405 m超长跨度机库屋盖的钢结构拼装技术

董 巍 迂长伟 黄树青 寇志强 高玉兰

北京建工集团有限责任公司 北京 100055

北京大兴国际机场南航机库屋盖结构不同于国内已建成的类似超大型维修机库[1-2]，如首都机场Ameco四机位机库和A380机库所采用的大门桁架＋双层平板网架的结构体系，其创新性地采用了“W”形斜桁架＋单层平板网架的组合结构体系，单一大门中柱的情况下机库总宽达到了405 m，成为亚洲最大跨机库。

新型结构体系提升了结构效率，有效控制了结构的用钢量，同时也给屋盖结构的拼装施工增加了难度。大门桁架222 m＋183 m的净跨度以及机库内屋盖下方悬挂安装的大量吊车和维修坞也对屋盖钢结构的拼装和安装精度提出了极高要求。

通过模拟数字预拼装，确保箱形构件的加工精度；采用合理的拼装方法，研发并使用一种轻型操作平台，显著提升了拼装的精度和安全施工效率；使用三维激光扫描技术对拼装完成的网架进行校核，确保了拼装质量。这些技术的综合应用，使得总面积为39 438.75 m2的亚洲最大跨机库屋盖的钢结构施工仅用90 d的工期即完成了地面拼装，并顺利地整体提升到位，刷新了超大型维修机库屋盖钢结构的施工速度纪录。

1 工程概况

北京大兴国际机场南航基地第一标段机务维修设施项目1号机库屋盖为由平面桁架及单层斜放四角锥网架构成的组合结构体系。其桁架体系由沿进深方向设置的4道45 斜向桁架、沿大门开口边设置的下沉式大门桁架和沿纵向设置的一字形桁架组成（图1～图3）。桁架之间为单层斜放四角锥网架。这种“W”形桁架体系为机库屋盖首次采用，不仅降低了屋盖结构高度，还比普通的平板网架节约用钢量约1 500 t。

图1 屋盖结构平面示意

机库屋盖结构总面积39 438.75 m2，平面轴线尺寸405 m 100 m 。其405 m的超长跨度为亚洲最大跨机库。屋盖整体结构上顶平齐，标高38.50 m。门头桁架截面总高度11.50 m，下弦中心标高27.00 m；斜桁架及一字形桁架截面高度8.50 m，下弦中心标高30.00 m；桁架间单层斜放四角锥网架厚度4.25 m，基本网格尺寸6.0 m 6.0 m，下弦中心标高34.25 m；下弦最大高差达7.25 m。

图2 屋盖桁架结构体系平面示意

图3 屋面结构剖面示意

除大门边桁架上、下弦杆及斜桁架下弦杆采用焊接箱形截面，腹杆根据内力大小采用圆钢管、焊接H形截面或焊接箱形截面，节点采用栓焊节点外，斜向桁架、一字形桁架及屋盖网架均采用球管结构，节点采用焊接球 节点。

网架杆件最大规格为φ 5 5 0 m m 3 0 m m，最小规格为φ 1 0 2 m m 4 m m，网架球最大规格为φ900 mm 36 mm，最小规格为φ300 mm 12 mm ，网架共计13种圆管、10种焊接球，钢材材质为Q345B。门头桁架箱形构件最大截面为□800 mm 800 mm 100 mm，最小截面为□500 mm 320 mm 16 mm，主要钢材材质为Q420B。项目采用在地面拼装，然后整体提升的施工方法。其中屋盖的拼装质量和进度，对工程有直接的影响。

2 拼装起拱

网架拼装完成后提升到设计高度，在重力和上部屋面荷载的作用下会发生下挠。因此，根据设计计算要求，大门桁架、一字形桁架和斜桁架在拼装时，须进行预起拱，起拱值为跨度的1/700。经过计算，主要构件的跨中最大起拱值如图4所示。

图4 屋盖结构计算起拱值示意

普通的平板网架在拼装时采用弧线起拱即可，而本工程由于斜桁架的存在，导致整个屋盖结构的刚度并不均匀，也就导致了网架每个点的起拱值都不相同。为了保证屋盖下挠在设计范围内，我们通过计算软件对网架结构预加载，得到了每个节点的变形值。在拼装时，以网架下弦球和斜桁架下弦连接节点为控制重点，精确地放出每个下弦球的定位坐标，并使用钢管硬性支撑进行固定，确保位置精准。最终网架卸载后的下挠实测值与计算的理论下挠值基本相符，最大偏差仅为18 mm，确保了机库大门的顺利安装。

3 模拟预拼装

大门桁架和斜桁架下弦均为箱形构件，结合桁架的结构形式，采用平面实况数字模拟拼装进行整体的模拟施工（即将相邻2个构件按照实测数据标示，然后按照统一的基准进行一对一的电脑拼接），对弦杆、腹杆等的自由边间隙、板边差及错边等进行一对一的模拟。

