球幕影院钢网壳安装关键技术

李国诚

随着我国经济的高速发展，钢结构在众多建设项目上都得到了广泛应用，包括在一些大跨度结构[1]、高层建筑、工业建筑、轻钢结构、高耸结构以及抗震要求高的结构体系。尤其在一些大型的场馆，为建设球幕影院等设施，对钢结构的应用更是倚重。

1 工程概况

甘肃省科技馆项目，主要由主体建筑和球幕影院两部分组成，其中球幕影院内、外壳均为单层钢网壳，外壳直径为33 m，内壳直径为27.7 m，外壳主要杆件采用300 mm×150 mm×8 mm、200 mm×200 mm×8 mm 的薄壁矩形管，节点采用毂节点；内壳采用局部加斜杆的肋环型网格，杆件采用102 mm×5 mm、89 mm×5 mm的圆钢管，节点采用焊接空心球。

2 球幕影院钢网壳安装施工方案及难点分析

2.1 钢网壳安装施工方案

球幕影院钢结构施工采用“先内壳再外壳、分层施工”总体施工思路。

1）内壳分层施工：吊装前，搭设满堂脚手架作为支撑体系，同时用作安装操作平台。搭设高度比球节点标高低500 mm。再在需要支撑的球节点下部搭设脚手架支撑立杆，将球节点坐标定位。下层网壳以所选择轴线为起点，分东西半球同时施工，每个吊装单元安装就位后将球节点与下部支撑进行点焊固定，安装推进逐步形成完整的环形。环形形成后进行每个节点坐标位置的调整，再进行焊接，最后形成整体稳定连接，然后开始上层网壳的施工。

2）外壳分层施工：分块吊装+高空散装[2]。外壳分为赤道以下、赤道以上及顶环三部分。赤道以下部分先进行施工，施工顺序同内壳相同，形成环形稳定体系。然后进行赤道以上部分的施工。赤道以上部分以选择轴线向两侧进行施工，最终形成环形，调整焊接后进行球顶环的施工。

2.2 钢网壳安装施工难点分析

2.2.1 拼装精度控制要求高

在地面拼装成多个吊装单元，然后分块吊装，施工完成后为两个单层球壳。要求整体球形平滑，拼装精度要求非常高。应对措施：根据场地、分片重量及起吊、落位的受力状态，将内外壳进行吊装单元划分；利用AutoCAD 辅助进行拼装转换，将吊装单元的3 个角点确定的平面作为XOY面，原点设在其中一个角点上，量取其它节点坐标值作为定位坐标来设置拼装胎架。

2.2.2 支撑架上部定位措施设置的难度较大

内、外壳均为单层网壳，分块吊装落位后变形较大，故利用下部支撑进行上部结构节点的坐标定位。内外壳节点下部的支撑架定位难。外壳节点为毂节点，且其指向圆心，所以外壳支撑架顶部与毂节点的连接定位措施设置难度大。

应对措施：根据内壳节点坐标搭设作为内壳承重支撑及安装操作平台的满堂脚手架。先将脚手架根据球面的形状搭设至球节点下部500 mm 位置，搭设完毕后，再根据每个球节点的三维坐标，在球节点的下部搭设4管撑，下插至扫地杆与满堂脚手架连接，并设置剪刀撑；球节点下部设置球节点支托。

外壳钢结构支撑采用钢支撑架[3]。支撑架在结构内外部设置，立杆选用300 mm×10 mm 方钢管，立杆环向支撑接触面为斜面。外壳径向主杆为300 mm×150 mm×8 mm 矩形钢管，外壳毂节点指向球心。外壳径向主杆落位在立杆的环向支撑接触面上。在支撑架立杆及立杆的环向支撑上设置两块立板，立板上表面与外壳径向主杆焊接固定。

3 球幕影院钢网壳安装工况

3.1 内外壳吊装单元拼装

3.1.1 吊装单元的划分

内壳划分共18 个拼装单元，其中内壳吊装单元根据设计分为2个类型。内壳吊装单元类型示意图如图1所示。

图1 内壳吊装单元类型示意图（来源：作者自绘）

外壳以经线划分为12 个第1 类型吊装单元（图2a）、12 个第2 类型吊装单元（图2b）和8 个第3 类型吊装单元（图2c），其他杆件高空散装［4］。外壳吊装单元类型示意图如图2所示。

图2 外壳吊装单元类型示意图（来源：作者自绘）

3.1.2 胎架搭设

每榀吊装单元成弧形，拼装难度大效率低，每拼一榀后胎架都需调整，设置2 块拼装场地，各场地设2 副胎架交替拼装[5]。考虑到小拼（图2a）单体重量约8 t，每个毂节点旁边设置支撑架立杆，每支撑架立杆下方铺设钢板，支撑架立杆和牛腿采用H 钢或槽钢，并用角钢将支撑架和钢板连成一整体，提高支撑架的稳定性。拼装立面图如图3 所示。

图3 拼装立面图（来源：作者自绘）

3.1.3 拼装胎架搭设要求

根据坐标转化后的X、Y 投影点来铺设钢板，相互连接形成一刚性平台，然后，放X、Y 投影线、标高线、检验线及支点位置[6]，形成田字形控制网，然后拼装胎架立杆并设置斜撑。

