城市軌道交通大跨度異形曲面鋼結(jié)構(gòu)加工與安裝關(guān)鍵技術(shù)

孔 宏

（北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068）

1 引言

目前，大跨度異形曲面鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)正以迅猛速度發(fā)展，隨著人們對鋼結(jié)構(gòu)造型要求的提高，大跨度異性曲面鋼結(jié)構(gòu)的施工也面臨著新的挑戰(zhàn)。由于這類建筑結(jié)構(gòu)造型多變、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，從而易形成縱梁、橫梁、斜梁多構(gòu)件的交匯節(jié)點，加工難度巨大；這些鋼結(jié)構(gòu)往往使用高空原位安裝法進(jìn)行安裝，在安裝過程中常需要進(jìn)行大量臨時支撐，完成主體工程后還要對這些支撐予以拆除；在復(fù)雜的拆撐施工中，不同的拆撐方法又會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)不同的變形和受力，變形控制有時會變得比較困難或難以采取有效的措施去控制，很可能在施工過程中結(jié)構(gòu)因失去平衡而傾覆，或因失去穩(wěn)定而倒塌，或由于局部構(gòu)件和節(jié)點強度不足而破壞，也可能成形后的結(jié)構(gòu)與設(shè)計狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)。因此，需要打破傳統(tǒng)的施工做法，解決大跨度異形曲面鋼結(jié)構(gòu)加工與安裝的施工難題，減少安裝拼裝的累計誤差，提高安裝精度。

本文依托北京地鐵環(huán)球影城站大跨度異形曲面鋼結(jié)構(gòu)，對安裝工藝、異形曲面線型控制、小截面扭轉(zhuǎn)米字形箱形節(jié)點精確加工、大噸位復(fù)雜傘狀鋼柱節(jié)點加工、施工數(shù)值模擬、安裝精確定位、大型鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工過程監(jiān)測、高精度智能焊接控制、鋼結(jié)構(gòu)屋面防水施工等技術(shù)進(jìn)行研究。

2 工程概況

環(huán)球影城站是北京地鐵7號線東延與八通線南延的換乘站，為雙島型站臺，車站總長347 m，車站公共區(qū)采用四柱五跨結(jié)構(gòu)形式。其中，中間跨設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，屋蓋分為種植區(qū)域以及玻璃屋面采光區(qū)。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋長度為200 m，最大寬度為78.2 m，采用單層空間結(jié)構(gòu)體系，水平受力構(gòu)件為箱型截面與H型鋼組合而成的空間曲面結(jié)構(gòu)，水平抗側(cè)力構(gòu)件為8個傘狀格構(gòu)柱。傘狀柱弧形段通過米字型節(jié)點與弧形構(gòu)件、屋面桁架梁及與屋頂曲面梁構(gòu)件進(jìn)行連接，該節(jié)點類型復(fù)雜，8個面均不在同一個水平面上，焊接要求全部采用一級全融透焊縫，焊接質(zhì)量要求超過同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。屋蓋及支撐柱不僅要重視結(jié)構(gòu)的設(shè)計狀態(tài)，而且也要關(guān)心結(jié)構(gòu)的成形過程，屋蓋的玻璃屋面要保障采光，種植屋面要考慮植物培育生長和防水、排水，做到不滲不漏。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋示意圖如圖1所示。

3 施工難點分析

（1）結(jié)構(gòu)造型和節(jié)點復(fù)雜。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋為單層異形雙曲面結(jié)構(gòu)，在各受力構(gòu)件交匯處形成的米字形節(jié)點為箱形結(jié)構(gòu)，抗側(cè)力構(gòu)件主要由8個傘狀格構(gòu)柱組成；屋蓋具有造型復(fù)雜、投影面積大、下部支撐少的特點；鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)造型多變導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，從而易形成縱梁、橫梁、斜梁多構(gòu)件的交匯節(jié)點，其中以米字形節(jié)點結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，加工難度最大。

