多點(diǎn)支承大跨度單層復(fù)雜曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的安裝

金偉峰

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200070

1 工程概況

G60科創(chuàng)云廊項(xiàng)目位于上海臨港松江科技城，為多點(diǎn)支承大跨度單層復(fù)雜曲面鋼-鋁合金組合連續(xù)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。屋蓋長(zhǎng)736 m，最大跨度132 m，投影面積約8.2萬 m2。網(wǎng)殼屋蓋通過56組樹杈鋼柱支承上蓋于高80 m的11棟塔樓頂部，在幾何形態(tài)上呈連續(xù)起伏的波狀。波峰主要集中于塔樓之上，最高點(diǎn)相對(duì)標(biāo)高103 m；波谷主要集中在樓宇間，最低點(diǎn)相對(duì)標(biāo)高86 m；檐口相對(duì)標(biāo)高92.8 m，其建筑效果如圖1所示。

圖1 云廊網(wǎng)殼效果圖

2 工程特點(diǎn)

1）本工程網(wǎng)殼屋蓋的高差起伏變化大，除樓頂上方區(qū)域的1.6萬 m2外，其余6.6萬 m2網(wǎng)殼均處在懸空區(qū)域，高空作業(yè)面極大，且塔樓之間最大凈距達(dá)132 m，施工安裝跨度大，網(wǎng)殼投影區(qū)域下方既有結(jié)構(gòu)情況復(fù)雜，這些特點(diǎn)為網(wǎng)殼的安裝帶來了極大的困難。

2）網(wǎng)殼為異形單層曲面結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在形成整體之前剛度差[1]，對(duì)施工總體的形態(tài)控制要求很高[2]。

3）鋁合金桿件主要采用不銹鋼鉚釘?shù)娜珯C(jī)械連接，總鉚釘數(shù)量約為180萬套，鉚釘孔精度為2 mm，且現(xiàn)場(chǎng)不允許擴(kuò)孔，故施工安裝時(shí)無調(diào)節(jié)余量。因此對(duì)于構(gòu)件的加工及安裝的精度要求極高，同時(shí)對(duì)施工階段的測(cè)量控制精度也提出了高要求。

4）屋蓋網(wǎng)殼長(zhǎng)達(dá)736 m，投影面積8.2萬 m2，覆蓋11棟塔樓。安裝時(shí)以小單元吊裝為主，高空散裝為輔，支撐點(diǎn)位多達(dá)3 000個(gè)，若網(wǎng)殼整體安裝完成后再進(jìn)行同步卸載，則施工周期長(zhǎng)、措施成本高。為了節(jié)約工期，并降低措施成本，研究如何控制網(wǎng)殼分區(qū)卸載的施工附加應(yīng)力是本項(xiàng)目的關(guān)鍵。

5）為網(wǎng)殼提供支承的塔樓主體結(jié)構(gòu)及其外立面玻璃幕墻在網(wǎng)殼施工前已基本安裝完成。既有混凝土塔樓、裙房結(jié)構(gòu)的配筋率較低，無法承受施工措施及大型機(jī)械設(shè)備的施工荷載，需要進(jìn)行大量的結(jié)構(gòu)加固。同時(shí)，塔樓區(qū)域網(wǎng)殼鋼構(gòu)件較多，結(jié)構(gòu)存在大量的焊接作業(yè)，對(duì)下部塔樓玻璃幕墻的成品保護(hù)難度極大。

6）本工程施工措施鋼平臺(tái)的拆除，需要在安裝完成的網(wǎng)殼下方進(jìn)行，這一制約條件為施工方案的編制以及機(jī)械設(shè)備的選型帶來了困難。

