空间多向曲面网壳结构综合施工技术

空间多向曲面网壳结构综合施工技术

何双红¹ ，房大伟²，唐坤³，曹刚⁴

（陕西建工第十建设集团有限公司，陕西 723000）

[摘要]：   空间多向曲面的网壳结构中的多个曲面钢结构安装采用模块化精准定位法，优化构件尺寸及端面焊接角度，通过阶梯型操作平台，完美实现各构件的流线性组拼。玻璃面板安装利用弧形调节件，精准调整顶面玻璃板块安装角度，最终实现多曲面的最佳效果。

关键词：多曲面网壳；模块化；焊接角度；弧形调节件

引言

网壳结构是以穹顶结构为设计理念而衍生的一种空间杆系结构，系以杆件为基础，依据壳体结构布置，有规律的组成空间网格，形成了空间构架，其造型优美，线条流畅，能够完美的解决大跨度空间的复杂结构造型，在工程得到了更多的应用，通过对整体稳定性、铰支座的精准计算，达到结构的安装可靠性，施工过程中需依据受力特点进行模块式组装，减少误差，最终实现了结构完美安装。

1.项目概况

杨凌自贸大厦项目位于杨凌CBD区，是政务办公服务中心和跨国涉农企业办事公共资源服务中心，也是一座打造“一带一路”的现代农业国际合作中心。项目总建筑面积约83606㎡，分塔楼和裙楼两部分，塔楼24层，裙楼5层，外立面为弧形玻璃幕墙结构，裙楼大厅屋面采用了空间双向曲面结构，曲面围绕主楼流线型布置，各曲面呈L型排布，高低错落，如同盛开的花瓣，多向采光，实现了绿色节能与造型的完美融合。

2.项目特点

空间多向曲面单层钢网壳结构的边缘由多段不规则弧形组成，最大跨度为35m，最高点高度为22m，建筑投影面积约1960㎡。该结构造型由边缘梁和钢箱体组件组拼而成，形成高低不等的多向曲面造型。

图2-1 建筑全景图

图2-2   空间多向曲面分析图

3.结构参数

边缘混凝土结构梁外边缘24个固定铰支座，内边缘12个双向滑动铰支座，网壳钢构件通过支座与结构梁连接。网壳边缘线型构件由弧线段钢圈梁和两端直线段钢圈梁组成。

注：ZZ-1为固定铰支座   ZZ-2为滑动支座

图3-1   支座布置图

（1）边缘弧线段：800×400×40mm直线型钢箱梁，长度不等与结构通过铰支座铰接；

（2）直线段：480×220×22mm钢箱梁，长度不等，悬挑状态；

（3）网壳内部：三角型焊接组拼，350×120×12mm、350×120×14mm钢箱梁。

（4）曲面杆件组拼节点的标高如下表：

表3-1各项曲面参数表

4.主要施工技术特点

（1）网壳结构杆件优化设计。应用Tekla等专用钢结构建模软件，确定箱梁杆件长度为1.3～1.8m，共计2063根杆件，1079个节点；依据弧度要求，各箱梁杆件两个断面采用不同角度的坡口设计，并确保焊接后在一个平面上。

（2）应用BIM技术，明确杆件长度和坡口角度，绘制施工图，杆件是非标尺寸的钢箱体，经钢材厂和专业加工厂加工。采用相贯线切割加工工艺，进行坡口切割，经防锈底漆处理，依据标高进行编号运至现场。

（3）根据网架结构特点为多项曲面结构，采取了高空散拼逐个曲面安装。

5.网壳安装

（1）跤支座及调平板安装

    主体施工时预埋的铰支座锚板。为减少误差，锚板上加装600×600×100mm厚调平钢板，板上留置9个孔径40mm孔洞，便于电弧焊融透填塞焊与原预埋锚板焊接，焊缝高度不小于板厚。裙楼24个固定铰支座，塔楼部12个双向滑动铰支座与调平板焊接连接。

（2）圈梁安装

钢圈梁长度约1.8m箱体，内部按间距200mm设竖向14mm厚加劲肋。边缘圈梁与铰支座之间设置微调板，调节圈梁的标高，保证圈梁的标高统一。圈梁施工时，应从一端向另一端依次顺序连接，且同一钢梁不能两端同时焊接，防止钢梁因焊接产生的温度应力而变形。由于钢圈梁与结构完成面间距较小，底部焊缝无法施工，采取在钢圈梁的顶部端头预留300×300的临时洞口，待底部焊缝施工完成并焊缝检测合格进行封洞处理。

（3）搭设操作平台

根据工程特点，钢网架采用高空散拼安装，网架下搭设加强型钢管满堂落地脚手架。按网架体量，分为三个曲面施工区域。操作平台搭设高度依据各区的三维坐标点呈阶梯型搭设，立杆纵横间距0.9吗，按加强型布设剪刀撑。每层架体立管距离钢构件下口预留30-50cm空间，作为钢构件安装时的操作空间。操作平台承载能力为200—250kg/㎡，可用于临时堆放少量钢构件和施工作业人员操作。

（4）杆件安装

杆件安装依据曲面区域进行，先主梁后次梁进行逐个区域组拼安装。施工前，将相对坐标引至操作平台上进行标记，杆件焊接施工时再使用经纬仪按此坐标点所对应的垂直高度进行定位，用架管做临时支撑。

