網殼結構采光頂分塊安裝施工技術研究

彭 琦

(中鐵二十局集團市政工程有限公司 甘肅蘭州 730046)

1 引言

網殼結構采光頂作為一種沿曲面建立的空間結構，能很好地實現各種復雜的建筑造型。近年來，由于其理念新奇、結構簡潔、造型美觀、內外通透、受力合理的優點，受到建筑師和結構師們的青睞，被廣泛應用于大型商業廣場、會展中心、科技館、博物館和一些標志性建筑[1]。但在施工過程中，由于結構受力復雜、安裝精度要求高、質量控制難度大等一系列問題，嚴重影響了該類結構的向前發展。

本文以蘭州新區瑞玲國際商業廣場殼體結構采光頂為例，結合現場實踐經驗，提出一種分塊安裝施工技術，為類似工程施工提供參考。

2 工程概況及施工難點分析

2.1 工程概況

瑞玲國際商業廣場地處蘭州新區行政文化中心組團核心地段，建筑面積約13.90萬m2，包括3棟14層的酒店、寫字樓、辦公樓，4層商業裙房和地下1層車庫及公共服務設施。商業裙房步行街走廊屋頂局部開洞，通過環形長廊連接4個殼體結構玻璃采光頂進行采光和通風。建筑造型新穎美觀，風格簡潔明快，顯著提升和美化了整個項目的內外部商業環境，見圖1。

商業裙房所包含的殼體結構采光頂投影面積約2 979.00 m2，為圓形或橢圓形，跨度在20.20～25.20 m之間。采用輕鋼結構構件與透明玻璃材質，所有構件均采用矩形截面鋼管，構件間采用對接焊接的方式連接。采光頂結構高度26.50 m，底部為貫通裙房1～4層的空洞。

圖1 蘭州新區瑞玲國際商業廣場效果圖

2.2 現場條件

(1)本工程4層裙房為框架結構，屋頂在設計時未考慮采光頂施工時的機械荷載，故無法使用大型吊車在裙房頂部進行鋼結構吊裝作業。

(2)因前期塔樓與裙樓的土建工程施工需要，現場已設置有3臺ST70/30塔吊，臂長70.00 m，可供此次吊裝使用。經測算，現有塔吊距擬施工的采光頂距離為33.13～67.39 m。現場塔吊布置情況見圖2。

圖2 施工現場塔吊布置平面(單位：m)

(3)現場場地極為狹窄，無條件布置鋼構件加工場和拼裝場。

2.3 施工難點

(1)為增加采光頂下部樓層的采光效果，設計部門對采光頂下部的樓板進行了開洞設計，這為采光頂施工時內部搭設支撐體系帶來較大難度。

(2)采光頂跨度大、建筑高度高，大型構件吊裝時容易出現撓度變形。有效解決吊裝過程中的構件變形問題，也是本工程施工的一個難點。

(3)構件數量較多、配件品種多樣，安裝時容易因位置混淆而導致安裝出錯，給現場組織和技術管理帶來一定的難度[2]。

3 施工方案比選

大跨度空間網殼結構常用的安裝方法隨拼接方式和安裝機具的不同，主要有高空散裝法、分塊安裝法、滑移法、整體吊裝法和整體頂升法等[3]。

本工程通過對網殼結構采光頂的建筑結構特性、現場施工條件、起重設備性能、場地綜合布置及工期質量要求等情況進行分析，可采用的施工方法有高空散裝法和分塊安裝法。對兩種方法從技術性和經濟性等方面進行對比(見表1)，分塊安裝法具有安裝誤差小、速度快、質量高、費用適中的優勢，因此最終安裝方案采用分塊安裝法[4]。

表1 高空散裝法與分塊安裝法方案對比

4 施工關鍵技術

為更好地闡述網殼結構采光頂的分塊安裝過程，選擇現場吊裝條件最不利的4號采光頂為例，進行施工方案及工藝的重點說明。4號采光頂為橢圓形，長軸直徑23.20 m、短軸直徑16.40 m，矢高6.00 m，其建筑剖面見圖3，三維模型見圖4。

圖3 建筑剖面(高程單位：m；長度單位：mm)

4.1 結構分塊

現場3號塔吊型號為ST70/30，臂長70.00 m，距4號采光頂最遠起吊半徑為67.39 m。根據塔吊性能參數，ST70/30塔吊在起吊半徑70.00 m處起重能力為3.00 t。

4號采光頂結構重量17.60 t，根據現場塔吊的布置條件和起吊能力，將采光頂環向斷開，沿徑向分為8塊(見圖5)，單塊構件平均重量2.20 t，其中最大單塊構件重量為2.40 t，最小單塊構件重量為2.10 t，均小于3.00 t，滿足正常的起吊條件。

圖4 三維模型

圖5 采光頂結構分塊示意

通過對采光頂進行合理分塊，使每塊結構的面積及重量減少，可以減少吊裝過程產生的扭曲變形，大幅降低安裝難度，從而提高安裝效率[5]。

為保證安裝的空間精度，建立4號網殼結構采光頂的BIM模型，取得各節點的空間坐標。根據坐標定位分塊起吊各構件，完成采光頂的整體拼裝[6]。

4.2 臨時支撐體系設計

分塊結構吊裝時，一端承重支點在采光頂四周的反梁結構上，另一端承重支點在中間設置的臨時支撐體系上。

(1)臨時支撐體系組成

臨時支撐體系由三部分組成，即基礎底座、中心格構柱、頂部操作平臺。其中中心格構柱采用塔吊塔身標準節，通過改造塔吊塔身爬升節，利用塔身自行升降的方式進行搭設[7]，周邊用纜風繩加固，使其滿足采光頂分塊吊裝需要。臨時支撐體系設計見圖6。

