复杂空间不锈钢结构与有机玻璃帷幕体系施工技术*

孙晓阳，颜卫东，张 朋，于健伟，罗仁轶

(中国建筑第八工程局有限公司总承包公司，上海 201204)

1 工程概况

江苏省园博园项目——未来花园位于南京市江宁区汤山，总建筑面积10万m2，主要包括植物园、崖壁商业、崖壁剧院等。植物园采用不锈钢结构作为主体结构，上覆盖透明有机玻璃板，整体为伞壳结构，由42把伞连成一片，长348m，宽73m，高12.85，22.35m。不锈钢结构与有机玻璃帷幕一体化效果如图1所示。

图1 不锈钢结构与有机玻璃帷幕一体化效果

2 技术特点与难点

1)不锈钢及有机玻璃采用整体三维建模，五轴激光切割加工、裁切机床及控温恒温加工控制技术，实现数字化精确制作。

2)不锈钢结构与有机玻璃帷幕一体化系统为首次应用，具有节点构造复杂、受力因素众多、撑杆数量多、空中安装定位难度大等难点。

3)采用1∶1三维仿真建模，将结构体系中的有机玻璃面板、肋板等主要部件进行分解，厂内预制拼装，现场装配化作业，提高安装效率。

4)采用专用温控棚，配备加热设备及循环风机控制温度，实现有机玻璃肋、板拼装及本体聚合，确保黏结质量及强度要求。

5)采用格构柱结合盘扣式满堂支撑架方式，并利用有限元软件分析支撑体系各工况稳定性，确保支撑体系稳定，有效减少支撑胎架数量，提高施工效率。

6)采用三维多点定位控制技术，通过机械定位代替人工测量，减少放样测量的误差，安装快捷且精度高。

7)设计专用工装，采用分区卸载方案，有效减小卸载范围，实现快速卸载，大大缩短工期。

3 关键技术及工艺

3.1 有机玻璃板加工制作

工艺流程：工厂制造→板材复合→裁切→平板→五轴加工拼装→打磨抛光→预拼→包装运输→现场施工包装。对构件进行分解，分为圆盘、三角叶片、天沟、伸缩缝等部件，进行成型加工。

1)有机玻璃肋板加工 将板材放置在设备平台上，进行定位处理，采用精度为±2mm的大锯进行裁切，对裁切面进行精抛处理，并对精抛面进行打磨抛光处理。

2)有机玻璃节点、面板加工 通过温控棚实现板材和设备恒温，将原板进行两面铣面(厚度≥200mm)，节点开好包埋铸件孔后，对板材四周雕刻铣削节点；用专用工装放置预埋件，复核垂直度后，制模浇筑MMA聚合料聚合，聚合后采用阶梯控温退火处理；对节点打磨抛光处理。

3)有机玻璃板预拼装 设计专业工装进行预拼装,拼接工装定位后，使其基准面在同一水平面，组合连接工装，放置节点和加强肋进行预拼装。

3.2 支撑体系安装

采用格构体系+盘扣式满堂架作为结构支撑及操作平台，并根据需求设置堆料平台。格构体系由格构柱、连系梁等组成,走道梁、连系梁与格构柱间焊接连接，相邻连系梁高低错位布置。

不锈钢结构、格构体系焊接及有机玻璃板施工采用盘扣式满堂架，间距1.5m，步距1.5m，两次完成面高度不同，架体需进行两次搭设，以满足要求。

不锈钢构件安装时，架体高度为柱顶面标高向下1～1.5m，根据需要，在焊接区域铺设踏板，根据现场工况调整高度。不锈钢构件安装后，对操作架进行二次搭设增高至有机玻璃板完成面以下1～1.5m，满铺冲压型脚手板，为有机玻璃板提供施工界面。

3.3 不锈钢树柱基础安装

测控树干位置，树干底部设置调整螺栓，顶部设置拉索调整树柱垂直度。吊点分别布置在柱顶和柱底钢板上，柱底吊点为辅助吊点，采用吊车安装，树柱吊装孔布置如图2所示。

图2 树柱吊装孔布置

3.4 不锈钢结构安装

为减少温度影响，将结构分区，整体施工为自中间向两边(见图3)，分区内的树之间固定连接，跨区树之间在施工过程中暂不焊接，各区均施工完成后，通过施工模拟分析计算选择合适的合拢温度，再将跨区两棵树之间的构件焊接固定。

