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
发布时间:
2020-06-12
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 1.项目概况及研究意义 1.1项目设计概况 云报传媒广场建设项目总建筑面积120180㎡,项目合同预算4.75亿元,框架剪力墙结构,建筑分为1号楼东楼、1号楼西楼和2号楼。1号楼地下2层,地上23层,建筑高度99.9m;2号楼地下3层,地上9层,建筑高度37.9m。为云南省十二大重大文化基础设施建设项目之一,云南省文化事业重点建设工程。项目建成后将成为立足云南、面向南亚东南亚的一个新闻信息辐射中心。 为了响应1号楼孔雀翅膀,成就项目“孔雀开屏”的外形,设计在1号楼对称的东西塔中间放置了一个“马鞍”形网壳结构玻璃顶,作为孔雀头,巧妙的解决两楼之间采光通风受区位局限的影响,且“马鞍”形网壳结构放置在东西楼中间,能够规避网壳结构占用空间大的缺点,且晶莹剔透的玻璃顶起到整个大楼画龙点睛的作用,为本项目最大的设计亮点。 “马鞍”形网壳结构位于1号楼东楼、西楼中间裙楼上,底标高5.4m,顶部最高点标高21.65m,高16.25米,网壳横向跨度为22米,纵向跨度为52米,网壳上为全中空玻璃顶,网壳由主杆件规格为:ф426*16、ф377*16,腹杆件规格为:ф219*16、250*16,还有部分300*250*16的箱型柱、梁。所有杆件均为弧度不同的杆件组成,构件焊接节点形式为相贯焊接节点,单根构件最重为5.7吨,最轻为2.8吨,不含玻璃总重量达300吨。整个网壳结构落在四个抗震滑移支座上,两侧面各设有8个滑移支座,形成空间四边形网壳结构。网壳结构顶采用中空节能玻璃,玻璃镶嵌在网壳管件中间,所以玻璃均为形状不一的单独体,玻璃尺寸为3.5mX1.8左右,最大重量约400KG,共计600余块,玻璃采用彩釉玻璃调节阳光投射,达到节能的作用。 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。 ...

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
2.1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。
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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