3.2 固定铰抗震钢球支座安装

应先对土建预埋的埋件按照图纸位置及定位尺寸进行复测，确定无误后，再进行固定抗震钢球支座与预埋件的固定。另外铰支座固定后应采取防锈措施，安装过程中保持上顶板与下底盆的连接固定，安装完成后拆除连接板。

3.3 内壳安装

内壳空心球节点多、杆件多，经小拼后吊装至高空定位再结合散件安装，最终完成总拼。内壳网架为肋环形网壳，每一圈节点均位于同一水平纬线上。用全站仪对节点三维坐标定位以确保整个球壳外形尺寸。

3.3.1 支座顶部半球安装及第一环网架分块吊装

根据球铰支座顶面弹出的定位线放置支座顶部半球，焊牢固定后进行第一环网架的吊装。就位后，利用手拉葫芦精确调整，将每个吊装单元最下端杆件与支座半球焊接。吊装单元的球节点与球节点支托焊接固定。第一网架施工以选择轴线依次对称安装。分块吊装完成后，进行每个分块单元之间的杆件安装，形成一个稳定的环形结构。

3.3.2 第二环网架分块吊装

将拼装完成的第二环吊装单元，吊装至设计标高，利用手拉葫芦精确调整[7]。调整完成后，吊装单元下端球节点及上端球节点与球节点支托焊接固定。第二环网架分块吊装完成后，进行每个吊装单元中间的杆件安装，形成环形结构。

3.3.3 第一环与第二环网架间的补档施工及顶环杆件施工

第一环和第二环网架安装完成后进行其之间杆件与顶环杆件的散装施工。施工前应对第一环顶部的球节点三维坐标和第二环底部及顶部球节点的三维坐标进行复测。

3.4 外壳安装

先进行支撑架搭设，然后进行吊装单元吊装，每个吊装单元先定位好下面位置，在把上面搭在支撑架上事先确定好的位置，再把吊装单元落位至设计位置，和支撑架上边的楔形板固定牢靠；安装结束后，进行单根杆件高空散装；最终达到总拼单元。

3.4.1 支撑架搭设

为增大看台板承载力，在支撑点的投影位置加设转换梁，首先根据转化梁位置设置，在混泥土梁位置打入100 mm 的膨胀螺丝与埋板固定牢靠，转换梁与埋板接触部分进行围焊。立杆坐落于转换梁上采用坡口熔透焊接，待立杆高度调整好，环梁与立杆最上端坡口熔透焊接，与立杆之间连接的环梁尽量拟合成圆弧型环梁，待环梁和立杆连接完成，每个环梁下部设置反向支撑。

3.4.2 支撑架承载力验算

安装外壳结构单元时，需要搭设环形支撑架[8]。经计算，最重的一片吊装单元自重荷载，传递到环梁上为9 KN。环形支撑架直径为12 m，下部支撑柱落位于倾斜的混凝土看台上。在每片吊装单元环向支撑点，布置方管构成下部支撑，环形梁和钢柱均为方管。经计算可知，环形支撑架，变形较小，应力比较小，满足设计和施工要求。结构外圈搭设单管支撑，顶部搭设在赤道环向以下，构件就位后与外壳赤道以下分块单元径向杆件固定，底部与土建浇筑的混凝土基础的埋件固定。

3.4.3 吊装单元吊装

支撑架设置好后，采用100 t 汽车吊将第一榀吊装单元进行脱胎，同时采用25 t 汽车吊配合，通过两个吊点设置手拉葫芦调节重心，使吊装单元处于落位形态，将第一榀吊装就位。就位后，上部及下部进行点焊临时固定，采用手拉葫芦进行节点坐标的调整。调整后，将底部与下片的吊装单元的毂节点焊接，上端节点位置与支撑架立板焊接固定，将吊装单元与支撑立杆、支撑环向杆上部设置的立板焊接固定，使连接节点形成固定约束，确保下部支撑系统只承受竖向荷载。随后进行第二榀小拼的吊装。

3.4.4 散件高空散装

吊装单元就位牢靠后，进行散件的补档。吊装单元之间相邻的散件根据与节点连接位置，连接好。顶端的散件补空，应在支撑架环梁顶端上加设刀板支撑。因毂节点和上下杆件相连之后，两端距离只有25 mm，故支撑架环梁及刀板设置在顶环靠外，避开毂节点，与杆件进行固定。

3.4.5 外壳支撑架拆除

先进行顶环支撑架的拆除，然后进行内部环向支撑架的拆除，最后进行球外侧支撑架的拆除。胎架拆除时采用“气割”的方法将每个支撑架顶部设置的立板进行分级割除。每次割除20 mm，并观察结构是否脱胎。

4 结语

通过对球幕影院钢网壳施工方案的选择和难点分析，采用的“先内壳再外壳、分层施工”思路，以及“分块吊装+高空散装”相结合的施工方法[9]，并因地制宜的利用技术手段解决了拼装精度控制要求高、支撑架上部定位措施难度大等难题，成功完成了球幕影院建设，取得显著成效。