3 施工技術(shù)路線

3.1 總體技術(shù)路線及機(jī)械選型

網(wǎng)殼高度高、跨度大、面積廣，且投影范圍內(nèi)均有地下室結(jié)構(gòu)，全部采用搭設(shè)滿堂腳手架或設(shè)置百米高支撐代價(jià)大且難以實(shí)現(xiàn)；網(wǎng)殼主體為單層異形曲面鋁合金結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度較小且面積大，無法整體吊裝或提升；網(wǎng)殼高差大，11棟塔樓頂部均有高于網(wǎng)殼最低點(diǎn)的小炮樓，同時(shí)塔樓之間的跨度大，且網(wǎng)殼通過鋼結(jié)構(gòu)樹杈柱與11棟塔樓的樓頂相連，滑移也難以實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)G60科創(chuàng)云廊項(xiàng)目結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合網(wǎng)殼常規(guī)施工工藝制定總體技術(shù)路線，提出了一種“以機(jī)械設(shè)備為主線，建立全覆蓋、可升降、模塊化高空承重鋼平臺(tái)體系，分區(qū)分塊流水吊裝網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)”的施工方法，解決了鋁合金網(wǎng)殼在超高空的高精度懸空安裝難題。根據(jù)各分區(qū)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)置全覆蓋、可升降、模塊化的高空承重鋼平臺(tái)體系，在保障鋁合金桿件安裝精度的同時(shí)，大幅提高了施工效率和施工安全性。

根據(jù)群塔上蓋網(wǎng)殼下部支撐塔樓分布進(jìn)行區(qū)塊劃分、編號(hào)，形成位于群塔樓頂T（T1—T11）區(qū)域，位于塔樓間高空連廊K（K1、K2）區(qū)域，位于南側(cè)塔樓間底部地面裙房P（P1—P4、P7）區(qū)域，位于塔樓間低空連廊P（P5、P6）區(qū)域，位于兩側(cè)群塔中軸接合S（S1—S10）區(qū)域；分成5大類，合計(jì)30個(gè)網(wǎng)殼分塊，其分塊如圖2所示。

圖2 網(wǎng)殼分區(qū)平面布置示意

針對(duì)群塔網(wǎng)殼上蓋這一特點(diǎn)，對(duì)主要安裝機(jī)械設(shè)備進(jìn)行選型。布置原則：吊裝范圍全覆蓋、設(shè)備便于拆裝。布置要點(diǎn)：工程南側(cè)場(chǎng)地良好，可開行大型履帶吊，北側(cè)場(chǎng)地不允許開行大型設(shè)備，無法在北側(cè)塔樓樓頂安裝大型固定式塔吊，由此犧牲的吊裝范圍及起重能力由中庭的行走式塔吊補(bǔ)充。機(jī)械布置：南側(cè)5臺(tái)固定式塔吊安裝于樓頂；北側(cè)5臺(tái)固定式塔吊外附于主樓；南側(cè)布置450 t履帶吊，安裝時(shí)采用主臂56 m＋副臂78 m，拆除時(shí)受網(wǎng)殼上蓋影響，采用主臂56 m＋副臂54 m；中庭布置1臺(tái)行走式塔吊，如圖3所示。

圖3 施工機(jī)械設(shè)備平面布置示意

3.2 各分區(qū)措施平臺(tái)構(gòu)建

1）群塔樓頂投影區(qū)域搭設(shè)滿堂腳手支撐架，群塔樓頂周邊懸挑區(qū)域安裝懸挑桁架和上部格構(gòu)柱支撐形成措施鋼平臺(tái)胎架。

2）塔樓間底部地面裙房區(qū)域在地面拼裝措施鋼平臺(tái)，同時(shí)在兩側(cè)塔樓結(jié)構(gòu)柱和中間的臨時(shí)支撐塔架上設(shè)置反力架，對(duì)措施平臺(tái)進(jìn)行整體提升，提升到位后的措施鋼平臺(tái)用于安裝此區(qū)域的網(wǎng)殼（圖4）。

圖4 平臺(tái)提升立面示意

3）塔樓間高空連廊投影區(qū)域安裝格構(gòu)柱支撐，高空連廊兩側(cè)懸挑區(qū)域安裝懸挑桁架和上部格構(gòu)柱支撐形成措施鋼平臺(tái)胎架。

4）塔樓間低連廊區(qū)域在連廊頂和出連廊地面搭設(shè)貝雷架組合支撐系統(tǒng)，作為措施平臺(tái)的高空支撐架，再在措施鋼平臺(tái)頂安裝上部格構(gòu)柱支撐，形成網(wǎng)殼安裝用高空措施鋼平臺(tái)胎架（圖5）。

