一種空間仿生ETFE薄殼結(jié)構(gòu)位形控制關(guān)鍵技術(shù)
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作者：鄭曉敏
1工程概況
廣州宏城廣場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)天幕工程位于廣州市中軸線上。工程總建筑面積約110 000m2，主要由地下商場(chǎng)及停車庫、裙樓商場(chǎng)、下沉花園、頂層花園及相關(guān)配套工程組成。
天幕系統(tǒng)位于建筑物的屋面層，平面上分為東、西2個(gè)獨(dú)立單體，外形酷似2條嬉水的魚。系統(tǒng)由鋼結(jié)構(gòu)圓管單層網(wǎng)殼和表面覆蓋單層ETFE薄膜
2部分組成（見圖1）。
天幕系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)采用空間單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，魚脊 區(qū)域網(wǎng)殼存在重疊。鋼結(jié)構(gòu)分為面層網(wǎng)殼、底層網(wǎng)殼和落客棚網(wǎng)殼3部分。局部網(wǎng)殼重疊區(qū)域采用小短桿連系成整體。網(wǎng)殼由若干個(gè)約2m x2m的菱形網(wǎng)格組成，中間區(qū)域銳角750左右，邊緣區(qū)域150~1500不等；桿件規(guī)格為4194×6，ɸ194×12，ɸ194×25，ɸ89 x8;圓管相貫焊接，要求采用相貫節(jié)點(diǎn)全熔
透焊縫。
天幕采用ETFE單層膜，總面積約7 250m2，共2 200余個(gè)單元，其中包括46個(gè)可開啟單元及600余個(gè)附加加強(qiáng)索單元。
2 空間仿生ETFE薄殼結(jié)構(gòu)安裝位形控制關(guān)鍵技術(shù)
鋼結(jié)構(gòu)天幕采用的ETFE膜設(shè)計(jì)收縮率一般小于1%，且強(qiáng)度較低，比PTFE膜材對(duì)鋼結(jié)構(gòu)安裝精度有更高的要求。鋼結(jié)構(gòu)單層網(wǎng)殼作為ETFE膜的支承體系，其成型歷經(jīng)拼裝、焊接、卸載等過程，最終位形受多因素影響，為此各施工階段鋼結(jié)構(gòu)的位形控制將是鋼結(jié)構(gòu)天幕順利施工的關(guān)鍵要素。
2.1 總體安裝順序
天幕屋蓋網(wǎng)殼采用高空原位安裝法，采用4臺(tái)塔式起重機(jī)（3臺(tái)Q7033和1臺(tái)CT6014，塔式起重機(jī)臂長(zhǎng)均為60m）對(duì)網(wǎng)殼構(gòu)件以分片、散件相結(jié)合的形式進(jìn)行高空吊裝。塔式起重機(jī)未能覆蓋區(qū)域配置1臺(tái)70t汽車式起重機(jī)和1臺(tái)50t汽車式起重機(jī)進(jìn)行吊裝。主要安裝順序如下。
1)屋蓋網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)總體安裝順序由魚頭、魚尾向中間進(jìn)行。安裝時(shí)首先安裝落地桁架部分；內(nèi)層網(wǎng)殼先于外層網(wǎng)殼施工；兩側(cè)落客棚最后安裝。
2)東區(qū)、西區(qū)共分為6個(gè)施工區(qū)域，根據(jù)總包現(xiàn)階段提供的3層土建作業(yè)面交付時(shí)間安排，首先施工東1區(qū)、西1區(qū)，后施工東2區(qū)、東3區(qū)、西2區(qū)、西3區(qū)。
3)各分區(qū)具體施工流水段的劃分、施工順序、施工方向須與業(yè)主、總包、監(jiān)理、幕墻等單位溝通協(xié)商后確定，避免與土建、幕墻等專業(yè)施工沖突，確保方案順利實(shí)施。
屋蓋網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)施工平面分區(qū)如圖2所示。
2.2 圓管單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)
空間仿生薄殼結(jié)構(gòu)幾何形狀特殊，類似工程中采用高空原位散件安裝法較為常見。散件安裝法會(huì)產(chǎn)生大量高空焊接作業(yè)，其焊接變形和焊接附加應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)極為不利�；谝陨显颍卷�(xiàng)目采用空間仿生薄殼結(jié)構(gòu)原位分塊拼裝方法。
網(wǎng)殼分塊在地面或工廠拼裝成型，保證了鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度和焊接質(zhì)量。分塊之間采用散件連接，通過測(cè)量?jī)x先將分塊位置定位準(zhǔn)確，分塊下部用臨時(shí)支撐固定，再進(jìn)行散件的安裝定位，從而保證鋼結(jié)構(gòu)的施工精度（見圖3）。
