云报传媒广场建设项目 空间双曲网壳结构施工技术研究与应用

 

 

图1：建筑外形效果

 

图2：网壳结构内部效果

 

图3：网壳结构构件效果

1.2项目研究的意义

 

“马鞍”形网壳结构有杆件截面大、跨度大、杆件相贯焊接节点复杂、玻璃尺寸大形状不规则、中空彩釉玻璃加工难度大等特点。“马鞍”网壳结构使用很少，再加上本项目“马鞍”形网壳的特殊位置，无可借鉴的经验，是一大难题。本项目从图纸深化、材料加工生产、构件吊装施工等全过程进行研究，形成一套完整的施工方法，希望对公司类似项目实施提供参考利用价值。

图4：网壳结构设置位置剖面

2.项目研究的内容及研究目标

2.1项目研究的内容

2.1.1双曲面空间结构腹杆分格优化

网壳结构外形为“马鞍”结构，具有整体结构稳定性好，曲面效果美观。但整个网壳面为马鞍形状，极不规则，所有杆件尺寸、弧度均不统一，。

2.1.2双曲面空间结构管件加工

杆件节点为相贯焊接，每个节点都必须单独放样切相贯口，每个相贯口均不一样，网壳结构外形为“马鞍背”结构，具有整体结构稳定性好，曲面效果美观的特点。但整个网壳面极不规则，所有杆件尺寸、弧度均不统一，需要在满足结构受力的情况下对腹杆分格进行优化，将每一个网格的曲面度降低至最小，降低施工的难度。

2.1.3大规格杆件吊装及相贯节点焊接

网壳横向跨度为22米，纵向跨度为52米，高16.25米，重量达到300吨。最大杆件为长21m直径426mm弧形圆管，重量达5.7吨。网壳结构位于东西楼中间裙房上，裙房为一层5.4m层高，两端楼板均延续至网壳结构以外约20m，裙房楼板上不能承重较大吊车，网壳吊装作业困难。杆件有多种规格，最大管径为426，最小管径为219，存在大量的曲面相贯接口、大小杆件相贯接口。各种相贯接口焊接难度大。

2.1.4结构定位与变形控制

网壳结构在深化设计过程中每个节点都有一个定位坐标，施工中必须严格按照坐标定位进行控制，在吊装焊接过程中应预先考虑各杆件施工完成后结构变形量的影响，确保施工完成后节点能在设计位置。

2.1.5玻璃加工及安装

网壳结构玻璃为中空、彩釉形状不规则的四边形，每一块玻璃与现场网格一一对应，且正背面区分加工及安装。玻璃工厂在玻璃切割、镀釉、装框、打胶及现场安装等过程均需一一对应，施工繁琐。

2.2项目研究的目标

通过对整个网壳结构施工过程的研究，解决本项目网壳结构的施工难题，完成施工内容，并总结施工过程，对今后类似施工项目取到参考作用。

 

3、项目技术详细技术内容

3.1设计模型建立及优化

本项目采用SAP2000有限元杆件分析软件，在进行常规强度分析、位移变形分析的同时也进行了屈曲稳定分析。确保单层薄壳结构的安全。

通过犀牛软件找形分析，进行剖分，并通过插件进行翘曲分析。

（1）运用Rhino软件对网壳结构进行玻璃分格

网壳结构呈“马鞍”形状，如果按照平均布置杆件进行玻璃分格，大部分玻璃为大弯曲度曲面，中空玻璃制作成曲面难度巨大，成本高，精度不易控制，需要调整分格杆件，最大限度的减少曲面玻璃的数量，减少曲面弯曲度。项目利用Rhino软件建模对分格杆件进行分析调整，采用软件对各种分格情况下每块玻璃的表面平整度进行分析，调整出合适的分格方案，既不影响结构整体效果，又方便施工。如下图所示调整前后玻璃分格弯曲度分析对比。

如图5所示为均匀分格玻璃时的玻璃弯曲度分析图，按照原设计图分格定位进行建模得到图5所示模型，利用软件弯曲度分析可以看出大部分玻璃弯曲度较大，参照着弯曲度颜色变化，直接通过模型直接进行分格调整，最大限度的减少玻璃弯曲度，得到图6所示模型，可以看出玻璃弯曲度整体得到减少，多数基本为平面玻璃，整个“马鞍背”玻璃顶形状没有改变。然后在按照优化调整后的分格杆件定位调整施工图纸。施工过程中也可以按照此三维模型直接进行放线定位。

图5  优化前玻璃弯曲分析（颜色绿、黄、橙代表弯曲程度逐渐加大）

图6 优化后玻璃弯曲分析

3.2杆件构件放样加工

通过SAP2000有限元和Rhino软件对网壳结构进行玻璃分格深化后，项目共计517根杆件，杆件之间为相贯焊接，大部分杆件均不相同，存在不同程度的弯曲，与不同的杆件进行相贯连接。几乎每根管件的相贯口都不一样，无法进行精确的人工放样切割。项目采用3D3S进行建模，根据三维实体模型直接生成结构加工详图，通过数控机床在工厂直接进行弯曲成型及相贯口切割，并进行编号后，运输现场焊接完成，确保施工精度。

图7 采用3D3S完成模型放样

3.3杆件吊装焊接

根据各种规格的杆件相贯后产生的接口形状，加工成形后运输至现场，进行吊装安装焊接。杆件吊装施工顺序为：支撑脚手架搭设→下旋杆吊装定位→端头人形主杆吊装定位→屋脊弦杆吊装定位→中部人形主杆吊装定位→所有主杆件定位校核→所有主杆件相贯接头焊接→腹杆吊装定位→所有杆件定位校核→所有腹杆相贯节点焊接→卸载。

