网壳结构采光顶分块安装施工技术研究

彭 琦

(中铁二十局集团市政工程有限公司 甘肃兰州 730046)

1 引言

网壳结构采光顶作为一种沿曲面建立的空间结构，能很好地实现各种复杂的建筑造型。近年来，由于其理念新奇、结构简洁、造型美观、内外通透、受力合理的优点，受到建筑师和结构师们的青睐，被广泛应用于大型商业广场、会展中心、科技馆、博物馆和一些标志性建筑[1]。但在施工过程中，由于结构受力复杂、安装精度要求高、质量控制难度大等一系列问题，严重影响了该类结构的向前发展。

本文以兰州新区瑞玲国际商业广场壳体结构采光顶为例，结合现场实践经验，提出一种分块安装施工技术，为类似工程施工提供参考。

2 工程概况及施工难点分析

2.1 工程概况

瑞玲国际商业广场地处兰州新区行政文化中心组团核心地段，建筑面积约13.90万m2，包括3栋14层的酒店、写字楼、办公楼，4层商业裙房和地下1层车库及公共服务设施。商业裙房步行街走廊屋顶局部开洞，通过环形长廊连接4个壳体结构玻璃采光顶进行采光和通风。建筑造型新颖美观，风格简洁明快，显著提升和美化了整个项目的内外部商业环境，见图1。

商业裙房所包含的壳体结构采光顶投影面积约2 979.00 m2，为圆形或椭圆形，跨度在20.20～25.20 m之间。采用轻钢结构构件与透明玻璃材质，所有构件均采用矩形截面钢管，构件间采用对接焊接的方式连接。采光顶结构高度26.50 m，底部为贯通裙房1～4层的空洞。

图1 兰州新区瑞玲国际商业广场效果图

2.2 现场条件

(1)本工程4层裙房为框架结构，屋顶在设计时未考虑采光顶施工时的机械荷载，故无法使用大型吊车在裙房顶部进行钢结构吊装作业。

(2)因前期塔楼与裙楼的土建工程施工需要，现场已设置有3台ST70/30塔吊，臂长70.00 m，可供此次吊装使用。经测算，现有塔吊距拟施工的采光顶距离为33.13～67.39 m。现场塔吊布置情况见图2。

图2 施工现场塔吊布置平面(单位：m)

(3)现场场地极为狭窄，无条件布置钢构件加工场和拼装场。

2.3 施工难点

(1)为增加采光顶下部楼层的采光效果，设计部门对采光顶下部的楼板进行了开洞设计，这为采光顶施工时内部搭设支撑体系带来较大难度。

(2)采光顶跨度大、建筑高度高，大型构件吊装时容易出现挠度变形。有效解决吊装过程中的构件变形问题，也是本工程施工的一个难点。

(3)构件数量较多、配件品种多样，安装时容易因位置混淆而导致安装出错，给现场组织和技术管理带来一定的难度[2]。

3 施工方案比选

大跨度空间网壳结构常用的安装方法随拼接方式和安装机具的不同，主要有高空散装法、分块安装法、滑移法、整体吊装法和整体顶升法等[3]。

本工程通过对网壳结构采光顶的建筑结构特性、现场施工条件、起重设备性能、场地综合布置及工期质量要求等情况进行分析，可采用的施工方法有高空散装法和分块安装法。对两种方法从技术性和经济性等方面进行对比(见表1)，分块安装法具有安装误差小、速度快、质量高、费用适中的优势，因此最终安装方案采用分块安装法[4]。

表1 高空散装法与分块安装法方案对比

4 施工关键技术

为更好地阐述网壳结构采光顶的分块安装过程，选择现场吊装条件最不利的4号采光顶为例，进行施工方案及工艺的重点说明。4号采光顶为椭圆形，长轴直径23.20 m、短轴直径16.40 m，矢高6.00 m，其建筑剖面见图3，三维模型见图4。

图3 建筑剖面(高程单位：m；长度单位：mm)

4.1 结构分块

现场3号塔吊型号为ST70/30，臂长70.00 m，距4号采光顶最远起吊半径为67.39 m。根据塔吊性能参数，ST70/30塔吊在起吊半径70.00 m处起重能力为3.00 t。

4号采光顶结构重量17.60 t，根据现场塔吊的布置条件和起吊能力，将采光顶环向断开，沿径向分为8块(见图5)，单块构件平均重量2.20 t，其中最大单块构件重量为2.40 t，最小单块构件重量为2.10 t，均小于3.00 t，满足正常的起吊条件。

图4 三维模型

图5 采光顶结构分块示意

通过对采光顶进行合理分块，使每块结构的面积及重量减少，可以减少吊装过程产生的扭曲变形，大幅降低安装难度，从而提高安装效率[5]。

为保证安装的空间精度，建立4号网壳结构采光顶的BIM模型，取得各节点的空间坐标。根据坐标定位分块起吊各构件，完成采光顶的整体拼装[6]。

4.2 临时支撑体系设计

分块结构吊装时，一端承重支点在采光顶四周的反梁结构上，另一端承重支点在中间设置的临时支撑体系上。

(1)临时支撑体系组成

临时支撑体系由三部分组成，即基础底座、中心格构柱、顶部操作平台。其中中心格构柱采用塔吊塔身标准节，通过改造塔吊塔身爬升节，利用塔身自行升降的方式进行搭设[7]，周边用缆风绳加固，使其满足采光顶分块吊装需要。临时支撑体系设计见图6。

