复杂多曲面现代木结构屋面系统施工技术*

孙晓阳，于健伟，边 辉，舒 松，汤 敏

(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

江苏园博园丽笙酒店项目位于城市精品展园区，通过钢、索、木的综合运用形成了多曲面、大跨度、大悬挑的复杂建筑造型，是国内规模最大、最复杂的现代胶合木结构(见图1)。结构形式为钢框架+索结构+木结构屋面，其中屋面主要木材为胶合木，为国内最大的胶合木屋面。总建筑面积约3.5万m2，北楼地下1层，地上3层；南楼地上4层,建筑高度18m，其中顶层高度4.5m，吊顶设计净高度2.7m。屋面工程难点包括弧形钢梁跨度大、曲率变化复杂、精度要求高，曲面胶合木工艺复杂，制作、安装难度大；大跨拉索曲面造型找形难，屋面与墙板及吊顶构造复杂；双曲钢梁木饰面包覆难度大。施工中，通过研发与攻关，形成了复杂多曲面现代木结构屋面系统施工技术，并在工程中得到成功应用，取得了较好的经济和社会效益。

2 关键技术

1)采用三维仿真建模、分段整体放样、工厂数控加工技术，实现复杂曲面钢梁工厂化预制、现场装配式施工，减少高空拼装、焊接，提高了安装精度和吊装效率。

2)采用RHINO+GH参数化设计+TEKLA深化、机器臂切削打孔、分层拼压制作等技术，实现了多曲面胶合木檩条工业化制作、智能化建造，提高了安装效率。

3)采用木檩条端部设置配重钢片构造、木檩条与拉索夹具连接做法，解决拉索跨度大、木檩条自重小、屋面造型不稳定问题，构造及节点安装快捷，提高了整体稳定性，保证了屋面造型质量。

4)采用胶合木分层拼压制作、分段拼装技术，通过多段木构叠加，螺栓及销钉连接固定，解决了双曲钢梁木饰面包覆安装难题，实现整体木饰面包覆效果。

5)采用镀锌钢板与方钢管转换连接技术，减少了板材开槽、开洞，提高了节点区板材完整性和保温隔热性能，解决了复杂曲面梁与轻质墙板、吊顶构造难题。

6)屋面木檩条大量采用高强质量比胶合木，不仅提高了木材利用率、节约木材，而且可降解，绿色环保。

3 施工工艺

3.1 曲面钢梁BIM三维建模设计、分段制作

采用TEKLA三维建模和立体坐标系出图(见图2)，为工厂制作及现场安装提供数据支持。对跨度大、截面复杂、高空拼装难的多曲面钢梁进行分段，通过分段整体放样胎架的方法，完成工厂预制，如图3所示。

图2 三维模型

图3 分段整体放样胎架制作法

3.2 曲面梁胎架支撑高空拼装

现场采用胎架支撑高空拼装，整体结构空间曲度变化较大，通过全站仪对空中控制点进行定位。立体胎架与构件同步施工，且汽车式起重机交叉配合施工作业，保证安装精度，如图4所示。

图4 胎架支撑高空拼装定位

3.3 胶合木分层拼压制作分段安装

1)采用RHINO-GH-TEKLA设计、深化，前端对接建筑师方案模型，后端对接工厂制造构件，通过参数化软件Grasshopper 将三维模型构件转化为二维加工图，减少重复工作。

2)通过参数化编程生成木构件加工程序，控制机械臂切割、打孔、铣削、开槽等一系列动作，取代人工读图和放线的传统生产过程，提高加工效率和准确性。

3)胶合木檩条采用曲线造型，分段多，连接节点复杂，安装数量大。为方便施工，采用钢板过渡的连接节点构造，将木梁与钢梁铰接连接。节点区打孔开槽均由工厂机器人预制完成。

4)吊装檩条前，预先采用双头螺栓安装好角钢连接件，采用两点起吊方式吊至钢梁，按编号依次安装，定位好后先点焊两端连接件，无偏差后整体满焊。木檩条吊装与连接构造如图5所示。

图5 木檩条吊装与连接构造

3.4 曲面屋面木檩条及索结构安装

1)曲面屋面木檩条在索结构处，一端固定在钢梁上，一端与索结构连接。拉索未张拉前采用满堂脚手架作为木檩条端部临时支撑，脚手架设计尺寸及构造应符合规范要求，单点受力荷载应小于脚手架立柱承载力。

2)木檩条与拉索连接，通过索夹扣住拉索，木檩条初步定位后，索夹与木梁预装钢板焊接固定。木檩条与拉索连接节点如图6所示。

图6 木檩条与拉索连接节点

3)胶合木檩条自重小，拉索张拉后曲面造型易受扰动，通过设置钢片配重，提高屋面整体稳定性，调整多曲面屋面造型。木檩条端部配重构造如图7所示。

图7 木檩条端部配重构造

4)索夹将木檩条与索可靠连接后，通过液压千斤顶定量张拉完成索结构张拉承载。由设计提供恒荷载、活荷载、风荷载及预应力等工况下拉索内力和木檩条变形理论值推算出油压表值作为张拉控制参数。现场按照油压表读数精确控制张拉力，按设计要求逐级加载。

