绍兴国际会展中心异形大跨钢结构-金属屋面一体化施工

叶 翔，郑锐恒，管世林，朱小华

(1.浙江精工钢结构集团有限公司，浙江 绍兴 312030；2.绍兴市柯桥区政府投资项目建设管理中心，浙江 绍兴 312030)

1 工程概况

绍兴国际会展中心一期B区工程为浙江省重点工程，是绍兴市在建投资最大、体量最大的公建项目，占地12.38万m2，总建筑面积约17.35万m2，共设展位2 500个，主要由1号展厅、2号多功能展厅、会展廊、会议中心等构成。其中1号展厅不设地下室，地上总建筑面积4.8万m2，建筑高度27m，平面投影尺寸380m×112m，由南、北侧多层辅房、2.6万m2单层无柱超大展厅、北侧巨型飘带组成，其中超大展厅无柱跨度72m，净高16m，并在⑧轴、轴、轴处设置3道活动隔断，满足超大展厅可分可合的灵活运营要求。展厅建筑方案融入绍兴水乡建筑连绵错落的屋面元素，6个相似单元屋面由东向西倾斜并呈韵律错台，屋面斜率9.5%，垂直错台高度为6m(见图1)。

图1 1号展厅

2 钢结构及金属屋面概况

1号展厅主体采用全钢结构，辅房为多层钢框架，辅房、展厅上空为大跨钢屋盖，飘带为倒锥形空间网络结构，主体总用钢量约1.5万t，采用TPO+直立锁边铝镁锰板双层防水金属屋面，总面积约4.2万m2(见图2)。

图2 1号展厅纵向剖面

大跨钢屋盖采用平面桁架结构体系，根据屋面起伏分6个单元，并与飘带结构连为整体。屋盖主桁架沿跨度方向布置，与两端框架柱刚接，跨度72m，其中错台部位布置10m高三弦主桁架，各单元内再布置2道4m高两弦平面桁架，垂直主桁架方向布置4m高空腹次桁架，间距9m，次桁架间布置加密次梁，将屋盖划分为4.5m×9m分格(见图3，4)。

图3 1号展厅钢结构总体效果

图4 1号展厅屋盖钢结构布置

金属屋面系统采用底板-檩条分离承重构造，底板采用1.2mm厚钢承板，穿孔率25%，跨度4.5m，正打于钢屋盖次梁上表面。吸声、保温、隔汽、TPO卷材等构造层铺设于底板上，由底板进行支承，屋面檩条通过檩托架空于构造层上方，仅支承直立锁边金属屋面板。1号展厅金属屋面标准构造如图5所示。

图5 1号展厅金属屋面标准构造

3 工程实施特点

1)1号展厅为韵律错台屋面造型，无柱跨度72m，造型不规则，钢结构及屋面系统施工难度大。

2)项目采用EPC模式，总工期720d，且要求1号展厅当年开工、当年投用，工程量包括1.5万t钢结构、4.2万m2金属屋面、3 180m长机电管沟、数十套机电系统、4万m2幕墙系统等，施工工期异常紧张。

3)传统模式下，钢结构、金属屋面专业一体化施工水平较低，存在如下问题：①大跨钢结构施工完成后，金属屋面系统仍有大量支承部件需高空散装，重复吊装量大、高空定位、焊接作业密集，工效低下；②专业间信息不畅，错漏碰缺问题频繁，现场返工、拆改工作量大；③需大跨钢结构施工完成、整体卸载后再系统施工金属屋面，专业间等待周期长、闭水时间晚，影响管沟、地坪、机电、内装工序及时铺开，不利于整体工期控制。