(2)基础底座处理

根据支撑体系的承重荷载及自身荷载，结合下部结构实际情况，临时支撑体系基础底座采用630型工字钢交叉布置，其顶端通过预埋件与下部结构主梁或柱连接，将力充分传递到下层结构的柱头上。

临时支撑搭设前，需对基础底座及下部结构构件的刚度、承载力及稳定性进行验算，确保能完全承受上部采光顶施工过程中的所有荷载。

图6 临时支撑体系布置

4.3 构件分块吊装

采光顶分块构件采用塔吊安装，安装顺序为间隔对称安装。第一步，先对称安装一组分块构件，进行初步连接。第二步，在垂直方向再对称安装一组分块构件。对安装好的4片分块构件进行整体连接，由此与中间圆环形成一个未闭合的壳体结构，有利于协同受力(见图7)。第三步，将剩余4片分块构件依次进行间隔对称安装，全部安装焊接完成后，即可拆除临时支撑体系。

图7 采光顶分块吊装示意

在吊装过程中，为解决大型构件在安装过程中产生的变形问题，利用Midas有限元分析软件对结构吊装过程受力进行计算机仿真分析。分析构件在起吊后的刚度是否满足变形要求，如不满足，则需对吊装受力点进行加固处理[8]，确保施工完成后结构变形控制在设计和规范允许范围内。

4.4 施工平台搭建

采光顶在吊装焊接过程以及后续的防腐防火喷涂、玻璃安装等工艺环节均需为工人提供作业平台。为节约施工空间、缩短施工周期、提高施工效率，本工程采光顶的施工作业平台采用索网软平台，仅利用顶层结构进行平台搭设，便于该区域下部空间各专业施工穿插进行[9]。

利用采光顶周边反梁结构的螺栓孔，纵向设置φ12@600 mm钢丝绳，横向设置φ12@1 200 mm钢丝绳，并用手拉葫芦张拉固定，使纵横交错的钢丝绳形成牢固稳定的网格状软平台；在软平台上满铺40 mm厚木板＋15 mm厚木模板，有效固定后，在木模板上设置活动脚手架作为采光顶焊接的施工平台，见图8。

图8 采光顶施工索网软平台

4.5 构件整体焊接

(1)实施焊接前，根据构件接头形式、坡口形状、尺寸及其允许偏差等相关要求，进行焊接工艺评定，并制定焊接工艺文件用于指导现场焊接施工[10]。

(2)焊接作业人员进场后先进行持证查验，并做岗前专业安全技术培训，经考核通过后，再安排上岗进行焊接作业。

(3)本工程采光顶采用轻钢结构构件，材质为Q345B。焊接采用CO2气体保护焊，使用与材质配套的药芯焊丝，以保证焊接质量和减少焊缝清根。

(4)为保证焊接应力能得到有效控制，本工程采光顶焊接顺序由中间向四周进行，使得焊接残余应力能在自由端释放[11-12]。

(5)焊接过程中，从焊接的材质、环境、设备、参数、工艺、顺序、速度等方面严格把控，确保最终的焊缝质量和外观质量。

5 质量及安全控制要点

5.1 质量控制要点

(1)施工技术人员进场后，先进行专业培训并接受技术交底，焊工等特种作业人员必须持证上岗。

(2)所有材料和设备进场后必须进行检验，检验合格后方可在工程中使用。

(3)加工构件运至现场后，要对构件的材质、型号、编号、尺寸、外观及质量证明文件进行重点检查及确认。

(4)严格构件安装过程中的工序管理，做到检查上工序、保证本工序、服务下工序。

(5)加强构件安装过程中的监控测量，尤其对于构件的角度偏差、高程偏差以及平面位置偏差和挠度变形进行重点控制，确保偏差在设计和规范允许范围内。

5.2 安全控制要点

(1)施工前，全面检查现场施工环境、起重设备、支撑体系、操作平台及高空安全防护措施等，在确认满足安全施工需要后，再进行具体施工作业。

(2)吊装作业前，预先在施工现场设置安全警戒标示，并由专人防护，非施工人员严禁入内。

(3)如遇大雨、大雾及六级(含六级)以上大风时，立即停止现场一切吊装作业。

(4)在吊装过程中，由专人进行统一指挥，现场参建人员根据分工职责，做到信号传递迅速、准确，现场井然有序，操作协调高效。

(5)构件吊装固定且确定连接安全可靠后，才可拆除临时固定工具并进行下一步作业。

6 结束语

兰州新区瑞玲国际商业广场壳体结构采光顶纵横跨度大，且下方无主体结构，如何选择合适的施工方法直接决定了项目管理目标能否顺利实现。在方案制定过程中，结合以往类似工程经验，通过反复比选和论证，最终确定采用“地面分块拼装＋高空精确吊装”的分块安装技术，解决了采光顶的施工技术难题，并在施工条件受限的情况下，通过搭设临时支撑体系及空中索网软平台，节约了施工空间，节省了大量临时性措施和人工投入，降低了施工成本，最终圆满完成任务。