王宝和项目铝合金单层网壳系统实践

马建平　舒志田

（上海富艺幕墙工程有限公司，上海　201617）



王宝和项目铝合金单层网壳系统实践

马建平舒志田

（上海富艺幕墙工程有限公司，上海201617）

摘要：以王宝和大酒店项目为例，建立了铝合金单层网壳结构模型，阐述了铝合金网壳构件加工及数据处理过程，并介绍了铝合金网壳的现场安装方法，有利于铝合金单层网壳结构在工程中的推广应用。

关键词：铝合金网壳，模型，网壳结构，网壳节点

1　工程概况

本项目位于上海九江路浙江路口，为王宝和大酒店二期空中宴会厅曲面外装饰工程（见图1）。该项目为三轴椭球体的球壳结构及面板。该椭球体的外观造型近似三轴椭球体：水平长轴40 m、短轴26. 4 m，高度12. 2 m，顶标高为22. 500 m，表面采用三角形网格划分，典型边长为1. 0 m。中间主体段采用联方格式、两端采用凯威特式分格，以实现变化表面网格自然流畅地拼接。外饰材料为米乳色贝壳板，板块总数量为4 956，约1 650 m2。

图1　效果图

表面体系采用铝合金单层网壳结构，节点部位以铰接支座支撑于主体钢结构环形钢梁。节点总数为2 549个（包括收边节点），杆件为7 505根。建模、设计、安装均以控制中心点为基准进行定位控制，采用空间散装法进行施工安装。

2　结构建模

2.1理论模型

理论模型外表为左右对称三轴椭球体，由于建筑效果的需要，建筑模型对标准模型进行一定幅度的变形处理，球体下部非均匀拉伸从而底部变得更平坦，处理后球体外形曲面为左右对称的类三轴椭球体的自由曲面。

初始模型为椭球体19 550 mm×13 200 mm×6 500 mm和15 450 mm×13 200 mm×6 500 mm拼合成的复合表面，两个椭球体以椭圆13 200 mm×6 500 mm为公共接触面进行对接，实现了表面的连续光滑过渡（见图2）。整体外观呈现近似芒果形状，造型别具一格。

根据建筑设计概念，为充分抬高球体底部咖啡厅空间，须将球体底部向上提升，经过对比分析确定提升高度为765 mm。变形处理过程中需保证最低点的水平坐标不能偏移，同时需确保曲面斜率的单调性，最终实现曲面的光滑过渡，变形后的模型平面图依然为轴对称。变形处理采用AutoCAD，Rhino及3DMax等多种软件的综合处理及对比分析，从而选出外观及几何参数最优的模型。

2.2网格划分

图2　表面控制曲线透视图

本工程位于室内，要求分格细腻、线条流畅，主分格处装饰大灯槽勾勒的线条来突出整体造型，主分格内部对网格进行细分，以充分表现曲面的平缓过渡和分格线条的流畅，因此分格尺寸不宜过大；从曲率分布来看，该曲面的曲率分布虽呈现层次规律性，但最大与最小曲率相差极大，侧面最小曲率半径仅为2. 1 m，需要采用较小的分格，否则将会产生明显的折线，使得分格线条不柔顺、灯槽走向生硬，无法完美表达原设计构想。考虑到网格模数，经过对比分析，64 m大圆周长分为8×9，共72格，边长约0.9 m。

根据建筑设计要求，垂直于长轴方向为直线分格，其他方向为斜向分格。中部采用联方格分布形式，直至分格转化控制线，球体端头部位分为8个扇形区域，每个扇形区域分为9层，底层为72/8 =9个分格，如此刚好可以完美实现凯威特扇形网格划分，端部划分完成后的三角形变长约1. 0 m，见图3。

图3　分格原则

2.3主体钢结构测量

主体钢结构梁为圆弧重型钢构，多根构件以空间角度进行汇交，故施工过程中偏差较大，出现明显外凸犄角。为实现铝合金结构完全包裹钢结构，需要对主体钢结构外凸犄角进行精确测量。以评估主体钢结构外围尺寸与表皮模型的关系。

施工放样前采用全站仪对主体钢结构外表面进行多点测量，并将测量数据输入电脑构建主体结构外凸点离散模型。

以控制中心点为基准对比完成表面的理论模型与钢结构外围轮廓的实测数据，保证理论表面模型内表面与钢结构外表面有充分的操作空间，最小空间距离为80 mm。在计算机中逐点对测量点与理论表面距离进行测量，确认理论模型能够满足全包裹钢结构外表面，并有充分的操作空间，故表面模型尺寸不需要调整，可以进行下一步工作。

3　铝合金网壳系统介绍

本工程支撑结构采用铝合金材质，主要是基于加工精度高，铝合金挤压型材表面平整度是钢材无法比拟的，同时结合机加工处理，能使得铝合金体系可以实现高精度的工厂化预制。另外自重轻、耐腐蚀性能好、全装配式施工工艺简单快速等优势也是选用铝合金结构重要因素［1，2］。单层网壳结构占用空间少，保证建筑外观的前提下，能够适应较大曲率的表面形状，且安装误差小。

铝合金节点系统采用上下两层环形铝合金实体，周边以设计的方位、角度和深度进行铣槽，并在槽底开孔。杆件两端以铝型材连接件进行封头，便于杆件两端与节点以槽口为接触面紧密配合，故槽口的方位唯一确定了杆件的空间位置和角度。所有连接部位采用螺丝或螺栓连接，操作方便快捷；全过程为冷加工，避免了类似钢结构焊接引起的变形及残余应力等不利影响，这样能充分保证加工精度、简化加工流程，提高了生产效率，从而可以实现构件的高质量的批量化生产。

