1在楼面放出实线。

（b）拼装过程中每个拼装单元，利用CAD模型图纸，确定各个节点坐标，现场根据CAD放样的三维坐标通过全站仪坐标测量法来控制网壳形状及位置。

4.4 高空分段拼装技术

按东西、南北两个方向对称安装，经工厂预拼装的分块钢架从中间逐块安装形成四面、中间4 片支座，保证网壳结构稳定性，在分块安装时采用两边缆风绳临时稳定措施，在分块间电焊完成后，才能松缆风绳。网壳桁架中间部分与顶环梁连接牢固后，逐渐向两侧扩展安装，可确保安装时的稳定性。

5 施工工艺流程

施工工艺流程：钢结构深化设计→网壳结构分块编号→构件加工、运输→测量放线→安装底部环梁→满堂脚手架搭设→安装顶部环梁→分段桁架工厂拼装、运输→东西两侧主桁架对称安装、杆件补缺→南北两侧主桁架对称安装、杆件补缺→东西两侧桁架向南北两边对称扩展安装→焊接节点补漆→防火涂料施工→工程质量验收→拆除满堂脚手架。

6 主要施工阶段[5-7]

6.1 测量放线

6.1.1 主控轴线

在楼层面的四角设置4 个投影基准点，并要保准每个基准点可通视相邻2 个基准点。如图2所示，投影基准点选择时，应尽量保证垂直传递的视线通视，与楼层主梁相避让。

图2 主控轴线定位

6.1.2 网壳结构实线引测

第1步：放实线方法：取四角点定位，形成一个长方形。以投影分块线逐条放投影实线等基准测量线，将每片网壳桁架的控制点投影到楼板上。

第2步：安装顶部四周钢梁，钢梁位置确定使用全站仪将轴线引至顶部，控制钢梁水平与标高位置。

第3步：四边以中间分块为中心，逐块向上安装至顶部，形成四边中间形成网壳，整个网壳初步形成稳定体。逐块安装测量，安装时用全站仪测量安装网壳桁架主杆的空间位置，并用垂准仪或线锤复核桁架端部是否与楼层上投影点相符。

第4步：由于中间分块到顶已形成稳定体、两边分块从下往上安装有了依靠，安装分块时全站仪引线向上，只控制单边一头上下两点的空间位置，逐块到顶，并用垂准仪或线锤复核桁架端部是否与楼层上投影点相符。最后补缺四角，形成整体。

6.2 网壳分块

根据结构情况、现场安装条件和运输条件，对网壳进行分块，共分为62 个小桁架。

6.3 网壳安装满堂脚手架搭设

（a）网壳安装满堂脚手架形式：网壳安装，有大量的杆件要补缺，分段桁架安装时要有临时搁置点，因此在网壳下方需搭设满堂脚手架，满堂脚手架需按网壳结构曲面形状搭设呈阶梯状，顶部高度需严格控制。

（b）满堂脚手架支撑面节点处理（图3）。

6.4 网壳结构安装流程

（a）安装底环梁，满堂脚手架搭设；

（b）安装顶环梁（东西侧顶环梁脚手架局部加强）；

图3 满堂脚手架支撑面节点处理

（c）对称安装东西两侧主桁架；

（d）安装东西两侧主桁架之间的补缺构件；

（e）对称安装东西两侧扩展桁架及补缺构件；

（f）自下而上对称安装南北两侧主桁架及补缺杆件；

（g）东西两侧桁架向南北两侧扩展安装，与南北两侧主桁架对接，补缺杆件。

6.5 网壳结构高空吊装

（a）进行高空吊装时应合理选择吊点，以减少构件变形。网壳结构拼装过程中是一个不稳定结构体系，吊装安全措施须通过验收，合格后方可施工，特别是塔吊司机与指挥工信号传递一定要明确，方可起落钩。

（b）南北方向的横向桁架，在安装到第二层桁架时，为减少桁架对脚手架的水平作用及控制桁架变形，用50 kN手拉葫芦从停机坪顶部将桁架拉紧，直至桁架与顶环梁完全连接后手拉葫芦才能松掉。

（c）网壳桁架中间部分到顶与顶环梁连接牢固后，逐渐向两侧扩展安装，能确保安装时的稳定。

（d）对于横向网壳桁架，下弦两端至少要有4 根补缺杆件与底下已安装好的桁架连接牢固，上弦稳妥搁置在脚手架上，一端与已安装的同一层的横向桁架的弦杆的对接衬管装配完成，并定位焊固定牢固后才能卸钩。

（e）对于竖向网壳桁架，主杆下端要与已安装的桁架杆对接（衬管套进），并定位焊固定，上端固定在满堂脚手上，并在上端至少有2 根补缺杆件与相邻桁架连接固定后才能卸钩，卸钩后及时安装补缺杆件。

6.6 网壳结构钢管焊接施工

（a）钢管对接焊缝：钢管对接采用全熔透、双面坡口对接焊缝，焊缝质量等级为一级。

（b）钢管相贯线焊缝：主管与支管的连接焊缝为相贯线焊缝，应沿全周连续焊接并平滑过渡，全熔透焊缝的质量等级为二级，角焊缝和部分熔透焊缝的质量等级为三级。

（c）当多根支管同时交于一节点，且支管同时相贯时，支管按直径大和管壁厚优先焊接。

（d）圆钢管相贯时，支管端部的相贯线焊缝位置沿支管周边分为A（趾部）、B（侧面）和C（踵部）3 个区域。相贯线焊缝按以下原则处理：当支管壁厚≤6 mm时，采用全周角焊缝；当支管壁厚＞6 mm时，所夹锐角θ≥75°时，采用全周带坡口的全熔透焊缝；当支管壁厚＞6 mm时，所夹锐角θ＜75°时，A、B区采用带坡口全熔透焊缝，C区采用带坡口部分熔透焊缝（θ＜35°时，可采用角焊缝），各区相接处坡口及焊缝应圆滑过渡；多管相贯时，其轴线相交点与主轴线的允许偏心值应≤d0/4，（d0为主管直径）。

7 结语

苏州广播电视总台现代传媒广场项目主塔楼屋面网壳结构在采用以上分段桁架高空拼装方法后，分段桁架运至现场后可直接吊装，减少现场拼接及材料堆放场地。解决了网壳结构杆件数多、交叉对接精度控制难，现场焊接工作量大等难题。减少现场大量高空吊装、焊接作业，对施工安全具有积极作用。分段桁架采用工厂拼装，较现场拼装、焊接，质量可控制性更强。构件加工采用先进的加工软件和自动加工机械进行放样下料，在确保网壳杆件的加工精度的同时也提高了安装精度。施工速度快，工期短，降低了施工管理成本。酒店楼部位高空网壳结构拼装完成后，达到设计要求的各项指标。