 

图8 杆件弯曲成型及切割相贯口后运输至现场焊接

 

图9 主杆件焊接完成

3.4结构支撑及卸载

网壳结构为现场散拼焊接而成，构件重量大，变形量累计增加，为使结构整体受力均衡，施工过程中需要对构件进行支撑，使之先不受力，待整体吊装、焊接完成后再进行整体卸载，使整个网壳结构均匀受力。

 

施工过程中需要进行加固的结构主要有两部分，箱形梁及下弦杆，屋脊弦杆。箱型梁及下弦杆位于结构两侧面，高度为6m以下，杆件下方不在吊车行走路线上，采用钢管扣件脚手架进行支撑。屋脊弦杆高度为16.25m，吊车需要在弦杆下进行吊装，不能采用钢管脚手架进行支撑。项目采用型钢焊接钢框架柱对屋脊弦杆进行支撑加固，保证屋脊下空间吊车能正常进行杆件及玻璃吊装。

图10：网壳结构构件支撑

卸载遵循“变形协调、卸载均衡、中间向四周、中心对称”的原则，否则有可能造成临时支撑超载失稳，或者网壳结构局部甚至整体受损。根据以上卸载原则，采用“整体分段逐步”卸载法。把整个网壳在卸载过程中按一个整体考虑，在结构主要节点设置千斤顶换撑支撑点，在整体卸载考虑的前提下，为了确保卸载过程中各点受力均衡性，根据结构自身特性，采用以“支撑点”为单位，逐段卸载。通过调节点支承装置(千斤顶)，经多次循环微量下降来实现荷载转移。每一段卸载时，要根据千斤顶设计下降高度，分若干个卸载步骤，每次在规定时间内缓缓下降千斤顶卸载。

根据结构实际形状，考虑结构变形协调，对每步，计划采用以下卸载段划分方法，第一卸载段：第12、13、14点；第二卸载段：第1、15点；第三卸载段：第2、16点；第四卸载段：第3、17点；第五卸载段：第4、18点；第六卸载段：第5、19点；第七卸载段：第6、20点；第八卸载段：第7、21点；第九卸载段：第8、22点；第十卸载段：第9、23点；第十一卸载段：第10、24点；第十二卸载段：第11、25点；自中心节点到支撑点之间，包括中心节点，共设了12个卸载段，卸载时钢网壳底部临时支撑点用千斤顶支顶。卸载点分部如下图：

图11：卸载监控点布置

 

3.5玻璃加工及现场吊装

网壳结构玻璃每块均为形状不规则的四边形，由于结构杆件施工过程中存在不可预见的变形，因此需要在结构卸载后，现场进行测量放样，按照现场放样进行工厂加工，由于每块玻璃形状各异的特点，大大减少了玻璃加工的机械化，需要进行人工标记及选样，对每块玻璃进行一一对应的加工，在玻璃釉点施工过程中，为确保玻璃釉点的对称性，需进行人工调整玻璃的位置，确保玻璃安装后釉点整齐。

网壳结构在吊装过程中，在安装操作面以下逐层从满堂脚手架中延申出操作防护通道，确保吊装过程中施工安全。

图11：玻璃吊装

4、主要创新点

创新点一：

 

原设计的结构网格剖分在四边形网格基础上进行，并未考虑到构件围合的四边形为空间四边形，造成大量需采用曲面玻璃。为减低造价，尽量采用平面玻璃，减少剖分出的空间四边形的翘曲率。在兼顾受力合理和空间找形分析，使剖分出的四边形大小合适，并尽可能在同一平面内，最大异面翘曲值控制在2cm以内。最终达到节省投资，同时也很好地满足了建筑效果。

图12：曲面优化模型

创新点二：采用多种空间模型分析软件进行建模放样分析，对材料构件进行精确放样，在工厂内进行弯曲成型和切相贯口，编号后再运输至现场吊装，减少现场安装的复杂性。

创新点三：杆件采用钢管脚手架结合钢柱支撑的方式进行，预留处吊车行走路线，吊装过程采用小型吊车进行移动吊，减少吊装设备的成本投入。

创新点四：吊装过程采用散拼，卸载过程采用整体分段卸载，使整个网架结构整体卸载，均匀受力。

 

5、与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

本项目的深化施工设计采用结构分析与结构找形分析并行的方式。设计分析工作量巨大，必选过程繁琐。不断地在SAP和犀牛软件间徘徊，寻找结构合理可行的基础上的造价最优，并实现效果。

主要的工作思路是通过不同部位的基线作为起点，设计剖分原则后进行外延剖分，找出不同方向、不同基线的剖分差异。通过分析后寻找合理的点再进行拟合拼接。在国内同类工程中，采用综合分析的方式和手段属于领先地位。

6、经济和社会效益情况

经济效益：利用BIM技术的精确定位，在工厂进行构件加工，采用现场散拼焊接技术，结合钢柱支撑方法，减小吊车选用型号，提高吊车的吊装效率。

社会效益：网壳结构通过以上方案的选择及优化，节省大量的施工时间，并最大程度的节省人、材、机，做到绿色施工。利用BIM技术进行深化设计及施工精准控制，推广新技术应用。

7、研究成果（专利、工法、论文、标准、著作等）

本项目通过解决特殊网壳结构施工难题，总结形成技术成果，供今后类似项目借鉴使用。

针对项目的特点及难点，项目尝试采用BIM技术，利用多种三维建模及分析软件结合施工现场实际，有效的解决多项技术难题，简化施工过程。形成的BIM成果，参加中国建筑业协会BIM大赛，获得全国BIM大赛二等奖。

 

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