大跨度弧形鋼梁+雙曲鈦鋅屋面施工技術(shù)

韓永偉

中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司站房工程項(xiàng)目管理部 北京 100068

1 施工背景概述

京張高鐵崇禮支線太子城站位于2022年北京冬奧會的主賽場地張家口市崇禮縣，距離張家口市50km，距離崇禮縣城15km，為冬奧會的配套工程，屆時將作為冬奧會的主要交通樞紐和頒獎儀式的背景建筑。車站設(shè)三臺四線，站房為線側(cè)下式小型站房，站房總建筑面積12000m2，為地下一層、地上一層、局部設(shè)置夾層，面寬222m，進(jìn)深27m，高度16.8m。地下一層建筑面積6000m2，為奧運(yùn)期間換乘中心兼臨時候車室，并設(shè)置鐵路文化展廳，兩側(cè)為臨時售票廳、旅客服務(wù)及相關(guān)設(shè)備用房，運(yùn)動員可通過進(jìn)站快速通道的樓扶梯到達(dá)地面層進(jìn)站；一層建筑面積4300m2，為普通旅客提供候車、進(jìn)站服務(wù)，候車廳兩側(cè)分別設(shè)置售票廳及設(shè)備用房；夾層建筑面積1700m2，為商務(wù)候車廳[1]。

太子城站是世界上首個直通奧運(yùn)賽場的高鐵站。車站設(shè)計充分尊重自然，盡可能保留自然景觀資源。站房建筑外形為月牙形雙曲落地，站臺雨棚以白色為主、基調(diào)與周邊山體和環(huán)境自然融合，附屬房屋屋面采用折板外形與周邊配套建筑彼此呼應(yīng)，讓“建筑融于山、建筑融于水”。鳥瞰太子城就像一塊鑲嵌于山中的美玉，又如一顆晶瑩剔透的明珠。站房設(shè)計寓意“無界共享”，主要體現(xiàn)建筑與自然、中西文化、奧林匹克精神的共存，詮釋了“百年京張、天地合德”的京張文化。充分體現(xiàn)了“暢通融合、綠色溫馨、經(jīng)濟(jì)藝術(shù)、智能便捷”的高鐵站房建設(shè)理念。

太子城站站房金屬屋面總建筑面積6270m2，車站采用雙曲弧線造型，曲線形式與周圍山勢相呼應(yīng)，雙曲屋面直接落地，建筑造型與周邊環(huán)境自然融合，減少對周邊環(huán)境的影響，充分尊重自然，體現(xiàn)山地建筑，綠色建筑特色，通過鋁鎂錳與鈦鋅屋面板的有效結(jié)合，利用材料自身的特點(diǎn)（耐久性、安全性、自潔性、環(huán)保性等），可有效地補(bǔ)充因當(dāng)?shù)貧夂蚝渌鶐淼牟蛔?；在后期維護(hù)時，因其不需要著色，灰色調(diào)貫穿整個建筑物的生命，自愈性強(qiáng)等特點(diǎn)，達(dá)到高效、經(jīng)濟(jì)、美觀等效果。

圖1 太子城站鳥瞰圖

屋面從中部逐漸向兩側(cè)端部對稱自然收斂，面層為鈦鋅復(fù)合裝飾板，在國內(nèi)高鐵站房是首次應(yīng)用。工程設(shè)計造型復(fù)雜，施工難度大，具有以下特點(diǎn)：①站房屋面鈦鋅板覆蓋面積6270m2，高大空間曲面4980塊面板外形尺寸均不相同，表面曲率各異，加工難度大，安裝精度要求高；②進(jìn)口鈦鋅面板復(fù)合加工工藝復(fù)雜；③鋼結(jié)構(gòu)主體施工誤差和變形對屋面三維坐標(biāo)控制影響大。

1.1 模型建立、方案先行

為保證雙曲鈦鋅屋面的順利實(shí)施，建立建筑信息BIM模型，借助BIM技術(shù)手段，通過對大跨度弧形梁、鉸支座等重要構(gòu)件深化設(shè)計，利用BIM技術(shù)進(jìn)行施工模擬，研究制定可行性施工方案，采用Revit和MagiCAD軟件，對有特殊要求的部位對管線進(jìn)行校核和碰撞試驗(yàn)，減少水、電、暖、通、消、FAS、BAS等多個專業(yè)在施工過程中的沖突，確保雙曲屋面板的整體空間效果及使用功能，通過采用國內(nèi)外比較先進(jìn)，技術(shù)成熟的直立鎖邊屋面系統(tǒng)，對屋面分格圖、節(jié)點(diǎn)大樣圖、剖示圖及施工加工圖深化節(jié)點(diǎn)設(shè)計，繪制出鈦鋅復(fù)合裝飾板外形準(zhǔn)確尺寸的加工圖，保證屋面板的加工尺寸標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 以栓代焊、精準(zhǔn)定位

