杭州西站云门幕墙钢结构建造技术研究

汤海江，郭 磊，蒋永扬

浙江中南绿建科技集团有限公司，浙江杭州 310051

0 引言

随着社会的发展和人民生活水平的提高，在自我私有空间扩大的同时，公共活动空间的需求也与日俱增。影剧院、体育场馆、高铁站、飞机场等大跨度建筑不断在城市中兴建。世界上许多先进国家著名城市的标志性建筑，以及很多优秀旅游景区的建筑始终与空间异型扭转曲面网壳结构密不可分，历届奥林匹克运动会、世界各国的各种交通枢纽站、世界博览会也无不成为各国最先进的大跨度空间结构竞相亮相的舞台。

在“峰会后、亚运前”的时代背景下，乘着杭州第19届亚运会举办的东风，为了向国际友人彰显杭州的独特魅力，杭州西站应运而生。但在建造过程中结构形态较为复杂，节点处杆件多、受力复杂，拼装中存在杆件空间定位难度大、施工作业复杂等问题，故本文以杭州西站云门幕墙钢结构工程为背景，重点阐述杭州西站云门幕墙钢结构项目的建造实践。

1 工程概况

杭州西站［1］枢纽南区站城综合体云门工程位于杭州市余杭区仓前街道杭州西站南侧，占地面积10 800 m2，总建筑面积9.67 万m2，结构顶标高81.35 m。“云门”是杭州西站“云之城”的重要组成部分，以江南意向塑形，为其塑造独特的城市形象，用同构的手法统一综合体的立面形象，并通过“云海”氛围营造现代江南城市聚落。“云门”寓意人流与数据的流动，契合站区所在的未来科技城地域特点，呼应杭州互联网新经济之城的特色；同时还代表着互联网信息数据间的自由流动，象征着高度发达的互联网信息新经济（图1、图2）。

图1 杭州西站效果图

图2 杭州西站云门效果图

幕墙钢结构由屋顶单层框架+下部曲面单层网壳组成，其中屋顶单层框架下部落于云门主体结构顶部，通过21组树杈柱+7组箱型柱支承于下部主体结构上，结构顶标高81.35 m。下部单层网壳分为上部洞口花瓶状网壳和下部异型不规则曲面网壳。下部网壳通过60 组小短杆将封边圆管与主结构连接，网壳内部通过22组V型撑，将网壳支撑固定于主体结构上，网壳最下部落地处通过28组成品铰支座与结构基础连接；上部花瓶状网壳，腰身处通过8组成品铰支座与空中连体连接，网壳最上部和屋顶框架在空中连体中间洞口交界处固定连接成一体（图3）。

图3 幕墙钢结构分拆结构图

2 项目建造过程中的重难点

1）屋顶单层框架结构由于现场实际安装前主体结构部分已经安装完成，结构顶标高81.35 m，结构跨度达176 m，现场实际高空吊装作业难度较大，安装难度系数较高。因此，研究屋顶单层框架结构的建造技术就显得尤为重要。

2）下部单层网壳结构采用分块吊装的方法进行安装，由于安装前主体结构已经安装完成，导致顶部最后一个合龙单元缺少施工作业面，无法通过吊装的方式完成安装。因此，研究下部单层网壳结构的建造技术也很有必要。

3 屋顶单层框架结构建造技术

屋顶单层框架结构标高较高，安装难度系数较大，结合该类结构类型及施工现场吊装实际情况，对整体框架进行区域划分，确定施工总体顺序，设置临时支撑体系保证屋顶单层框架施工的合理性及安全性。

3.1 安装思路

根据塔吊性能，屋顶框架网格中框架主梁采用分块［2］或者分段进行吊装，分段处搭设支撑架临时支撑，框架次梁待主梁安装后采用塔吊散装。

1）区域划分

根据结构特点和现场场地条件，将屋顶单层框架钢结构以中轴线为界，划分为2个对称施工区域：东区和西区，见图4。

图4 屋顶框架施工区域划分

2）施工顺序

屋顶楼面提交作业面前，沿塔楼北侧安装2 台塔吊，随后开始安装周边低标高79.65 m的框架柱和中间位置树杈柱。树杈柱支撑结构见图5。

图5 树杈支撑结构构造

东区作业面从东侧向西侧方向施工，西区作业面从西侧向东侧方向施工。施工首先吊装沿东西方向的框架主梁，然后安装框架主梁之间次梁。在安装中间椭圆洞口时，首先设置支撑架分段安装封边弧形钢梁，然后安装附近主框架梁，最后安装附近次梁，具体施工流程见图6。

图6 屋顶框架施工流程

3.2 临时支撑布置

屋顶框架幕墙钢结构施工，一个区共设置14个支撑架，主要支撑于框架主梁分段位置处和中部椭圆封边梁分段处，其中椭圆封边长轴处三个支撑架高度为12.0 m，下部落于空中连体桁架中间层；剩余其他位置处支撑架高度为4.8 m，落于结构顶部楼层，见图7。

