復雜多曲面現代木結構屋面系統施工技術*

孫曉陽，于健偉，邊 輝，舒 松，湯 敏

(中國建筑第八工程局有限公司總承包公司，上海 201204)

1 工程概況

江蘇園博園麗笙酒店項目位于城市精品展園區，通過鋼、索、木的綜合運用形成了多曲面、大跨度、大懸挑的復雜建筑造型，是國內規模最大、最復雜的現代膠合木結構(見圖1)。結構形式為鋼框架+索結構+木結構屋面，其中屋面主要木材為膠合木，為國內最大的膠合木屋面。總建筑面積約3.5萬m2，北樓地下1層，地上3層；南樓地上4層,建筑高度18m，其中頂層高度4.5m，吊頂設計凈高度2.7m。屋面工程難點包括弧形鋼梁跨度大、曲率變化復雜、精度要求高，曲面膠合木工藝復雜，制作、安裝難度大；大跨拉索曲面造型找形難，屋面與墻板及吊頂構造復雜；雙曲鋼梁木飾面包覆難度大。施工中，通過研發與攻關，形成了復雜多曲面現代木結構屋面系統施工技術，并在工程中得到成功應用，取得了較好的經濟和社會效益。

2 關鍵技術

1)采用三維仿真建模、分段整體放樣、工廠數控加工技術，實現復雜曲面鋼梁工廠化預制、現場裝配式施工，減少高空拼裝、焊接，提高了安裝精度和吊裝效率。

2)采用RHINO+GH參數化設計+TEKLA深化、機器臂切削打孔、分層拼壓制作等技術，實現了多曲面膠合木檁條工業化制作、智能化建造，提高了安裝效率。

3)采用木檁條端部設置配重鋼片構造、木檁條與拉索夾具連接做法，解決拉索跨度大、木檁條自重小、屋面造型不穩定問題，構造及節點安裝快捷，提高了整體穩定性，保證了屋面造型質量。

4)采用膠合木分層拼壓制作、分段拼裝技術，通過多段木構疊加，螺栓及銷釘連接固定，解決了雙曲鋼梁木飾面包覆安裝難題，實現整體木飾面包覆效果。

5)采用鍍鋅鋼板與方鋼管轉換連接技術，減少了板材開槽、開洞，提高了節點區板材完整性和保溫隔熱性能，解決了復雜曲面梁與輕質墻板、吊頂構造難題。

6)屋面木檁條大量采用高強質量比膠合木，不僅提高了木材利用率、節約木材，而且可降解，綠色環保。

3 施工工藝

3.1 曲面鋼梁BIM三維建模設計、分段制作

采用TEKLA三維建模和立體坐標系出圖(見圖2)，為工廠制作及現場安裝提供數據支持。對跨度大、截面復雜、高空拼裝難的多曲面鋼梁進行分段，通過分段整體放樣胎架的方法，完成工廠預制，如圖3所示。

圖2 三維模型

圖3 分段整體放樣胎架制作法

3.2 曲面梁胎架支撐高空拼裝

現場采用胎架支撐高空拼裝，整體結構空間曲度變化較大，通過全站儀對空中控制點進行定位。立體胎架與構件同步施工，且汽車式起重機交叉配合施工作業，保證安裝精度，如圖4所示。

圖4 胎架支撐高空拼裝定位

3.3 膠合木分層拼壓制作分段安裝

1)采用RHINO-GH-TEKLA設計、深化，前端對接建筑師方案模型，后端對接工廠制造構件，通過參數化軟件Grasshopper 將三維模型構件轉化為二維加工圖，減少重復工作。

2)通過參數化編程生成木構件加工程序，控制機械臂切割、打孔、銑削、開槽等一系列動作，取代人工讀圖和放線的傳統生產過程，提高加工效率和準確性。

3)膠合木檁條采用曲線造型，分段多，連接節點復雜，安裝數量大。為方便施工，采用鋼板過渡的連接節點構造，將木梁與鋼梁鉸接連接。節點區打孔開槽均由工廠機器人預制完成。

4)吊裝檁條前，預先采用雙頭螺栓安裝好角鋼連接件，采用兩點起吊方式吊至鋼梁，按編號依次安裝，定位好后先點焊兩端連接件，無偏差后整體滿焊。木檁條吊裝與連接構造如圖5所示。

圖5 木檁條吊裝與連接構造

3.4 曲面屋面木檁條及索結構安裝

1)曲面屋面木檁條在索結構處，一端固定在鋼梁上，一端與索結構連接。拉索未張拉前采用滿堂腳手架作為木檁條端部臨時支撐，腳手架設計尺寸及構造應符合規范要求，單點受力荷載應小于腳手架立柱承載力。

2)木檁條與拉索連接，通過索夾扣住拉索，木檁條初步定位后，索夾與木梁預裝鋼板焊接固定。木檁條與拉索連接節點如圖6所示。

圖6 木檁條與拉索連接節點

3)膠合木檁條自重小，拉索張拉后曲面造型易受擾動，通過設置鋼片配重，提高屋面整體穩定性，調整多曲面屋面造型。木檁條端部配重構造如圖7所示。

圖7 木檁條端部配重構造

4)索夾將木檁條與索可靠連接后，通過液壓千斤頂定量張拉完成索結構張拉承載。由設計提供恒荷載、活荷載、風荷載及預應力等工況下拉索內力和木檁條變形理論值推算出油壓表值作為張拉控制參數。現場按照油壓表讀數精確控制張拉力，按設計要求逐級加載。