利用Tekla軟件對大跨度弧形梁進(jìn)行整體建模，合理分段，采取超長弧形梁分段制作現(xiàn)場整體拼裝模式。每個分段對接口采用法蘭板加螺栓固定方式，制作時利用專用胎具對弧形梁弧度尺寸進(jìn)行精確控制?，F(xiàn)場拼裝利用專用胎具進(jìn)行，分段間用法蘭板臨時連接后，通過復(fù)核每段弧形梁兩端及跨中標(biāo)高、每兩段弧形梁和整體弧形梁下弦口弦長尺寸符合圖紙要求后，將螺栓緊固后焊接成整體?，F(xiàn)場分段組拼完成后，結(jié)合BIM技術(shù)進(jìn)行弧形梁受力計算，確定鋼結(jié)構(gòu)梁的合適吊點(diǎn)，利用大噸位吊車整體安裝，先將梁底部與鉸支座利用銷軸連接，以銷軸為軸，然后調(diào)整梁頂部標(biāo)高使其與鋼柱預(yù)留接口精確定位安裝，減少單根弧形梁焊接所帶來的弊端，縮短了工期[2]。

1.3 點(diǎn)云技術(shù)、精度控制

由于從主體鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架施工到屋面結(jié)構(gòu)做法的全過程施工質(zhì)量精度控制對最后的表層鈦鋅板的安裝精度影響很大，所以必須通過精準(zhǔn)的測量儀器對高大空間屋面的坐標(biāo)位置變化進(jìn)行有效掌控。應(yīng)用3D點(diǎn)云測量儀器及其配套軟件，結(jié)合激光測量和攝影測量原理得到點(diǎn)云，包括三維坐標(biāo)（XYZ）、激光反射強(qiáng)度（Intensity）和顏色信息（RGB）。在獲取車站站房屋面表面每個采樣點(diǎn)的空間坐標(biāo)后，得到的是一個點(diǎn)的集合，與之前應(yīng)用BIM建立的屋面模型進(jìn)行對照比較，從而可以修正在施工過程中各點(diǎn)具體實(shí)際位置的變化，以指導(dǎo)屋面鈦鋅板的測量放線、單元板加工、現(xiàn)場安裝等。使用智能3D點(diǎn)云測量掃描儀器，能夠快速準(zhǔn)確測量和形成實(shí)時建筑的三維坐標(biāo)，保證了施工測量和誤差控制精度。

圖2 鋼屋架模型建立

圖3 弧形鋼梁分段拼裝

圖4 圖室內(nèi)吊車站位示意

圖5 3D點(diǎn)云掃描測量

1.4 以折代曲，精細(xì)組裝

圖6 鋁鎂錳屋面安裝圖

鈦鋅板單元即單塊鈦鋅復(fù)合板及其封邊、框架、可調(diào)節(jié)支 座等部分。按照以折代曲的設(shè)計理念，將屋面板分為4980塊單獨(dú)板，對各板塊單獨(dú)編號組裝。先在鋁鎂錳合金屋面上安裝鈦鋅屋面面板的龍骨體系，龍骨體系起到整體鈦鋅屋面板的控制定位和固定支撐作用。龍骨體系通過專用特制的夾具支架固定在鋁鎂錳合金屋面直立鎖邊立邊上，牢固可靠。龍骨體系與這些支架連接固定形成預(yù)期的網(wǎng)格分布，然后鈦鋅面板即可按照預(yù)先編號對號入座安裝就位。鈦鋅屋面板單元，由專用卡具和支座將單元板固定在屋面龍骨體系上，能夠通過支座調(diào)節(jié)高度使整體屋面達(dá)到圓順，還可以單獨(dú)拆卸，方便維修清理。鈦鋅板自地面調(diào)運(yùn)至屋面采用人工配合機(jī)械吊運(yùn)。在側(cè)邊檐口用鋼管焊接臨時龍門架，人工用滑輪和纜繩將鋁板拉運(yùn)至屋面。機(jī)械吊運(yùn)采用汽車吊和利用現(xiàn)場主體施工用的塔吊將鋁板直接吊運(yùn)至屋面，每次吊運(yùn)時必須保證鋁板綁扎牢固無松散，鋼絲纜對鋁板無損傷。屋面板吊運(yùn)至屋面后分散堆放，避免過于集中地堆放，且不能將棱角擱置于下層屋面板上，防止造成下層板變形。對暫時不安裝的鋁板必須用纜繩固定于結(jié)構(gòu)上，防止大風(fēng)吹落。鈦鋅板的固定采用自攻螺絲與骨架結(jié)構(gòu)相連，做到每個固定點(diǎn)必須有螺絲固定，不允許有跳打現(xiàn)象。在屋面板安裝完成后通過四個角部的可調(diào)支座對屋面的整體曲率進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)屋面體系的整體圓順[3]。

圖7 鈦鋅板屋面安裝圖

2 結(jié)束語

鋼屋蓋采用大跨度弦支穹頂與疊拱組合結(jié)構(gòu)。這種新型結(jié)構(gòu)體系由于其疊拱跨度大、安裝高度高、網(wǎng)殼安裝、預(yù)應(yīng)力索張拉、施工周期緊等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，施工難度較大。堆疊拱采用臨時支撐架、分段吊裝、高空拼接施工方法安裝，全支撐、高空展開作業(yè)方法安裝網(wǎng)殼拱頂。對支承體系進(jìn)行了空間結(jié)構(gòu)分析，采用有限元軟件對鋼結(jié)構(gòu)屋蓋體系的安裝過程進(jìn)行了模擬分析。同時利用精密儀器和設(shè)備對頂板結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力和變形監(jiān)測。因此，施工安全和質(zhì)量得到了保證。