圖5 低連廊區(qū)域措施立面示意

5）兩側(cè)群塔中軸接合區(qū)域高空吊裝措施鋼平臺(tái)和上部格構(gòu)支撐柱間的距離較長(zhǎng)，在地面設(shè)置通長(zhǎng)軌道安裝行走式塔吊和自行式拼裝臺(tái)車，用于鋼平臺(tái)的地面拼裝、轉(zhuǎn)移和高空吊裝，措施鋼平臺(tái)兩端固定點(diǎn)視具體情況存在多種形式，可擱置在塔樓原結(jié)構(gòu)、連廊原結(jié)構(gòu)、已安裝高空措施鋼平臺(tái)、塔樓懸挑鋼平臺(tái)上。

3.3 各分區(qū)網(wǎng)殼的安裝及卸載

網(wǎng)殼的安裝基于下部樹杈柱安裝完成和高空措施鋼平臺(tái)胎架構(gòu)建完成，安裝方式為桿件散裝和單元吊裝相結(jié)合。

樓頂區(qū)域散裝順序遵循樹杈柱分布點(diǎn)位進(jìn)行，即先散拼樹杈柱頂節(jié)點(diǎn)區(qū)域網(wǎng)殼并互相延伸連接，形成外部一圈穩(wěn)定結(jié)構(gòu)單元，再逐圈內(nèi)縮至完成塔樓頂網(wǎng)殼區(qū)塊安裝。塔樓間網(wǎng)殼區(qū)塊以兩個(gè)塔樓頂網(wǎng)殼區(qū)塊為基礎(chǔ)進(jìn)行中間區(qū)域網(wǎng)殼安裝，安裝順序?yàn)?個(gè)塔樓相向搭橋連接，搭橋完成后以此向兩側(cè)擴(kuò)散直至完成本區(qū)塊的網(wǎng)殼安裝。塔樓頂、塔樓間網(wǎng)殼區(qū)塊完成后，安裝中軸接合區(qū)域網(wǎng)殼區(qū)塊，形成與塔樓頂網(wǎng)殼區(qū)塊和塔樓間網(wǎng)殼區(qū)塊結(jié)構(gòu)連接的中軸接合網(wǎng)殼區(qū)塊。根據(jù)卸載設(shè)定原則，多個(gè)塔樓頂、塔樓間、中軸接合網(wǎng)殼區(qū)塊互相連接成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后形成第一網(wǎng)殼安裝大分區(qū)，此時(shí)可進(jìn)行第1次網(wǎng)殼卸載，隨著后續(xù)塔樓頂、塔樓間、中軸接合網(wǎng)殼區(qū)塊的安裝，不斷形成新的網(wǎng)殼安裝大分區(qū)，對(duì)應(yīng)地可進(jìn)行再一次網(wǎng)殼卸載，直至全部網(wǎng)殼安裝完成且卸載完成。

4 安裝關(guān)鍵技術(shù)

4.1 貝雷架支撐體系設(shè)計(jì)

貝雷架組合臨時(shí)支撐，主要由底部貝雷架鋼柱基礎(chǔ)、貝雷架鋼柱、橫縱向連系構(gòu)件、爬梯通道、貝雷架鋼柱上部的陽頭大礎(chǔ)板和“工”形轉(zhuǎn)換梁等組成。同時(shí)貝雷架鋼柱還可以利用附墻抱箍和周圍主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，必要時(shí)，當(dāng)臺(tái)風(fēng)預(yù)警或超出設(shè)計(jì)要求需額外加固的情況下，還可以在多個(gè)貝雷架鋼柱兩兩之間，利用花籃螺桿及鋼絲繩進(jìn)行交叉拉結(jié)。

各標(biāo)準(zhǔn)貝雷架之間通過銷軸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)接，形成長(zhǎng)度模數(shù)化的貝雷架，將4片貝雷架通過三角撐側(cè)向連接和中間的水平支撐連接，形成一個(gè)四方格構(gòu)式貝雷架鋼柱。多個(gè)貝雷架鋼柱之間通過多道橫向水平貝雷梁連接，使用2片標(biāo)準(zhǔn)貝雷架拼裝而成，標(biāo)準(zhǔn)貝雷架之間通過豎向的陰陽頭銷軸節(jié)點(diǎn)和橫向的水平支撐架連接，形成整體穩(wěn)定的豎向支撐體系。