图3 不锈钢结构分区及安装顺序

单把伞安装顺序为主肋ZL→次肋CL→内部斜杆NX →中环交叉杆ZX→外环交叉杆WX→外环杆件WH；单把伞焊接顺序为主肋ZL→次肋CL→外环杆件WH→外环交叉杆WX→中环交叉杆ZX→ 内部斜杆NX，如图4所示。

图4 单把不锈钢伞安装及焊接顺序

采用汽车式起重机或塔式起重机安装主肋，主肋一端由树干顶部弧形构件承托，另一端和中部分别采用主肋工装支撑固定，主肋工装由千斤顶和可调夹具组合而成，利用千斤顶调整主肋高度，可调夹具调整主肋水平位移和角度，并将主肋完全固定。

次肋在主肋安装后，采用汽车式起重机或塔式起重机安装。次肋一端与树干临时固定，另一端和中部分别采用次肋工装支撑固定，次肋工装由千斤顶和可调夹具组合而成，利用千斤顶调整次肋高度，可调夹具调整次肋水平位移和角度，并将次肋完全固定。

在格构柱工作平台上放样环杆水平面投影线，将环杆中心线对准投影线，辅以水平仪控制安装高程。

在杆件末端通过绳索绑定木板搭设在主次肋，粗略定位后，对交叉杆中心进行测量微调，在交叉点处粘贴反光片，通过全站仪进行精确复测与定位，确保交叉杆高度与坐标。

3.5 不锈钢结构合拢

伞状树长度较长，为了避免施工过程中累计温度应力过大对结构不利，设置3道温度释放区，3道温度释放区将伞状树整体分为4个区域(见图5)，施工到温度释放区时，两侧的伞状树之间不做焊接固定，待所有区域施工完成后再进行温度释放区伞状树之间的焊接施工。

图5 不锈钢结构分区施工示意

通过设计状态与分区施工状态合拢温度变化过程仿真模拟(分区施工完成→降温10℃→合拢→卸载→结构整体升温20℃→结构整体降温20℃)，考虑设计状态下结构升温和降温20℃过程应力及变形影响，得出最佳分区合拢温度，在同一合拢温度下，将温度分区处的伞状树相连固定。

3.6 不锈钢构件打磨抛光

工艺流程：表面质量检查→粗磨→精抛→镜面抛光→擦亮→洁亮剂保护。构件在工厂通过机械抛光加工为镜面，在拼焊现场组装完成，仅对焊缝及焊缝周边打磨抛光。整棵树安装后，对整个伞状树进行精抛，确保整体镜面效果。

3.7 有机玻璃肋板安装

支座定位复核后，安装支撑立杆(不含外圈12个)，校正垂直后点焊。

安装有机玻璃肋，肋全部安装及聚合后，焊接支撑与不锈钢伞之间的焊缝(除外圈)。

有机玻璃肋板支撑调校工装采用快装卡扣式盘扣组件，可360°不同部位及角度调校,将其吊运至树冠下部操作平台，以树冠其中一条主肋板为中心,1.5m×1.5m间距组拼，铺设面积大于有机玻璃覆盖面。

不锈钢结构及有机玻璃支撑杆位置复核、焊接后，以外圈12个安装于不锈钢支撑座的节点为基准点，进行有机玻璃肋板布置和表面调校排序，由外延向中间进行铺设，如图6所示。

图6 有机玻璃肋板安装排列

3.8 有机玻璃面板安装

利用塔式起重机及专用吸盘工具，吸吊有机玻璃面板于肋板位置排列调校就位。以中心为基准调校点，布置调校排序，由中心向四周扩散进行铺设。以首件为起点按顺时针方向进行整列布置安装。