模拟预拼装主要检验以下几部分内容：上、中、下弦杆，腹杆与牛腿接口间的板边差、错边以及间隙；拼装单元的对角线误差。

通过数字模拟预拼装，确保了关键构件的加工精度，为现场拼装提供了保证。

4 拼装方法

考虑拼装质量和施工安全，将整个屋盖分成两部分分别进行拼装：一部分为大门桁架，高度11.5 m，宽度6.0 m；另一部分为除大门桁架之外的一字形桁架、斜桁架和镶嵌在其中的单层网架，将其作为大厅网架，单独进行拼装，大厅网架高度为8.50 m。

4.1 大门桁架拼装方法

大门桁架由2榀钢桁架组成，桁架之间通过圆钢管连接成一体，总长度405 m。钢桁架分为3层，上、下弦杆为箱形截面，腹杆及中弦杆件为工字钢、箱形件或钢管，采用栓焊节点。弦杆分段加工，长度10～12 m，通过在下弦杆接口位置铺设型钢作为拼装胎架（图5）。

图5 大门桁架拼装示意

4.2 大厅网架拼装方法

大厅网架为一字形桁架、斜桁架和单层网架，一字形桁架和斜桁架高度8.50 m，单层网架高度4.25 m。由于上顶平齐，故下弦存在4.25 m的高差。在拼装时，将一字形桁架和斜桁架作为拼装控制的重点。除斜桁架下弦为箱形截面外，一字形桁架、单层网架均为球管结构，结构形式为双层和单层斜放四角锥网架。先拼装一字形桁架和斜桁架，然后再拼装镶嵌在其中的单层网架。

为了提高拼装效率，结合斜放四角锥的结构特点，将中弦球和下弦腹杆拼装成“人”字形单元，将上弦球和中弦腹板拼装成四角锥单元，从而减少杆件的吊次（减少近1/3杆件数量），同时也确保了拼装的精度（图6）。

图6 “人”字形和四角锥拼装单元

5 操作平台设计

门头桁架高度11.50 m，为双层，层间高度5.75 m；一字形桁架高度8.50 m，也为双层，层间高度4.25 m。即使在地面进行拼装，其最高操作高度也将超过10 m，高空操作是面临的最大难题。如何能在确保安全的前提下，优质、高效地进行拼装，是本工程成功的关键。

针对这一难题，设计了一种可移动轻型操作平台，平台采用方钢管组焊而成。平台宽度根据现场实际确定（小于大门桁架间距或网格宽度），长12～15 m，下方采用轻型方管制成桁架式平台，平台上铺彩钢板。在桁架式平台上部制作操作平台，满足人员站立操作的条件（图7）。

图7 可移动轻型操作平台示意

将平台分别放置在桁架或网格的下弦和中弦，分别进行中弦和上弦杆件的安装和焊接。操作平台质量较轻，使用倒链或卷扬机就可实现移动。随着桁架或网架的累积拼装，操作平台可以便捷地移动到所拼装的节间（图8）。

这种可移动轻型操作平台的使用，为施工人员高空操作提供了安全保障，从而提高了拼装的效率。

6 三维激光扫描测量技术的应用

网架分段拼装完成后，由于节点较多，故常规的测量方法无法及时地将每个点的偏差测出来，为此，我们采用了三维激光扫描技术对网架进行扫描校核。将扫描后的网架图像导入电脑中，与CAD模型进行校核，确保拼装的精度（图9）。

图8 可移动轻型操作平台

图9 三维激光扫描测量校核拼装网架

同时，通过三维激光扫描技术，我们得到了每个上弦点的位置偏差，为屋盖提升到位卸载后的屋面系统节点安装提供了依据。

7 结语

北京大兴国际机场南航机库屋盖采用了不同于普通平板网架的“W”形斜桁架＋单层平板网架的组合网架结构体系，给现场拼装带来了难度。为确保拼装精准、高效，采取了一系列的技术措施，收到了良好的效果，并从工程实践中得出如下结论：

1）采用数字模拟预拼装技术，确保了复杂构件的加工精度满足拼装要求，并为大型钢结构工程中的复杂构件或复杂节点加工提供了技术保证。

2）对于网格尺寸大的结构，可以使用文中介绍的轻型可移动操作平台。其在保证施工安全的前提下，有利于工作面展开，提高了施工效率，可以推广应用到类似大空间网格结构拼装施工中。

3）三维激光扫描测量技术可以弥补常规测量的不足，使测量结果更加直观，对空间曲面和异形结构的测量起到了很好的辅助作用，值得推广和应用。