4.2 模塊化措施鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)

為了減少措施用鋼量，節(jié)約項(xiàng)目成本，措施鋼平臺(tái)的設(shè)計(jì)需要引入模塊化思想，使得某一區(qū)域的鋼平臺(tái)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)單的改造后，即可應(yīng)用于另一類似區(qū)域。針對(duì)需鋼平臺(tái)的最大凈跨度，提出2套設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比遴選。其中，方案1采用三層網(wǎng)架直接跨越132 m，方案2采用雙層網(wǎng)架，并在跨中加設(shè)若干豎向臨時(shí)支撐塔架，以減小鋼平臺(tái)計(jì)算厚度，2套方案的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見表1。

表1 鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)方案對(duì)比

對(duì)比2套方案后發(fā)現(xiàn)，方案1撓度過大、提升點(diǎn)反力過大（遠(yuǎn)超既有塔樓承載力）、提升點(diǎn)反力不均勻、加工運(yùn)輸安裝不方便。增設(shè)臨時(shí)支撐后的方案2撓度大幅降低、提升點(diǎn)安全儲(chǔ)備高、結(jié)構(gòu)形式更合理且用鋼量少。因此本項(xiàng)目中整體提升與下降安拆的施工措施鋼平臺(tái)擬采用優(yōu)化后的雙層網(wǎng)架＋臨時(shí)支承的設(shè)計(jì)方案。

4.3 整體提升、下降技術(shù)

計(jì)算機(jī)控制鋼結(jié)構(gòu)整體同步提升、下降技術(shù)采用液壓提升器作為牽引器具，柔性鋼絞線作為承重索具。液壓提升器為穿芯式結(jié)構(gòu)，以鋼絞線作為提升索具，具有安全、可靠、承重件自身質(zhì)量輕、安裝方便、中間不必鑲接等一系列優(yōu)點(diǎn)。

本工程中提升的措施鋼平臺(tái)P平臺(tái)跨度達(dá)134 m，寬57 m，總面積為5 000 m2，提升質(zhì)量1 000 t，提升凈高為55 m。由于平臺(tái)跨度較大，除依附在兩側(cè)塔樓結(jié)構(gòu)柱上的8組提升反力架外，在平臺(tái)跨中還布置了6組鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)式臨時(shí)支撐塔架，每組塔架各設(shè)置了2個(gè)提升點(diǎn)，總計(jì)20個(gè)提升點(diǎn)。提升過程中，通過觀測(cè)平臺(tái)三維狀態(tài)，后臺(tái)對(duì)每個(gè)提升千斤頂進(jìn)行調(diào)整，確保平臺(tái)位移的均勻同步。

4.4 網(wǎng)殼單元小拼及高空安裝技術(shù)

懸空區(qū)域采用搭設(shè)措施鋼平臺(tái)的方式進(jìn)行網(wǎng)殼安裝，但是由于網(wǎng)殼自身高度起伏大，平臺(tái)受限于塔樓標(biāo)高只能安裝至77.2 m標(biāo)高，與網(wǎng)殼86～103 m的標(biāo)高差距較大，需要在平臺(tái)上加設(shè)臨時(shí)支撐系統(tǒng)?？紤]到盡量減少支撐以降低措施平臺(tái)荷載，同時(shí)兼顧設(shè)計(jì)要求的零應(yīng)力施工，本項(xiàng)目對(duì)鋁合金網(wǎng)殼單位的施工階段的應(yīng)力分析，選擇九宮格小拼單元高空吊裝的施工工藝。

九宮格單元安裝工藝是在地面小拼九宮格網(wǎng)殼單元，同時(shí)在塔樓樓頂及措施鋼平臺(tái)上搭設(shè)好格構(gòu)柱支撐系統(tǒng)作為擱置點(diǎn)和操作平臺(tái)，通過高空吊裝的方式安裝就位，施工流程如下。