（2）制作加工難度大。傘狀鋼柱節(jié)點內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，節(jié)點中各插板將內(nèi)、外圓管分成瓦片狀，內(nèi)部焊接大量加勁板，焊接量大且焊縫要求均為全熔透一級，米字形箱形構(gòu)件中存在8條插板與牛腿翼板焊縫，插板較厚，為防止產(chǎn)生層狀撕裂，須嚴(yán)格按照工藝要求開設(shè)坡口，保證插板焊縫質(zhì)量。

（3）現(xiàn)場焊接質(zhì)量要求高。整個屋面以箱體為主體結(jié)構(gòu)，其中由圓管轉(zhuǎn)換箱體的傘狀柱節(jié)點作為整個屋面結(jié)構(gòu)的核心支撐構(gòu)件，其焊接質(zhì)量和加工尺寸精度顯得尤為重要；傘狀柱弧形段通過米字形節(jié)點與弧形構(gòu)件、屋面桁架梁及屋頂曲面梁構(gòu)件進(jìn)行連接，該節(jié)點類形復(fù)雜，8個面均不在同一個水平面上，焊接要求全部采用一級全融透焊縫，焊接質(zhì)量要求超過同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；本工程鋼材材質(zhì)主要為Q345C、Q345GJC及Q390C、Q420C，施工現(xiàn)場焊接主要包括鋼柱、鋼梁及桁架焊接，焊接過程時間長，收縮大，變形控制困難；工程施工周期長，現(xiàn)場焊接受大風(fēng)、降雨、高溫等天氣影響較大。

（4）安裝精度控制難。屋蓋曲面多變，每個節(jié)點拼接桿件多且方向各異，現(xiàn)場安裝定位難度大；施工過程中結(jié)構(gòu)本身因跨度大、自重大會產(chǎn)生較大變形，且支撐胎架在荷載作用下也會產(chǎn)生變形；安裝產(chǎn)生的次生應(yīng)力、焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也有可能導(dǎo)致次生應(yīng)變、殘余應(yīng)變的累積，使安裝誤差難以控制。

（5）鋼結(jié)構(gòu)健康性要有保障。結(jié)構(gòu)本身跨度、自重大，在施工過程中，荷載多變、結(jié)構(gòu)動態(tài)瞬時變化頻繁，因此需對關(guān)鍵節(jié)點的應(yīng)力進(jìn)行實時監(jiān)測。

（6）種植屋面防水處理與施工困難。種植屋面，即在鋼結(jié)構(gòu)屋面上設(shè)置種植區(qū)域，為更好地起到承托、防水等作用，種植區(qū)域往往設(shè)置混凝土屋面板；相對于普通混凝土，屋面板現(xiàn)澆混凝土澆筑環(huán)境具有較大的差異性，其普遍厚度小、面積大，其硬化過程中的收縮可能會造成混凝土產(chǎn)生較多的貫通裂縫；混凝土板也會由于曲面造型的原因，在曲面波峰處會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力致使混凝土板開裂；屋面板混凝土常年暴露于大氣環(huán)境下，在夏季多雨季節(jié)須防止雨水下滲，屋面混凝土應(yīng)具有良好的抗?jié)B性。

（7）信息交叉多，協(xié)調(diào)難度大。在工程設(shè)計施工及監(jiān)測過程中存在大量的信息，包括鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的設(shè)計形式、鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的加工信息、鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的安裝詳細(xì)信息以及變形、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測信息。這些信息具有交叉性，屋蓋的設(shè)計形式不同，會影響到加工安裝監(jiān)測，屋蓋加工質(zhì)量也會影響后續(xù)施工。因此，統(tǒng)一規(guī)劃協(xié)調(diào)，保持信息的傳遞完整性、流動性、靈活性，是設(shè)計施工安裝監(jiān)測中的難點。

4 施工工藝及關(guān)鍵技術(shù)

4.1 安裝工藝

（1）針對本工程的難點，結(jié)合以往大跨度異形曲面鋼結(jié)構(gòu)加工與安裝的施工經(jīng)驗，本工程將大跨度鋼梁等拆分成分段構(gòu)件，在工廠加工并對相應(yīng)構(gòu)件進(jìn)行編號、加工和分批供應(yīng)，運輸至施工現(xiàn)場。