對(duì)于大面積薄殼結(jié)構(gòu)的焊接施工，必須結(jié)合實(shí)際情況對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)并設(shè)置合攏縫，各分區(qū)獨(dú)立施工，一方面減少施工誤差累積，另一方面減輕大面積焊接對(duì)結(jié)構(gòu)帶來的不利影響（見圖4）。
2.3單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)三維坐標(biāo)預(yù)變形技術(shù)
空間仿生薄殼結(jié)構(gòu)安裝不僅要符合設(shè)計(jì)要求的外觀形狀，同時(shí)要滿足ETFE膜對(duì)鋼結(jié)構(gòu)誤差的要求，鋼結(jié)構(gòu)在制作、安裝時(shí)采取預(yù)變形措施是解決上述問題的有效方法。依據(jù)計(jì)算結(jié)果，本項(xiàng)目的預(yù)變形是x，y，z3個(gè)方向的預(yù)變形。
2. 3.1 三維坐標(biāo)預(yù)調(diào)整分析方法
通常鋼結(jié)構(gòu)預(yù)變形值通過計(jì)算分析確定，可采用正裝迭代法、倒拆迭代法、一般迭代法等方法計(jì)算。
正裝迭代法可用來計(jì)算各種施工方法下的變形預(yù)調(diào)值，但當(dāng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、桿件較多時(shí)，分析過程中會(huì)出現(xiàn)不收斂的問題；倒拆迭代法收斂性較高，但計(jì)算量和工作量均較大；一般迭代法可用來計(jì)算滿堂腳手架施工方法下的變形預(yù)調(diào)值。
2.3.2 三維坐標(biāo)預(yù)調(diào)整流程
為了改善結(jié)構(gòu)外觀和符合使用條件，預(yù)變形的大小應(yīng)視實(shí)際需要而定，不能硬性規(guī)定單一的起拱值。經(jīng)與設(shè)計(jì)協(xié)商后，起拱值用恒載標(biāo)準(zhǔn)值加1/2活載標(biāo)準(zhǔn)值所產(chǎn)生的撓度來確定�？傮w三維坐標(biāo)預(yù)調(diào)流程如下。
1)根據(jù)施工方法確定預(yù)變形計(jì)算方法。薄殼結(jié)構(gòu)由于其造型不規(guī)則，一般采用滿堂腳手架施工為主。預(yù)變形計(jì)算時(shí)可采用一般迭代法。
2)結(jié)構(gòu)建模，計(jì)算機(jī)模擬分析，計(jì)算得到的誤差應(yīng)在允許范圍內(nèi)。
3)將計(jì)算分析得到的三維變形值反號(hào)疊加到初始設(shè)計(jì)坐標(biāo)上得到預(yù)變形后的坐標(biāo)。
4)根據(jù)預(yù)變形得到的坐標(biāo)進(jìn)行深化建模。
5)工廠下料、制作。
6)現(xiàn)場(chǎng)按照預(yù)變形后的坐標(biāo)進(jìn)行構(gòu)件分塊拼裝與結(jié)構(gòu)安裝。
7)結(jié)構(gòu)預(yù)變形控制值可根據(jù)施工期間的變形監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。
2.4 圓管單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)
本工程鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)均由圓管相貫節(jié)點(diǎn)組成，對(duì)于大面積焊接結(jié)構(gòu)，施工過程中若焊接方法不當(dāng)，焊接順序不合理，將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)帶來非常不利的影響。鋼結(jié)構(gòu)焊接完畢后，由于焊接變形可能會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)進(jìn)一步下?lián)匣蚓植繀^(qū)域上翹等現(xiàn)象。鑒于此，單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工時(shí)，在前述分塊結(jié)合散件安裝的基礎(chǔ)上，通過焊接過程模擬分析，得到一套有助于減少單層網(wǎng)殼焊接變形和焊接附加應(yīng)力的焊接方法。焊接過程模擬方法如下：①在前述施工分區(qū)、分塊結(jié)合散件安裝的基礎(chǔ)上，采用大型有限元軟件進(jìn)行焊接模擬分析；②焊接過程模擬分析時(shí)，在桿件施焊端附近取一小段，分段長(zhǎng)度以及施加的溫度根據(jù)桿件的規(guī)格、焊接方法通過試驗(yàn)確定；③計(jì)算機(jī)模擬分析時(shí)，僅考慮結(jié)構(gòu)的自身質(zhì)量以及焊接時(shí)產(chǎn)生溫度；④在上述荷載工況作用下，對(duì)各種焊接順序進(jìn)行模擬分析；對(duì)模擬得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出最合理的焊接順序；⑤根據(jù)最終確定的焊接順序指導(dǎo)工人焊接作業(yè)。
