浅谈大跨度异形钢结构网壳施工技术

浅谈大跨度异形钢结构网壳施工技术

祝贺1，毛秦之2，田天3

（1.中建二局安装工程有限公司装配式事业部，河北 廊坊 065000；2.上海张江集成电路产业区开发有限公司，上海 200000；3.北京建工集团有限责任公司，北京100005）

[摘要] 空间网壳结构在我国虽然起步较晚但发展却十分迅速，随着近年来我国经济的高速发展，业主对建筑功能性、多样性及优雅的审美需求日益增长，各类结构迥异、造型复杂的钢结构网壳建筑逐渐展示在大众眼前。在各类网壳造型中，不规则不对称的大跨度空间异形构造网壳结构的施工则最具挑战。

关键词：空间网壳; 大跨度; 异形构造; 分块吊装

0引言

空间网壳结构具有优美独特的建筑造型，无论是平面布局，还是外观形体都能给人们无限想象的空间。在平面布局上可以选用多种形态：三角形、圆形、矩形多边形、扇形以及各种不规则的平面布局，球体、椭圆体、圆锥体、规则图形组成的不规则形体等。上海集成电路设计产业园5-1项目3#楼钢结构网壳相较于传统网壳结构又是不对称不规则的大跨度异型构造。整个网壳结构由74个网片单元1600余根方管及圆管、铸钢件、支座、销轴等构件组成，结构最大跨度36.5m且周围场地又有极大限制，各方对结构外观要求严格，在计算和安装过程中如何保证结构的稳定性、安装精度及优美的外观也是巨大的挑战。

1项目概况

本项目位于上海市浦东新区张江镇，处于金桥城市副中心和张江城市副中心之间，处于上海中环城市发展带的核心地位。基地东至规划二路，西至盛夏路，南至规划三路，北至银冬路。本工程地下车库为现浇筑混凝土框架剪力墙结构，共三层，车库板顶为梁板楼盖，楼板厚度为250mm、180mm（主楼区域），梁板混凝土强度为C35,柱混凝土强度为C35。地下室层高为4.45m，顶板梁板跨度为12m。3#楼钢结构在地下1层锚固。

本项目共4栋单体，其中3#楼网壳结构形式为空间单层网壳结构，长76.8m,宽57.6m，结构最大高度23.6m,最大跨度36.5m，重量约700t。在2-4层使用销轴与主体结构连接，屋面层使用支座和销轴与主体结构连接；在首层和2层通过预埋件锚固。

主材规格为RHS260*180*10、RHS280*80*10、PIP351*12、PIP325*14钢材均用Q355B，采用室外超薄型防火涂料。

图1 项目整体效果图

图2 网壳tekla模型示意图

2主要研究内容

为克服现场拼装场地小，外观精度要求高等重难点，项目部研究并整理了以下施工关键技术。

2.1应对措施

（1）异形网壳结构复杂相贯节点优化技术研究：通过tekla深化减少相贯节点焊缝提高网壳结构一体性和美观性。

（2）网壳分段拼装技术研究：采用地面满铺拼装胎架以满足不同形状的网片拼装需求。同时为保证安装后的整体线型平顺，对菱形网格进行主次杆件划分，不同等级杆件依次按顺序拼装焊接及嵌补最大程度减少构件焊接过程中的变形。

（3）菱形网格安装定位技术研究：虚拟预拼装、CAD模型预放线和现场智能测量相互配合提高网片单元定位精度，主杆件设置对接耳板和双夹板提高圆管对接精度。

（4）网壳支撑及卸载技术研究：通过前期模拟验算整个网壳结构在安装完成后的最终挠度值约24mm，为减少施工过程中结构变形，采用塔吊标准节支撑+刀板形式支点统一分区分级卸载，使整个网壳结构同步稳定下落。

2.2项目采用的关键技术

74个菱形网片构件采用“小单元模块化拼装+分块吊装+嵌补杆件”安装模式进行，根据起重机械性能、结构特点进行优化分析。在空间网片偏心位置设置60塔吊标准节支撑措施。

网壳安装按照逆时针顺序，由下向上安装施工，多管相贯位置铸钢件最后合拢，待全部结构完成后弧形刀板逐步分区分级卸载。

3施工过程

3.1整体施工流程概述

施工前期，施工单位通过TEKLA和BIM技术的应用将网壳结构中复杂的空间相贯节点优化为铸钢节点，通过模型深化和加工厂定制铸造消除了多圆管节点部位的现场相贯焊缝转而变为圆管间的对接焊缝，保证了节点的整体性、稳定性和美观性。

 在地面拼装过程中，采用适合工人身高的拼装胎架配合吊装机械翻身，保证网片两面平焊和立焊焊缝的平滑顺直。每一片网片在吊装前通过模型模拟就位过程，针对每个网片的重心位置优化吊点布置，提前调整就位角度，配合微调有效的提高了结构的安装精度。

网片对接安装时，为保证对接精度和稳定性施工单位在网壳周围设置了大量的塔吊标准节和H型钢拉接作为支撑体加固体系。

项目实施全过程中的各种措施和技术支持共同保证了整个钢结构网壳的线型顺直和结构稳定，本项目异形钢结构网壳工程的应用和实践充分体现了现代钢结构施工技术的精湛和和创新，表达了设计和施工单位对建筑美学的追求和创造。

3.2支撑架组立

现场支撑架采用无损转换底座+60塔吊标准节形式，由底座、标准节和顶托3部分组成。底座通过膨胀螺栓固定在楼板上，首节塔则用U型卡板与底座焊接固定从而避免对标准节的切割破坏，顶托用同样的方法固定在支撑架顶部，如图3所示。