（2）在構(gòu)件安裝前采用一般有限單元法的一次性建模法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工過程模擬分析，結(jié)合施工過程中結(jié)構(gòu)、荷載、邊界條件的變化，對結(jié)構(gòu)建立整體計算模型，并劃分相應(yīng)的施工階段進(jìn)行分析，準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)在施工過程中內(nèi)力和變形的變化情況，確保安裝、卸載方案合理安全，為施工提供監(jiān)測數(shù)據(jù)依據(jù)。

（3）構(gòu)件進(jìn)至現(xiàn)場后進(jìn)行分區(qū)對稱安裝，采用汽車吊配合大型履帶吊將其吊裝就位，對格構(gòu)式支撐架進(jìn)行臨時支撐定位，最終在屋蓋中部進(jìn)行連接合龍，并拆除臨時支撐架完成受力轉(zhuǎn)換；按照對稱軸從兩側(cè)向中間對稱安裝，整體合龍后，采用“分區(qū)域同步卸載”的方式進(jìn)行卸載完成受力轉(zhuǎn)換，控制鋼結(jié)構(gòu)整體不均受力和變形。

4.2 異形曲面線型控制

根據(jù)概念設(shè)計圖紙，采用Tekla軟件進(jìn)行1 : 1建模，整體鋼結(jié)構(gòu)屋蓋模型如圖2所示，將體系中的結(jié)構(gòu)型材、面板、節(jié)點盤等主要部件逐個分解，確定構(gòu)件的精確尺寸；對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行碰撞檢測查找相關(guān)問題，實現(xiàn)構(gòu)件廠精確生產(chǎn)控件及現(xiàn)場模擬安裝指導(dǎo)。

4.3 小截面扭轉(zhuǎn)米字形箱形節(jié)點精確加工

本項目在各受力構(gòu)件交匯處形成的米字形節(jié)點為箱形結(jié)構(gòu)，構(gòu)件8個端口均存在扭轉(zhuǎn)段，每個扭轉(zhuǎn)段的尺寸均不相同，節(jié)點焊縫多且密集。中間3塊內(nèi)隔板厚度均超過45 mm，焊接操作空間狹小?？紤]折彎精度、焊接變形等因素，加工的重點為采取合理的安裝順序保證內(nèi)隔板、主體焊縫質(zhì)量和構(gòu)件尺寸精度，具體采用如下安裝順序及方法。

（1）先對構(gòu)件各板材進(jìn)行點焊定形，組裝到一定程度檢查構(gòu)件拼接形狀再進(jìn)行滿焊，減小焊接過程中構(gòu)件累計變形。

（2）節(jié)點內(nèi)部水平加勁板有8處與內(nèi)隔板或腹板頂緊不焊，其余部位與腹板、牛腿腹板、內(nèi)隔板之間均為全熔透焊縫；對翼板、內(nèi)隔板、腹板、封板等按合理順序組裝，在滿足整體性要求的情況下，使狹小內(nèi)部空間的節(jié)點加工得以順利實現(xiàn)。

（3）焊接腹板與上、下翼板之間的焊縫時，在翼板端頭加設(shè)臨時支撐，可減少翼板焊接過程中的變形，保證節(jié)點加工精度。

（4）先單獨組裝牛腿，再將其精確裝配至主體結(jié)構(gòu)上，以保證牛腿尺寸精度；4個牛腿對稱裝配，以減小主體結(jié)構(gòu)焊接變形。

4.4 大噸位復(fù)雜傘狀鋼柱節(jié)點加工

（1）為滿足現(xiàn)場異形曲面造型，提高連接強度減輕結(jié)構(gòu)重量，采用傘狀節(jié)點作為主梁與鋼柱的連接節(jié)點。傘狀節(jié)點是整個鋼結(jié)構(gòu)屋面的水平抗側(cè)力及豎向支撐的主要部件，為空間異型空心節(jié)點。傘狀節(jié)點由內(nèi)弧形板、外弧形板、插板、水平加勁板、弧形牛腿組成。