5)拉索張拉過程中及張拉結束后，通過多個控制點實時檢測木檁條位移值，確保張拉過程安全可控。屋面監測整體穩定后，逐步拆除腳手架。鋼絞線拉索如圖8所示。

圖8 鋼絞線拉索

3.5 雙曲鋼梁木飾面分層拼壓，分段疊加安裝

1)膠合木飾條根據曲線造型分段，由30mm厚或其他標準板厚膠合木拼壓制作而成，端部打孔開槽均由工廠機器人完成。

2)鍍鋅鋼管作為支撐龍骨與多曲面鋼柱進行焊接，膠合木飾條采用自攻螺釘連接固定在龍骨上，通過多段木構疊加，達到整體木飾面包覆的建筑效果。雙曲鋼梁木飾面安裝節點構造如圖9所示。

圖9 雙曲鋼梁木飾面安裝節點構造

3.6 屋面與ALC板及吊頂連接

1)曲面膠合木結構中，因屋面梁底弧度和曲率皆不同，導致ALC板及裝飾吊頂轉換層標高變化復雜。通過設計平面鋼管桁架轉換層，將吊頂龍骨由連接于木結構轉換至同一標高轉換層。膠合木結構吊頂轉換層連接構造如圖10所示。

圖10 膠合木結構吊頂轉換層連接構造

2)吊頂轉換層通過ALC板頂部連接構造形成整體，上部連接構造采用鍍鋅鐵板、鍍鋅方鋼、U形鍍鋅鐵板卡口組成的連接構造焊接固定。

3.7 OSB板面板及防水卷材安裝

1)第1層OSB板安裝。OSB板安裝采用麻花釘固定在木檁條上。

2)屋面格柵垂直于屋面OSB板安裝，采用鋼釘固定,格柵安裝完成后，在格柵內鋪設保溫巖棉，采用雙面膠帶和夾具固定。

3)第2層OSB板同第1層OSB板安裝。

4)第1道改性瀝青防水卷材采用熱熔施工法鋪貼，鋪貼前清理基層，防腐木順水條沿屋面縱向采用水泥鋼釘固定，2排順水條間距及固定鋼釘間距應符合設計要求。

5)順水條鋪設完成后，鋪設第2道改性瀝青防水卷材。工藝同第1道防水卷材。

3.8 防腐木掛瓦條及頁巖瓦安裝

1)防腐木掛瓦條安裝。安裝掛瓦條時，應采用水泥鋼釘固定在順水條上，掛瓦條與每根順水條相交處采用鋼釘固定。掛瓦條應安裝平整、牢固，接頭應對齊成直線，上、下排之間要錯開。

2)屋面頁巖瓦安裝。從屋檐右下角開始鋪設頁巖瓦，自右向左排列，至鋪滿第1排，注意左右兩端瓦片位置，必須安裝在瓦楞突起部位，否則應重新排列瓦片。鋪設第2排瓦片時，將瓦片與第1排瓦片交錯搭接，使整個屋面更牢固，防水更有效。

3)利用鍍鋅鋼釘或鍍鋅鐵絲將瓦片固定在掛瓦條上。從邊緣至屋脊，每10片瓦片的距離固定1次，保證瓦片邊緣連接成1條直線。

3.9 清理檢查

拆除腳手架前，對有污染、破損的屋面表面進行清理，對破損的頁巖瓦、脫落的螺栓等及時清理更換。拆架時，應注意安全和成品保護，不得隨意踩踏頁巖瓦，避免再次損壞。

4 質量控制要點

1)材料和設備進場時，必須嚴格把好材料驗收關。驗收各類進場材料品牌、型號、規格、色澤、質量和數量。

2)特殊工種上崗人員，必須持證上崗，持證應真實有效，并檢驗審定。

3)為確保分段拼裝的曲面鋼梁與屋面結構連接可靠，應嚴格按圖施工。

4)焊接時應選用合理的焊接順序，減少焊接應力和變形。焊接工藝應符合GB 50661—2011《鋼結構焊接規范》規定，并經評定、試焊后確定。

5)木檁條安裝過程中，應采取適當的運輸和施工機具，避免構件損壞。

6)索結構張拉施工應注意變形監測，嚴格按張拉控制方案執行，在拉索屋面監測穩定后再逐步拆除腳手架。

7)輕質墻板、屋面板安裝完畢后，應注意成品保護，嚴禁撞擊與磕碰，不得靠近所有可能損壞板材的危險器物。

8)利用液化氣或汽油噴燈加熱基層和卷材底面，應注意調節火焰大小，熔化卷材表面瀝青。

9)頁巖瓦應按順序鋪設，瓦面應平整、無縫隙，瓦片邊緣應成線對齊。脊瓦應搭接正確，間距均勻，封固嚴密。

10)吊頂轉換層方鋼管轉換連接節點應焊接牢固、安全可靠，現場焊接后應做防火、防銹處理。

5 結語

現代木結構建筑通過工業化、標準化工藝制作、安裝及林木產業良性循環，發揮了木材低碳環保優勢，避開了傳統木結構原材供應有限、質量不穩定等缺點，又可結合鋼、混凝土等高強度材料，滿足現代建筑不斷增加的高度、跨度和造型需求，同時提供舒適耐久、節能保溫、結構安全的高品質建筑產品，具有廣泛的發展應用前景。