(2)基礎底座處理

根據支撐體系的承重荷載及自身荷載，結合下部結構實際情況，臨時支撐體系基礎底座采用630型工字鋼交叉布置，其頂端通過預埋件與下部結構主梁或柱連接，將力充分傳遞到下層結構的柱頭上。

臨時支撐搭設前，需對基礎底座及下部結構構件的剛度、承載力及穩定性進行驗算，確保能完全承受上部采光頂施工過程中的所有荷載。

圖6 臨時支撐體系布置

4.3 構件分塊吊裝

采光頂分塊構件采用塔吊安裝，安裝順序為間隔對稱安裝。第一步，先對稱安裝一組分塊構件，進行初步連接。第二步，在垂直方向再對稱安裝一組分塊構件。對安裝好的4片分塊構件進行整體連接，由此與中間圓環形成一個未閉合的殼體結構，有利于協同受力(見圖7)。第三步，將剩余4片分塊構件依次進行間隔對稱安裝，全部安裝焊接完成后，即可拆除臨時支撐體系。

圖7 采光頂分塊吊裝示意

在吊裝過程中，為解決大型構件在安裝過程中產生的變形問題，利用Midas有限元分析軟件對結構吊裝過程受力進行計算機仿真分析。分析構件在起吊后的剛度是否滿足變形要求，如不滿足，則需對吊裝受力點進行加固處理[8]，確保施工完成后結構變形控制在設計和規范允許范圍內。

4.4 施工平臺搭建

采光頂在吊裝焊接過程以及后續的防腐防火噴涂、玻璃安裝等工藝環節均需為工人提供作業平臺。為節約施工空間、縮短施工周期、提高施工效率，本工程采光頂的施工作業平臺采用索網軟平臺，僅利用頂層結構進行平臺搭設，便于該區域下部空間各專業施工穿插進行[9]。

利用采光頂周邊反梁結構的螺栓孔，縱向設置φ12@600 mm鋼絲繩，橫向設置φ12@1 200 mm鋼絲繩，并用手拉葫蘆張拉固定，使縱橫交錯的鋼絲繩形成牢固穩定的網格狀軟平臺；在軟平臺上滿鋪40 mm厚木板＋15 mm厚木模板，有效固定后，在木模板上設置活動腳手架作為采光頂焊接的施工平臺，見圖8。

圖8 采光頂施工索網軟平臺

4.5 構件整體焊接

(1)實施焊接前，根據構件接頭形式、坡口形狀、尺寸及其允許偏差等相關要求，進行焊接工藝評定，并制定焊接工藝文件用于指導現場焊接施工[10]。

(2)焊接作業人員進場后先進行持證查驗，并做崗前專業安全技術培訓，經考核通過后，再安排上崗進行焊接作業。

(3)本工程采光頂采用輕鋼結構構件，材質為Q345B。焊接采用CO2氣體保護焊，使用與材質配套的藥芯焊絲，以保證焊接質量和減少焊縫清根。

(4)為保證焊接應力能得到有效控制，本工程采光頂焊接順序由中間向四周進行，使得焊接殘余應力能在自由端釋放[11-12]。

(5)焊接過程中，從焊接的材質、環境、設備、參數、工藝、順序、速度等方面嚴格把控，確保最終的焊縫質量和外觀質量。

5 質量及安全控制要點

5.1 質量控制要點

(1)施工技術人員進場后，先進行專業培訓并接受技術交底，焊工等特種作業人員必須持證上崗。

(2)所有材料和設備進場后必須進行檢驗，檢驗合格后方可在工程中使用。

(3)加工構件運至現場后，要對構件的材質、型號、編號、尺寸、外觀及質量證明文件進行重點檢查及確認。

(4)嚴格構件安裝過程中的工序管理，做到檢查上工序、保證本工序、服務下工序。

(5)加強構件安裝過程中的監控測量，尤其對于構件的角度偏差、高程偏差以及平面位置偏差和撓度變形進行重點控制，確保偏差在設計和規范允許范圍內。

5.2 安全控制要點

(1)施工前，全面檢查現場施工環境、起重設備、支撐體系、操作平臺及高空安全防護措施等，在確認滿足安全施工需要后，再進行具體施工作業。

(2)吊裝作業前，預先在施工現場設置安全警戒標示，并由專人防護，非施工人員嚴禁入內。

(3)如遇大雨、大霧及六級(含六級)以上大風時，立即停止現場一切吊裝作業。

(4)在吊裝過程中，由專人進行統一指揮，現場參建人員根據分工職責，做到信號傳遞迅速、準確，現場井然有序，操作協調高效。

(5)構件吊裝固定且確定連接安全可靠后，才可拆除臨時固定工具并進行下一步作業。

6 結束語

蘭州新區瑞玲國際商業廣場殼體結構采光頂縱橫跨度大，且下方無主體結構，如何選擇合適的施工方法直接決定了項目管理目標能否順利實現。在方案制定過程中，結合以往類似工程經驗，通過反復比選和論證，最終確定采用“地面分塊拼裝＋高空精確吊裝”的分塊安裝技術，解決了采光頂的施工技術難題，并在施工條件受限的情況下，通過搭設臨時支撐體系及空中索網軟平臺，節約了施工空間，節省了大量臨時性措施和人工投入，降低了施工成本，最終圓滿完成任務。