1）按照單元分塊圖在地面進(jìn)行拼裝，并將中間4個(gè)節(jié)點(diǎn)螺栓全部鎖完，四邊節(jié)點(diǎn)均鎖4枚螺栓，與已安裝的節(jié)點(diǎn)相連的節(jié)點(diǎn)鎖上節(jié)點(diǎn)4枚螺栓（下節(jié)點(diǎn)已位于已安裝的節(jié)點(diǎn)），與下一片單元對(duì)接的節(jié)點(diǎn)鎖下節(jié)點(diǎn)4枚螺栓（上節(jié)點(diǎn)隨下一片單元安裝）。

2）按計(jì)算給出的吊點(diǎn)位置及鋼絲繩長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)置。

3）利用塔吊將單元塊吊至相應(yīng)格構(gòu)柱頂撐位置。

4）與后方已安裝的網(wǎng)殼桿件或九宮格相連。待安裝單元和已安裝網(wǎng)殼桿件對(duì)接就位后，鎖定上下節(jié)點(diǎn)板螺栓。

5）測(cè)量頂撐位置的節(jié)點(diǎn)標(biāo)高，并按測(cè)量結(jié)果調(diào)整網(wǎng)殼標(biāo)高，以滿足要求。

4.5 空間網(wǎng)殼分區(qū)卸載技術(shù)

在網(wǎng)架安裝前，根據(jù)網(wǎng)架既有結(jié)構(gòu)支撐的分布和受力形式設(shè)置安裝大分區(qū)和卸載小分區(qū)，經(jīng)計(jì)算，網(wǎng)架大分區(qū)安裝完成后的小分區(qū)卸載能保證原結(jié)構(gòu)應(yīng)力和形變都達(dá)到設(shè)計(jì)要求。再依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地條件及網(wǎng)架的主要受力節(jié)點(diǎn)分布進(jìn)行臨時(shí)支撐的布置，臨時(shí)支撐可采用獨(dú)立鋼柱、多邊格構(gòu)柱、滿堂支撐架等多種支撐形式，臨時(shí)支撐的頂部設(shè)置可調(diào)托座，并在托座上加設(shè)找平木楔作為和網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)的接觸面。在大分區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安裝、焊接完畢及螺栓鎖緊并驗(yàn)收合格后，進(jìn)行小分區(qū)卸載，卸載區(qū)和非卸載區(qū)之間預(yù)設(shè)過渡帶，過渡帶按照計(jì)算撓度的1/3、2/3進(jìn)行非完全卸載。采用多步分級(jí)循環(huán)的方式將卸載支撐點(diǎn)下移，使可調(diào)托座隨著逐級(jí)卸載逐步和主結(jié)構(gòu)脫開，使鋼結(jié)構(gòu)平緩地達(dá)到設(shè)計(jì)受力狀態(tài)。在小分區(qū)卸載完成后，進(jìn)行下一安裝區(qū)的網(wǎng)架安裝，待形成第2個(gè)安裝大分區(qū)后，再進(jìn)行第2個(gè)卸載小分區(qū)的卸載工作，依次進(jìn)行，直至全部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安裝、卸載完成。

使用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，計(jì)算網(wǎng)殼卸載的撓度，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)定可調(diào)托座絲桿的規(guī)格、高度和插入深度，以保證卸載行程不超過可調(diào)范圍，并將卸載過程中可能會(huì)與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞的腳手架、走道梁、欄桿等進(jìn)行預(yù)處理，減少卸載碰撞問題，降低卸載過程中動(dòng)火切割的可能性。

5 結(jié)語

G60科創(chuàng)云廊項(xiàng)目根據(jù)屋蓋的支撐體系，沿各主樓對(duì)網(wǎng)殼進(jìn)行安裝和卸載區(qū)的劃分，共計(jì)進(jìn)行5次分區(qū)卸載。以高效的施工工藝和過程控制措施完美地控制了鋼構(gòu)件與鋁構(gòu)件之間的連接節(jié)點(diǎn)及鋁合金節(jié)點(diǎn)盤的精度，保證屋蓋安裝過程中的變形量和桿件鉚接穿孔質(zhì)量，使得工程的質(zhì)量、安全、工期得到把控，為此類高空大跨度金屬結(jié)構(gòu)組合屋蓋施工積累了經(jīng)驗(yàn)。