由于网架为曲面构造，按照深化图纸起拱点设置在节点处。根据曲面分区，先施工主梁，待主梁对接焊缝检测合格后，再进行次梁的施工。施工时，依次曲面一—曲面二—曲面三。   每个曲面的安装顺序应根据网架结构的类型、受力和构造特点、施工现场情况等因素综合确定。拼装顺序应能保证拼装的精度和减少累计误差。焊接节点采用架管临时支撑，支承点布置可按网壳曲面划分区域的安装顺序进行，临时支承点布置应均匀，保证刚度和稳定性。支承支架的接头变形、弹性压缩等因素引起的总沉降控制在5mm以下。节点焊接逐榀焊接，逐榀检查复核标高、挠度、节点偏移量，及时纠偏，减少误差累积。

3）网架安装的误差控制

由于钢网架采用钢管脚手架操作平台进行网架安装，在每安装完一格网架需要进行一次测量，钢网架的安装过程中必须时刻测量和控制钢网架的安装误差，一旦有变形位移超出控制范围的必须立即进行纠正。每次钢网架安装完成后必须立即测量钢网架的挠度、整体尺寸、节点偏移等，并在下一区工作平台上安装的钢网架施工中进行调整，避免产生的累计误差过大。

钢网架安装完成后应依据《钢结构工程施工质量验收标准》 GB50205-2020中的要求进行检查，所有验收数据按规范中的允许偏差进行取值。

（5）钢梁焊接变形控制

钢梁在焊接过程中，焊接顺序应遵循先约束大后约束小部位，焊接方向一致、多层同顺序、两侧交替焊接、对称施焊等原则进行施工。在构件单元组合焊接时，要从中心向两侧进行对称焊接，分层焊接时要从同一方向焊接；构件高空拼装时多方向多处合拢焊缝的施焊，宜采用各接口轮流循环跳焊法，避免单个构件集中加热焊接，产生集中变形或轴线偏移；一个构件的两端不能同时施焊；为了减小杆件焊缝的残余应力，在焊接前，先对杆件进行预热处理，达到一定温度后，再进行焊接。

（6）杆件的防锈、防火

钢构件由厂家加工并进行防锈底漆处理后运输至现场，构件预留焊缝两侧30～50mm范围暂不做油漆处理，待现场施焊完毕后对焊缝进场质量检测，经认定满足设计要求的焊缝等级后再进行防火涂料施工。钢梁的耐火极限时间不小于1.5h，防火材料采用膨胀薄型防火涂料，厚度为2.1mm，满足结构耐火极限的要求。

6.网壳玻璃安装

依据各杆件的三角组拼形式在杆件上安装玻璃龙骨，利用杆件节点临时焊剂钢筋定位桩，保证节点四周的玻璃龙骨安装线条流畅。龙骨上安装半圆弧形底座，以便微调玻璃安装的角度，玻璃编号安装，调平后打胶密封并清理现场。

1）测量放线、定位。由于曲面造型比较复杂，无法按照常规的放线方式进行，经过研讨，结合采光顶节点实际情况，决定根据现场钢结构的中线作为玻璃分缝的主要依据。以各方向钢结构杆件的交叉点作为基准定位点，在点位上焊接定位钢筋作为玻璃龙骨安装位置的依据，防止采用传统弹线方法时，因墨线在防锈漆喷涂过程中被覆盖而无法施工。

2）龙骨安装。依据放线定位的玻璃分格线，进行龙骨安装。先安装弧形底座，实现角度调解，复核标高合格后安装龙骨，保证了龙骨按弧线排布。

图6-1支座安装节点

3）玻璃板块安装：龙骨安装调试验收合格后进行玻璃板块的安装。现场安装时，要先分清玻璃板块的标号，确定无误后再进行玻璃板块的调运安装，各小组在工作中做好相互配合和交底工作。每一个曲面分区在安装施工完成进行报验，合格后开始填缝打胶，待整个面板安装工作完成后打胶工作也基本完成。

7.结论

网壳结构造型优美，线条简洁，极致超薄，让人看得赏心悦目，备受广大设计师的青睐，如何深化网壳结构的精细度，精准施工，确保多曲面结构的安全稳定性和曲面弧度流畅及美观度，本文总结以下几点关键技术：

（1）BIM技术分析构建模型，优化杆件尺寸，端面坡口设计、焊缝角度；

（2）三角型组拼焊接，变化节点标高实现曲面效果；

（3）铰支座设置调平板和微调板保证圈梁的基准标高精准性；

（4）迎合曲面效果，设计阶梯型操作平台，施工更加便捷；

（5）玻璃龙骨半圆形底座设计，实现玻璃角度的微调，保证曲面玻璃的流畅性。

参考文献：

[1] 钢结构工程施工质量验收标：GB50205-2020[s],北京，中国计划出版社，2020.

[2] 建筑结构荷载规范：GB5009-2012[s],北京，中国建筑工业出版社，2012.

[3] 建筑施工安全检查标准：JGJ 59-2011，北京，中国建筑工业出版社，2011.

[4] 建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范：JGJ130-2011，北京，中国建筑工业出版社，2011.