从曲面形式及分格可知，选择节点系统尺寸不能过大，且需要有很好的空间角度适应性。本节点系统采用的两层环形铝合金，最大外径为110 mm，相对密集的节点依然协调，能够完全满足板块的安装和分格线条的平缓过渡。同时采用的杆件宽度小，仅30 mm，杆件在节点盘上分布范围广，可以实现较小的杆件分度角而不会扩大节点区域的重叠范围（见图4）。

图4　网壳结构节点系统

4　数据处理

对于空间自由曲面，网格划分单线模型已经确定了节点和杆件中心线的位置，但未确定节点和杆件的局部坐标即构件的空间放置方位。由此，需要对构件的方位控制原则进行确认。网格模型为连续非光滑的离散结构，但每个分格相对于整体结构外形尺寸很小，故可借用光滑曲面的切面或法线的概念来确定节点的空间方位：节点法向为与之相连接三角形外法线（单位向量）矢量算术平均值；杆件法向为与之相连接两个三角形外法线（单位向量）矢量算术平均值，从而构建节点局部坐标系。本方法未考虑各三角形顶角α在求矢量平均值过程中对面法线权值的影响，经过对比考虑α权值和不考虑结果，误差在1%之内，本工程在具体计算过程中未考虑α权值的影响。从工程实践来看，离散曲面简化法线确认法足以满足建筑外观要求。

模型确立后，加工图的数据化是实现CAM关键一步。针对本节点系统主要是参数化表示各个槽口空间位置。在此可采用球面坐标参数表达方式来唯一确定槽口底平面，但考虑到杆件绕轴线转动自由度，需要在球面坐标参数基础上增加杆件轴向扭转参数，故最终以四维向量形式表述单个槽口的分度角、俯仰角、铣槽深度和扭转角。

以上为单个槽口数据计算过程，对于同一节点其他槽口和其他节点亦采用同样方法，所以对于全部加工图的实现是一个重复和繁琐的计算过程，这一点刚好可采用程序进行循环运算来完成。由此，深化设计全过程转化为程序设计过程。

采用独立开发的专用程序完成，出图速度快、精度高、管理方便，更为重要的是能够与CAM加工中心进行数据无缝对接，为CAM加工中体提供标准格式的输入数据，实现无纸化的设计、加工流程，极大地提高了工作效率。

5　构件加工

由于各节点加工数据均不相同，即没有相同的节点，但外观极为相似，故视觉难以辨认单个节点的独立特征，以至于无法加工和安装。由此需要确立完备的编号原则，考虑到节点数量多，为方便产品管理和安装，需根据分格的特点将编号原则进行简化，提高操作工的操作效率。同时，为保证现场安装的准确性，需要进行构件预拼装。

为保证产品质量，需要对整体节点及杆件进行成品检测。由于全过程采用数据对接和数控加工，要求长度精度为0. 2 mm，角度精度为0. 1°，以加工的精度保证安装精度。

6　现场安装

1）面板节点构造。本项目铝网壳结构和面板的详细组合情况见图5。

图5　典型节点构造

2）铝网壳及面板的安装（略）。分阶段完成龙骨及面板安装后，现场实景如图6，图7所示，安装精度及外观满足设计要求。由于构件与节点盘之间为螺栓抗拉抗剪组合连接，具有一定的调节功能，故合龙杆件配合良好，无明显次要应力。

图6　铝网壳曲面结构

图7　完工的铝网壳曲面

7　结语

本项目采用独立开发铝网壳体系来构建贝壳板龙骨系统。运用室外单层网壳技术，对构件的精确设计、精密加工和现场高精度的安装控制，实现了精确、流畅的线条和完美的装饰效果。与传统的室内装饰相比，体现了相当高的技术难度。

由于内部有主体钢结构的支撑，铝合金构件的计算跨度小，且该工程位于室内除自重外其他合作不大，故本工程所采用的铝合金构件截面尺寸偏小。如需将本铝合金系统运用于室外大跨度网壳结构，还需要对构造、结构进行充分的研究，以满足室外结构大跨度、大分格及复杂荷载组合的要求。

参考文献：

［1］欧阳元文，尹建，宋克余.铝合金单层网壳结构在大跨度建筑中的应用［A］.第十四届空间结构学术会议论文集［C］.2012.

［2］房庆强，赵金城，李亚明.上海科技城单层铝合金椭球体网壳设计［J］.建筑结构，2001，31（6）：34-36.

［3］吴小平，沈林敏.大型网壳结构安装施工技术［J］.建筑技术，2002，33（8）：601-602.

［4］JGJ 61—2003，网壳结构技术规程［S］.

Practice of aluminum single-layer lattice shell system of Wangbaohe project

Ma Jianping Shu Zhitian
（Shanghai Fuyi Curtain Wall Engineering Co.，Ltd，Shanghai 201617，China）

Abstract：Taking Wangbaohe hotel project as an example，the paper establishes aluminum alloy single-layer lattice shell structure model，describes aluminum alloy lattice shell component processing and data processing，and finally illustrates the in-situ installation methods of aluminum alloy lattice shell，which will be good for promoting aluminum alloy single-layer lattice shell structure in engineering.

Key words：aluminum alloy lattice shell，model，lattice structure，lattice joint

中图分类号：TU332

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）09-0043-03

收稿日期：2016-01-20

作者简介：马建平（1965-），男，硕士，高级工程师