图3 支撑架底座与顶部平台现场施工图

在现场实际施工过程中，考虑到风荷载可能引起的支撑架倾覆风险，项目部对高层支撑架增设了斜撑、和揽风绳等抗倾覆措施。这些抗倾覆措施成功抵御了2024年13号强台风“贝碧嘉”的登陆，证明了网壳支撑体系的可靠性，如图4、图5所示。

图4 台风过后支撑体系状态图

图5 网壳东北角支撑完成后效果图

3.3网片地面拼装

整个网壳结构由二十几个三角形和四边形大面组成，每个大面又是由大量圆管和方管组成，单个大面面积大跨度大在吊装翻身及对接过程中都会产生较大的变形从而影响结构精度。经过众多方案比选，最终决定采用“分块吊装+嵌补安装”的施工方法，并把结构划分为74个较小的吊装单元减少翻身吊装过程中的变形。

对于焊接工人来说，平焊和立焊最能保证焊缝的平直顺滑，因此我们在有限的拼装场地内尽可能做到胎架满铺并且最终胎架高度设置在1.4-1.6m。这保证了大部分焊接工人能够以较为舒适的姿势和身位进行平焊和立焊，如图6、图7、图8所示。对于对接过程中不可避免的仰焊则配合后期少量的打磨，这减少了大量打磨补漆工作，既保证了外观要求又节省了工期。

图6 网片单元地面拼装

图7 网片单元地面拼装

图8网片单元地面拼装

为了减少焊接过程中的收缩变形，项目部将这74个小单元按照圆管、通长方管、一次相贯方管、二次相贯方管的标准划分杆件等级，如图9所示。4个等级的杆件依次拼装依次焊接，并以角度尺寸双控制保证了焊接过程中收缩最小。

图9 杆件等级划分

3.4网片吊装及对接

74个网片小单元角度各异对接口多，铸钢件节点处最多达到6个分支圆管对接口如图10所示。这对现场对接测量精度的要求极高，稍有偏差就会导致对接口错位。为提高就位精度，项目部制定四条措施：

图10 铸钢件tekla模型示意图

（1）TEKLA和CAD三维模型多点预放线，现场以多个坐标共同控制网片位置，如图11、图12所示。

图11 网壳CAD三维坐标模型

图12 网片吊装定位图

（2）圆管对接部位采用双夹板加固，减少对接过程产生的措口，如图13、图14所示。

图13 圆管对接双夹板固定示意图

图14 铸钢件双夹板固定示意图

（3）屋盖网片支撑点立柱加斜撑加固，立面网片尽可能使用型钢与主体结构的框柱和框梁临时连接。避免对接过程中碰撞焊接等因素导致已就位网片产生位移，如图15、图16所示。

图15 网片支点加固示意图

图16 网片立面临时拉接示意图

模拟验算表明，立面网片增加临时拉接可使结构变形控制在2mm以内，有效减少了网片在安装就位过程中的变形，如图17所示。

图17网片临时拉接模拟验算

（4）吊装前根据每个网片的重心位置分别布置吊点，如图18所示。并通过EXCLE公式编辑计算出最佳的起吊角度。提前调整好钢丝绳长度和夹角，如图19所示。对接时配合倒链和千斤顶微调，加快整体对接速度避免长时间定位调节产生误差。[1]

图18网片单元重心及吊点布置示意图

图19 钢丝绳验算

3.5安全防护措施

整个施工过程中存在大量高空作业，工人的安全防护措施也是重中之重。对于屋面临边处网片，在吊装之前会在四周增设安全立杆和双道生命线，如图20所示。在高空作业时双钩双挂配合登高机械的使用保证工人的安全。

图20 安全立杆和安全绳布置示意图

3.6网壳卸载

将卸载网片分为东南西北4个区域，分为一至三级卸载，卸载值为5mm、15mm、25mm（变形值范围2mm~21.60mm），如图23所示。提前在刀板上刻画5mm、10mm、10mm刻度，如图22所示。四个卸载区域分两次卸载完成，第一次卸载北区、东区网片支撑架，第二次卸载西、南两侧区域网片支撑架，如图21所示。所有支撑架卸载方式均采用弧形刀板分级切割卸载的方式，如图24、图25所示。

整个网壳约80个卸载点（含立面临时拉结和销轴）整体卸载原则为：先东北角后西南角，立面网片由上至下切割临时拉结,先卸载变形大，后卸载变形小的部位。

图21网壳整体卸载顺序

图22 弧形刀板卸载示意图

图23 网壳卸载变形模拟验算

图24 现场刀板切割卸载

图25 现场刀板切割卸载

4结语

上海集成电路设计产业园5-1项目3#楼钢结构网壳安装工程虽然整体吨位较小，但其相较传统网壳结构又有不规则不对称相贯节点多，构件空间角度各异等特点。本项目工程实例一系列关键技术的研究与应用有助于后续类似工程参考借鉴，为此类异形网壳结构的施工积累经验。例如网片支点的H型钢立柱也可替换成圆管立柱并开槽插入刀板方便支点标高调节。希望本项目各个关键技术的应用能够为将来更多造型奇异、极富想象力的网壳结构的施工提供基础。

图26 网壳安装完成后整体效果图

5参考文献

 [1] 刘文华，韩俊虎，李洋洋，王善科.钢丝绳吊索的受力计算与选型[J]. 建筑机械化，2022（04）：9-11.