（2）為避免 8 塊插板焊縫重疊，傘狀節(jié)點內(nèi)部由直徑600 mm×壁厚40 mm 的圓管分割成弧形板作為中心結(jié)構(gòu)，8塊插板對稱成為受拉過渡結(jié)構(gòu)。傘狀節(jié)點外部由 8 個弧形牛腿及相應(yīng)內(nèi)隔板內(nèi)外相貫、交叉組合而成。

（3）利用Tekla軟件做出節(jié)點三維模型，根據(jù)模型導(dǎo)出CAD圖，將構(gòu)件中所有零件生成為1 : 1 CAD圖紙，利用下料軟件生成數(shù)控程序，將生成的程序傳輸至數(shù)控切割設(shè)備進(jìn)行切割下料；有弧度的零件使用滾筒機進(jìn)行弧度加工；將零件進(jìn)行割縫處理并在開坡口后進(jìn)行組裝焊接，組裝時控制組裝精度；所有焊縫采用CO2氣體保護(hù)焊對節(jié)點進(jìn)行全熔透等強焊接。

4.5 施工數(shù)值模擬

（1）經(jīng)過Tekla軟件進(jìn)行1 : 1建模后，形成BIM模型數(shù)據(jù)，利用BIM模型進(jìn)行施工模擬，通過施工模擬可以確定施工空間順序和時間順序，排除實際施工中可能遇到的問題。

（2）運用MIDAS/GEN有限元分析模型對鋼格構(gòu)柱進(jìn)行整體受力分析、穩(wěn)定性驗算及工況分析復(fù)核；對每對結(jié)構(gòu)分段吊裝的施工過程進(jìn)行模擬，了解結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移變化情況；采用目標(biāo)優(yōu)化方法，按結(jié)構(gòu)和支撐胎架卸載過程中受力最優(yōu)原則，對支撐架卸載進(jìn)行模擬，避免支撐架卸載過程中發(fā)生安全生產(chǎn)事故。

4.6 安裝精確定位

本工程安裝過程精度主要從安裝定位測量精度、焊接變形2個方面進(jìn)行控制。首先，基于BIM技術(shù)對施工過程進(jìn)行模擬，確定鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝過程中關(guān)鍵點位坐標(biāo)，避免鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件間間距不符合設(shè)計要求導(dǎo)致無法安裝的問題。其次，利用智能放樣平臺對異形節(jié)點安裝點位進(jìn)行實時定位和糾偏。最后，結(jié)合三維掃描和BIM模型比對技術(shù)，對異形曲面主要節(jié)點實測三維坐標(biāo)值，并與設(shè)計值進(jìn)行比較，如圖3所示（圖中D、Dx、Dy、Dz為坐標(biāo)差值）。采用上述技術(shù)方法進(jìn)行預(yù)拼裝精度對比表明，構(gòu)件安裝精度值均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4.7 大型鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工過程監(jiān)測

對大型鋼梁、復(fù)雜節(jié)點安裝過程進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測，及時了解結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)，并進(jìn)行安全性判斷；在網(wǎng)架合龍與卸載應(yīng)力階段進(jìn)行監(jiān)測，及時了解構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，并對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能進(jìn)行評判，保證施工安全。本工程鋼結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)測布點根據(jù)測點所處的位置共分為2類，第1類為屋面箱型梁監(jiān)測點，如圖4所示，第2類為傘狀柱監(jiān)測點，如圖5所示。

監(jiān)測點數(shù)據(jù)監(jiān)測采用ARM-M系列處理器，并配合DVW數(shù)據(jù)采集軟件實現(xiàn)振弦式傳感器遠(yuǎn)程無人值守采集、預(yù)警，監(jiān)測任意時刻的實時應(yīng)力、溫度數(shù)據(jù)；對施工過程異形曲面測點應(yīng)力及變形實測值與計算值進(jìn)行對比，及時對曲面的線形進(jìn)行控制；對于結(jié)構(gòu)安裝及卸載過程、結(jié)構(gòu)完工過程、結(jié)構(gòu)經(jīng)歷大風(fēng)荷載過程、結(jié)構(gòu)經(jīng)歷地震作用過程（如果發(fā)生），監(jiān)測系統(tǒng)可提交相應(yīng)應(yīng)力及變形情況報告，并對極端災(zāi)害事件造成的前期環(huán)境、荷載及作用、結(jié)構(gòu)特性以及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的異常在第一時間給出災(zāi)害警報。