4 1号展厅施工总体思路

根据工程特点，1号展厅采用大小流水结合、专业分组穿插的思路，由东向西组织流水穿插施工(见图6)。大流水即钢结构与金属屋面施工形成流水，金属屋面与管沟、地坪施工形成流水，管沟、地坪施工与内装、机电施工形成流水；小流水即多层辅房钢结构与屋盖钢结构施工形成流水，金属屋面底板与构造层施工形成流水，从而最大限度减少专业间、工序间等待时间，节约工期。专业分组穿插即在流水施工的前提下，控制同一区域内穿插施工专业队伍数量，减少工作面冲突与前后工序不合理现象，确保施工组织有序与施工一次成优。

图6 1号展厅各专业流水穿插施工

5 大跨钢结构-金属屋面系统协同深化

钢结构-金属屋面系统协同深化由钢结构-金属屋面系统深化设计团队在BIM软件中进行建模深化，实现2个专业LOD400精度BIM模型的实时融合，统一2个专业接口界面，提高深化设计效率，前置解决专业间错漏碰缺问题，同时为金属屋面系统支承部件集成至钢结构一体化加工创造条件，操作步骤及要点如下：①钢结构-金属屋面专业联合组建深化设计团队，应用Tekla Structures多工模式进行协同建模；②协同建模过程中，应用BIM软件可视化及碰撞检查功能排查系统间的错漏碰缺，前置解决该问题。当屋面错台部位立面龙骨支托存在悬空时，通过主钢结构侧面增加转换支托予以解决。屋面天沟纵向龙骨与主钢结构存在碰撞时，需断开处理，影响施工效率，经与设计沟通，在不影响排水性能的前提下，略上抬天沟与纵向龙骨，保持纵向龙骨贯通，为天沟系统单元化加工创造条件。

6 大跨钢结构-金属屋面系统协同加工

本工程金属屋面系统包含6 468件檩托与底板支托，若按传统方式，上述部件在主体钢结构安装完成后，屋面底板铺装前，现场逐件吊装、焊接至主钢结构，其高空定位、焊接作业量大且工效低，同时浪费吊装资源。为提高工效，在协同深化基础上，利用BIM软件按需组合部件功能，将金属屋面系统支承部件虚拟焊接至屋面大跨钢结构，生成屋面系统支承部件与钢结构构件集成一体的加工详图，在钢结构制造工厂内完成一体化加工后运至现场进行一体化吊装，大幅减少屋面系统支承部件现场重复吊装及高空安装作业(见图7)。

图7 钢结构-屋面系统支承部件集成加工示意

7 大跨钢结构-金属屋面同步穿插一体化施工

7.1 概述

大跨钢结构分段吊装成形过程是时变结构，结构内力及变形随安装过程不断变化，直到临时支撑系统卸载后结构变形才趋向稳定，作为依附于主体钢结构的金属屋面系统，由于金属屋面专业并不掌握钢结构施工过程的变形规律，主体钢结构也很少主动从技术、施工组织上采取措施为金属屋面专业提前提供工作面，因而在多数大型公建项目中，大跨钢结构与金属屋面系统只能偏保守地采用传统顺序施工，在大跨钢结构整体安装、焊接成形并卸载后再施工金属屋面系统。从质量安全控制角度出发，顺序施工时交叉作业少，安全性相对更高，且能在一定程度上降低金属屋面系统变形、受损风险，但从项目全局角度考虑，顺序施工时存在专业间等待周期长、屋面闭水时间晚的特点，不利于及时铺开内装工序，推进整体进度及控制工期，在体量大、南方阴雨气候地区的项目中劣势更明显。

7.2 技术实施步骤

大跨钢结构-金属屋面同步穿插施工是以钢结构-屋面体系穿插施工仿真分析为手段，以变形控制为指导，运用大跨钢结构半成形状态阶梯卸载技术，为金属屋面系统提前插入创造条件，并结合大跨钢结构施工过程变形特征，指导金属屋面系统分步、有序完成各构造层次施工，与钢结构施工形成流水穿插，大幅节约施工工期。