5)拉索张拉过程中及张拉结束后，通过多个控制点实时检测木檩条位移值，确保张拉过程安全可控。屋面监测整体稳定后，逐步拆除脚手架。钢绞线拉索如图8所示。

图8 钢绞线拉索

3.5 双曲钢梁木饰面分层拼压，分段叠加安装

1)胶合木饰条根据曲线造型分段，由30mm厚或其他标准板厚胶合木拼压制作而成，端部打孔开槽均由工厂机器人完成。

2)镀锌钢管作为支撑龙骨与多曲面钢柱进行焊接，胶合木饰条采用自攻螺钉连接固定在龙骨上，通过多段木构叠加，达到整体木饰面包覆的建筑效果。双曲钢梁木饰面安装节点构造如图9所示。

图9 双曲钢梁木饰面安装节点构造

3.6 屋面与ALC板及吊顶连接

1)曲面胶合木结构中，因屋面梁底弧度和曲率皆不同，导致ALC板及装饰吊顶转换层标高变化复杂。通过设计平面钢管桁架转换层，将吊顶龙骨由连接于木结构转换至同一标高转换层。胶合木结构吊顶转换层连接构造如图10所示。

图10 胶合木结构吊顶转换层连接构造

2)吊顶转换层通过ALC板顶部连接构造形成整体，上部连接构造采用镀锌铁板、镀锌方钢、U形镀锌铁板卡口组成的连接构造焊接固定。

3.7 OSB板面板及防水卷材安装

1)第1层OSB板安装。OSB板安装采用麻花钉固定在木檩条上。

2)屋面格栅垂直于屋面OSB板安装，采用钢钉固定,格栅安装完成后，在格栅内铺设保温岩棉，采用双面胶带和夹具固定。

3)第2层OSB板同第1层OSB板安装。

4)第1道改性沥青防水卷材采用热熔施工法铺贴，铺贴前清理基层，防腐木顺水条沿屋面纵向采用水泥钢钉固定，2排顺水条间距及固定钢钉间距应符合设计要求。

5)顺水条铺设完成后，铺设第2道改性沥青防水卷材。工艺同第1道防水卷材。

3.8 防腐木挂瓦条及页岩瓦安装

1)防腐木挂瓦条安装。安装挂瓦条时，应采用水泥钢钉固定在顺水条上，挂瓦条与每根顺水条相交处采用钢钉固定。挂瓦条应安装平整、牢固，接头应对齐成直线，上、下排之间要错开。

2)屋面页岩瓦安装。从屋檐右下角开始铺设页岩瓦，自右向左排列，至铺满第1排，注意左右两端瓦片位置，必须安装在瓦楞突起部位，否则应重新排列瓦片。铺设第2排瓦片时，将瓦片与第1排瓦片交错搭接，使整个屋面更牢固，防水更有效。

3)利用镀锌钢钉或镀锌铁丝将瓦片固定在挂瓦条上。从边缘至屋脊，每10片瓦片的距离固定1次，保证瓦片边缘连接成1条直线。

3.9 清理检查

拆除脚手架前，对有污染、破损的屋面表面进行清理，对破损的页岩瓦、脱落的螺栓等及时清理更换。拆架时，应注意安全和成品保护，不得随意踩踏页岩瓦，避免再次损坏。

4 质量控制要点

1)材料和设备进场时，必须严格把好材料验收关。验收各类进场材料品牌、型号、规格、色泽、质量和数量。

2)特殊工种上岗人员，必须持证上岗，持证应真实有效，并检验审定。

3)为确保分段拼装的曲面钢梁与屋面结构连接可靠，应严格按图施工。

4)焊接时应选用合理的焊接顺序，减少焊接应力和变形。焊接工艺应符合GB 50661—2011《钢结构焊接规范》规定，并经评定、试焊后确定。

5)木檩条安装过程中，应采取适当的运输和施工机具，避免构件损坏。

6)索结构张拉施工应注意变形监测，严格按张拉控制方案执行，在拉索屋面监测稳定后再逐步拆除脚手架。

7)轻质墙板、屋面板安装完毕后，应注意成品保护，严禁撞击与磕碰，不得靠近所有可能损坏板材的危险器物。

8)利用液化气或汽油喷灯加热基层和卷材底面，应注意调节火焰大小，熔化卷材表面沥青。

9)页岩瓦应按顺序铺设，瓦面应平整、无缝隙，瓦片边缘应成线对齐。脊瓦应搭接正确，间距均匀，封固严密。

10)吊顶转换层方钢管转换连接节点应焊接牢固、安全可靠，现场焊接后应做防火、防锈处理。

5 结语

现代木结构建筑通过工业化、标准化工艺制作、安装及林木产业良性循环，发挥了木材低碳环保优势，避开了传统木结构原材供应有限、质量不稳定等缺点，又可结合钢、混凝土等高强度材料，满足现代建筑不断增加的高度、跨度和造型需求，同时提供舒适耐久、节能保温、结构安全的高品质建筑产品，具有广泛的发展应用前景。