4.8 高精度智能焊接控制

本工程焊接部位非常多，考慮壁厚處理、焊接收縮、焊接間隙等影響因素，利用BIM模型導(dǎo)出焊接節(jié)點相關(guān)數(shù)據(jù)，包括但不限于焊接方法、鋼結(jié)構(gòu)型號、焊接長度、焊縫厚度等，根據(jù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值化焊接；通過對焊接及探傷工程量的統(tǒng)計，合理調(diào)配焊接設(shè)備及人員，保證焊接的進(jìn)度和質(zhì)量。對焊縫施焊信息進(jìn)行集成與統(tǒng)計，掌握焊工的焊接水平；焊縫檢驗結(jié)果通過系統(tǒng)反饋至數(shù)字模型中，實現(xiàn)對焊縫檢測結(jié)果的統(tǒng)計，全過程記錄每一條焊縫的返修過程，實現(xiàn)焊縫質(zhì)量的全面跟蹤。

4.9 鋼結(jié)構(gòu)屋面防水施工

施工過程防滲漏水控制重點是鋼筋桁架樓承板與異形曲面鋼結(jié)構(gòu)連接施工以及鋼結(jié)構(gòu)種植屋面防水施工。在本工程中，采用如下技術(shù)手段應(yīng)對防水問題。

（1）屋蓋種植屋面混凝土樓板采用鋼筋桁架樓承板，鋼筋桁架樓承板是將樓板中鋼筋在工廠加工成鋼筋桁架，并將鋼筋桁架與底模連接成一體的組合模板。鋼筋形成桁架，承受施工期間荷載，底模托住混凝土；混凝土采用超長曲面薄板種植屋面補償收縮混凝土，屋面和地下室變形縫采用防水的互扣式變形縫構(gòu)造，與基層結(jié)構(gòu)變形相適應(yīng)。

（2）為保證種植屋面上的植物既能培育生長，又要防水和排除積水，做到不滲不漏，則需要加強種植屋面的構(gòu)造層次，在本工程中實施如圖6所示的自下而上的構(gòu)造層次：100 mm厚混凝土組合樓板或樓撐板，自粘隔汽層，70 mm厚擠塑聚苯保溫層，20 mm厚水泥砂漿找平層，3 mm厚SBS改性瀝青防水卷材，4 mm厚SBS耐根穿刺防水卷材，40 mm厚C20混凝土保護(hù)層內(nèi)配φ6 mm@200 mm鋼筋網(wǎng)，20 mm厚HDPE聚乙烯排蓄水層，無紡布滲水層，300 mm厚輕質(zhì)種植土，植被層。

通過采取以上技術(shù)方法，保證樓承板的安裝，對曲面坡屋面種植防滑加固；達(dá)到對樓承板安裝、防水施工質(zhì)量進(jìn)行控制；有效保護(hù)施工完成的成品；輔助各部門避免或減少施工過程中防水問題的發(fā)生；有效提升鋼結(jié)構(gòu)屋蓋防水工程質(zhì)量。

5 結(jié)束語

本文以北京地鐵7號線東延環(huán)球影城站大跨度異形曲面鋼結(jié)構(gòu)為背景，對大跨度異形曲面鋼結(jié)構(gòu)的加工與安裝施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究與闡述，解決了大跨度異型曲面鋼結(jié)構(gòu)的制作、拼裝、變形控制、施工監(jiān)測、防水等技術(shù)難題；為鋼結(jié)構(gòu)施工方案安全性及可行性的判定提供了可靠依據(jù)；有效保障了大跨度異形曲面網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)施工安全及質(zhì)量，縮短了施工周期，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，積累了地鐵車站大跨度異形曲面網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的相關(guān)施工經(jīng)驗。以期為其他類似大跨度異形曲面網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的軌道交通工程建設(shè)提供參考和借鑒。