1)将展厅屋盖划分为6个单元，采用分段吊装方式由东向西顺序施工，钢结构分段部位采用临时支撑系统。当1单元大跨钢结构满焊后，保留2单元及1，2单元分界部位临时支撑不变，卸载1单元内部临时支撑，卸载后1～2单元钢结构与保留的临时支撑构成新的平衡体系，1单元屋盖在自重作用下产生变形Δ11，此时1单元金属屋面底板开始插入施工(见图8)。

图8 大跨钢结构半成形状态阶梯卸载1

2)2单元大跨钢结构满焊后，保留3单元及2，3单元分界部位临时支撑不变，卸载2单元内部临时支撑，卸载后1～3单元钢结构与保留的临时支撑构成新的平衡体系，2单元屋盖在自重作用下产生变形Δ21。此时2单元金属屋面底板开始插入施工，1单元金属屋面开始铺装构造层，1单元屋盖在2单元变形带动作用及金属屋面系统附加荷载作用下产生变形Δ12(见图9)。

图9 大跨钢结构半成形状态梯卸载2

3)3～6单元钢结构按上述步骤完成本单元满焊后，保留本单元与下一单元分界部位临时支撑，逐步逐区阶梯卸载各单元，卸载后金属屋面系统即插入施工，与大跨钢结构施工形成流水穿插。

钢结构-金属屋面完成整体施工后，1单元屋盖产生的总变形如下：

Δ1=Δ11+Δ12+Δ13+Δ14+Δ15+Δ16

(1)

变形趋势如图10所示。

图11 大跨钢结构阶梯卸载过程变形趋势

1单元钢结构卸载后，变形值Δ11达到总变形Δ1的60%～65%，由于屋面底板为分段铺装，板长仅9m(可视间隔9m为1铰支座)，且构造层均为柔性、块状材料，该阶段变形释放后铺装屋面底板及构造层，后续变形处于底板及构造层自适应范围内，受损风险极小。2单元钢结构卸载后，在2单元钢结构变形及金属屋面附加荷载作用下，1单元变形值Δ11+Δ12达到总变形Δ1的80%～85%。3单元钢结构卸载后，在金属屋面系统附加荷载作用下，1单元变形值Δ11+Δ12+Δ13达到总变形Δ1的95%左右，且接近大跨钢结构在设计自重状态下的变形值，此后开始安装1单元金属屋面檩条系统，调平及安装屋面板，与顺序施工状态几乎没有差异，后续变形发展对屋面整体性及排水坡度影响降到最低，且由于1单元底板、构造层已提前完成铺装，大幅提前1单元屋面闭水时间，从而为1单元下部内装工序及时铺开赢得时间，其余单元金属屋面同理。

8 结语

1)本工程通过大跨钢结构-金属屋面系统协同深化，在深化设计阶段前置解决专业间的错漏碰缺问题，按平均每300m2金属屋面出现1处错漏碰缺计算，大幅节约拆改时间及成本，且相关成果进一步丰富BIM技术应用场景。

2)本工程将屋面系统支承部件集成至主钢结构一体化加工、一体化吊装中，主钢结构线质量上浮≤15kg/m，可忽略对吊装机械选型的影响，相比支承部件逐件高空散装，每件施工效率提高70%以上，节约施工成本，故应加强策划金属屋面深化设计阶段，充分利用钢结构工厂化加工与大型化机械吊装的优势，实现提效降本。

3)大跨钢结构半成形状态阶梯卸载技术为金属屋面提前插入创造条件，经分析，该技术帮助屋面闭水时间提前47%，整体施工工期缩短25%，最终仅用112d完成1.5万t钢结构、4.2万m2金属屋面系统施工(其中屋面开始闭水仅45d)，为内装工程及时铺开、按时交付做出贡献，社会效益显著。该技术还实现钢结构施工临时支撑循环利用，大幅节约施工成本。

4)钢结构-金属屋面一体化施工能有效提高施工效率、提升质量、缩短施工工期、节约造价，选择具有相关施工经验与技术储备的承包商进行钢结构-金属屋面一体化发包，是大型公建项目招采优先选择的方向。