3.9 有机玻璃面板与肋板粘接

面板与肋板粘接缝控制在一定范围内，当肋板聚合为一体结构后，在肋板与面板接触表面预放厚2～5mm有机玻璃颗粒，用于控制面板与肋板聚合间隙及施工时面板平整度的调整。

3.10三角区粘接

三角区有机玻璃肋板在工厂内进行最大规格尺寸预制，在现场进行批量面板整体粘接，如图7所示。

图7 现场三角区有机玻璃结构批量粘接

3.11有机玻璃本体聚合

本体聚合工艺：灌料(板之间封闭腔)→聚合反应(塑料膜包覆，恒温25℃，清洁环境)→升温至 90～120℃， 再降温(去除应力)→表面打磨。

3.11.1有机玻璃肋板本体聚合

1)肋板注料 将肋板和节点定位组装后，用快速制模法制模，配置MMA拼接料进行注料。

2)肋板拼接固化 固化温度采用恒温(与工厂加工环境温度一致)，温差波动±3℃。

3)肋板拼缝打磨 拼接缝采用专业工具切削加工，表面磨平、抛光。

3.11.2有机玻璃面板本体聚合

1)面板注料 按照图纸编号组装，调整后进行制模，从边缘到中心逐步进行注料。

2)面板拼接固化 板材在恒温下固化，本体料注入拼接缝后24～48h固化，超过20h后用手按压聚合缝表面，已硬化则视为聚合固化完成。

3)圆盘整体高温聚合 按照阶梯温度曲线进行控温，退火温度70～85℃(高温聚合)。温控棚内上下、中间位置布置循环风机,期间通过温度检测仪器实现智能控制。

4)圆盘拼缝处理打磨抛光 用清洁水清洗板材铣削的端面，砂皮打磨表面。

3.12温控棚安装

搭设伞面温控棚满足有机玻璃施工洁净和工艺操作需求，温控棚采用组装式结构，顶部为整体结构，用于不同保温棚吊装使用，棚布和钢结构可快速安装。

棚中设内侧循环风机、外侧恒温空调、加热设备及输送风管，根据操作方式调整恒温期间空调和加热器布置方法，以适应不同工况使用。

利用卡扣和螺丝将温控棚底座固定；将保温被套装在PVDF膜结构棚房外层后，整体吊装膜结构棚房，膜结构棚房立面如图8所示。

图8 膜结构棚房立面

3.13有机玻璃灯槽施工

灯槽加工流程：加强筋铣加工开槽→槽内打磨抛光。将需要铣槽的筋条，经过钻抛加工后，移至开槽机，分9次进刀进行铣削凹槽，最后2次进行1mm以内精刀铣削处理，保证铣削面光滑，使用小型手提式打磨机将凹槽内打磨抛光处理。

3.14伸缩缝处理

伸缩缝底部由T形托板对伸缩缝进行托起，在有机玻璃伸缩缝板下用环氧树脂贴聚四氟乙烯垫片，如图9所示。

图9 伸缩缝托板示意

3.15有机玻璃面板打磨、抛光

用清洁水清洗板材铣削的端面，依次选择80，120，240，400，600，800，1 500号砂纸打磨表面，进行中抛→精抛→镜面抛光。

3.16分区卸载

为保证卸载后有机玻璃面板接近同一水平面，确保不锈钢结构、有机玻璃面板均达到效果，采用分步卸载方案，一次卸载4把伞，按有机玻璃安装顺序自中间向两边扩散。卸载后采用千斤顶工装对天沟进行水平度调整，对有机玻璃面板变形进行实时监控。第1次卸载完成后依次卸载。

在设计荷载条件(不锈钢+有机玻璃板)下，进行有限元卸载计算，确保面板在此挠度下偏安全，结果如图10,11所示。

图10 不锈钢卸载结构变形

图11 有机玻璃卸载变形及应力

3.17结构监测

选取有限元分析计算较大应力杆件，如组合柱、树冠、有机玻璃面板等进行监测，对关键部位的内力、位移等参数变化情况及结构卸载期间受力状态进行监测，及时反馈，确保结构安全。采用自动采集设备，将测试数据通过无线方式传送至记录和分析终端，实现智能化监测、分析。

4 结语

江苏园博园项目以矿坑生态修复结合江苏水韵特色、区域文化和特色建筑建造，实现城市功能修补，坑内的植物花园主结构为伞状网壳结构，共42个巨型伞状结构连成整体，伞状网壳外幕墙及屋面均采用有机玻璃，为国内最大的有机玻璃面板系统，不锈钢伞状结构与有机玻璃屋面的结合，在国内外均无类似案例。为确保工程顺利实施，开展了大量试验研究和工法创新；研发了不锈钢结构参数化设计、工业化制造、智能化建造一体化施工技术，实现不锈钢构件的精确制作与安装；开发了有机玻璃设计状态与分区施工状态合龙温度变化过程的仿真模拟技术及集循环风机、恒温空调、加热设备、输送风管一体的温控棚控制技术，实现了有机玻璃现场高效安装与本体聚合，保证了效果。