图7 层顶框架施工区域划分

4 单层网壳结构建造技术

下部曲面单层网壳施工作业面小，采用常规分块吊装的方法安装时要搭设大量的高空支撑架，不但高空组装、焊接工作量大，技术经济性指标较差，而且存在较大的质量安全隐患。研究网壳结构的组成，结合结构特点和施工方法的不同确定安装思路及施工区域划分，以整体提升的方式对划分的中部B区结构进行提升，并通过模拟分析确保提升过程的安全性符合规范要求。

4.1 单层网壳结构的组成

一种单层网壳结构包括支撑节点一、支撑节点二、支撑杆和支座，支撑节点一和支撑节点二相互连接成单层结构，支撑杆设于单层结构上，支座设于单层结构的底部（图8）。

图8 网壳结构及节点、支座

4.2 单层花瓶口网壳结构安装

4.2.1 安装思路

幕墙单层网壳共分为2个施工分区，下部立面网壳采用汽车吊分块吊装，中间水平向网壳采用地面拼装+整体提升方式安装。

4.2.2 区域划分

根据结构特点和施工方法的不同，从高度上将下部单层网壳结构划分为2个施工区域：下部A区采用分块吊装安装（结构标高46.2 m）、中部B 区采用同步整体提升方式进行安装（结构标高4.15 m），见图9。

图9 区域划分示意

4.2.3 中部B区整体提升施工技术

中部B区钢结构在地面拼装成整体后，采用超大型液压同步整体提升施工技术将其整体提升到设计标高，再焊接对口处的杆件，大大降低现场高空的施工量和施工难度。

1）提升吊点设置

结合工程实例，根据结构形式布置12个提升吊点（图10）。

图10 提升吊点布置

2）提升点布置及提升工装设计

提升点设计平台利用原空中连体下弦层结构设置（图11、图12），在两根主梁上，放置提升横梁，提升横梁上放置肩梁，提升器放置在肩梁上，钢绞线穿过肩梁上的穿线孔（图13、图14）。提升横梁规格采用H588X300X12X20，肩梁规格采用B500X400X12X16，材质均为Q345B。

图11 提升点立面布置

图12 提升点平面布置

图13 提升工装设计立面

图14 提升工装设计平面

3）吊点布置及其工装设计

吊点采用托梁和吊具，先将吊具固定在托梁上，再将托梁和网壳整体拼装单元固定，然后将钢绞线和吊具固定连接。

结合整体提升技术要求及现场网壳安装作业情况，采用两种吊点的结构形式，吊点1以网壳杆件上挂的结构形式与上方提升点垂直连接设置，吊点2在两根网壳杆件下方设置吊点，钢绞线穿过两根杆件中间的穿线孔与上方提升点垂直连接设置，见图15。

图15 吊点工装设计及现场

4）B区整体提升工艺流程

根据本工程结构特点和现场场地条件，中部B区提升网壳总重约580 t，拟采用地面拼装，整体提升施工方式提升［3］。

网壳下部搭设拼装平台，网壳结构在拼装平台上拼装完成后，利用液压提升器整体提升至设计标高，与已安装的下部A 区网壳、空中连体连接固定后，卸载提升器，完成中部B区网壳的施工，见图16。

图16 B区提升工艺流程

5）整体提升施工过程模拟分析

①模型建立及有限元分析

采用有限元分析软件对结构进行提升模拟分析［4］。验算结构强度采用1.5×（恒荷载）；验算变形采用1.0×（恒荷载）；钢结构单元均采用梁单元进行模拟，荷载为结构自重（考虑1.1倍节点放大系数），见图17。

图17 计算模型

②验算结果

验算结果见图18～22。

图18 X方向位移云图

图19 Y方向位移云图

图20 Z方向位移云图

图21 杆件应力比云图

图22 提升反力云图

③验算结果分析

由上述荷载组合分析结果可知，结构提升总重约580 t，杆件X向变形最大为16.36 mm，Y向变形最大为20.14 mm，Z向变形最大为27.81 mm，实际安装过程中实测得杆件X向变形最大为18.28 mm，Y向变形最大为22.64 mm，Z向变形最大为29.83 mm，杆件对接时，可在空中连体上设置手拉葫芦进行临时变形控制，保证施工精度。杆件最大应力比为0.53<1.0，最大杆件主要为提升加固杆件，满足规范要求。提升过程中提升器最大反力为118.8 t，最小反力为41.1 t。

④现场施工应用情况见图23。

图23 现场提升应用情况

5 结论

杭州西站枢纽南区站城综合体屋顶单层框架结构施工技术，解决了屋顶单层框架结构由于现场实际安装前主体结构部分已经安装完成，结构标高较高，安装难度系数大的问题；单层网壳结构的安装技术［5］，解决了下部网壳结构采用分块吊装安装时顶部合龙单元施工作业面缺乏的问题，相关技术均已成功应用于本工程的实际建造，可为同类工程提供参考。