對(duì)不同的焊接順序進(jìn)行模擬，對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行比較分析，選擇最優(yōu)的焊接順序，指導(dǎo)工人焊接作業(yè)，保證工程焊接質(zhì)量。
2.5卸載全過程變形監(jiān)測(cè)技術(shù)
根據(jù)天幕在自重作用下的變形分布，東魚共分為6個(gè)區(qū)塊進(jìn)行卸載，總體按從中間往兩邊的順序進(jìn)行分區(qū)分級(jí)卸載（見圖5）。每一區(qū)塊先對(duì)豎向支撐構(gòu)件進(jìn)行卸載，再進(jìn)行網(wǎng)殼部分的卸載。
卸載過程中，首先拆除豎向支撐體系下部的臨時(shí)支撐，在網(wǎng)殼卸載前保證豎向支撐處于先受力狀態(tài)；在后期網(wǎng)殼卸載過程中，使豎向支撐構(gòu)件緩慢受力。屋面網(wǎng)殼區(qū)域進(jìn)行分級(jí)卸載，使得網(wǎng)殼的位形逐步達(dá)到設(shè)計(jì)位形。通過上述卸載順序來保證變形協(xié)調(diào)、受力均衡、支撐穩(wěn)定。施工卸載順序及結(jié)構(gòu)變形有限元分析結(jié)果如表1所示。
2.5.1變形監(jiān)測(cè)方法
鋼結(jié)構(gòu)安裝完畢后尚未開始卸載，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)典型點(diǎn)位進(jìn)行坐標(biāo)監(jiān)測(cè)，記錄各點(diǎn)位的實(shí)際坐標(biāo)值以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)卸載方案，每一卸載步完成后，過4h后待結(jié)構(gòu)變形趨于穩(wěn)定，用全站儀對(duì)典型點(diǎn)位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，記錄新測(cè)得的坐標(biāo)。將該坐標(biāo)和預(yù)變形后的坐標(biāo)差值與卸載過程模擬得到的變形值進(jìn)行比較，若差值在變形值的20%以內(nèi)（20%由設(shè)計(jì)綜合考慮結(jié)構(gòu)受力及后續(xù)專業(yè)施工要求確定，由百分比計(jì)算得到允許變形值在10mm以內(nèi)的按10mm計(jì)，則繼續(xù)進(jìn)行下一步卸載工作。若變形差值超過允許值，則需分析差值偏大原因，采取相應(yīng)措施由設(shè)計(jì)確認(rèn)后繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)卸載工作。
2.5.2監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置
監(jiān)測(cè)點(diǎn)位根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和鋼結(jié)構(gòu)施工方法，由設(shè)計(jì)院協(xié)同施工單位共同確定。屋面網(wǎng)殼與豎向支承連接節(jié)點(diǎn)處必須作為變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其余每一個(gè)分區(qū)應(yīng)不少于8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。圖6所示為宏城廣場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)天幕監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。
2.5.3 施工過程監(jiān)測(cè)結(jié)果
根據(jù)變形監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)預(yù)變形實(shí)測(cè)值與理論位形誤差在±3mm內(nèi)，當(dāng)其卸載完成后施工模擬變形與實(shí)際變形差值在±5mm范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)預(yù)變形達(dá)到了預(yù)期效果，結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度與理論接近。
2.6 ETFE膜安裝技術(shù)
ETFE有著優(yōu)越于PVC/PTFE膜材的特性，如自重更輕、建筑效果更好、透光率高等，也有其“脆弱”的一面，如果在加工和安裝環(huán)節(jié)方法不正確，易造成膜材損傷，或安裝效果不理想。
2.6.1ETFE膜材的施工要點(diǎn)
在ETFE膜加工下料前，應(yīng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行復(fù)測(cè)，一旦超過允許誤差，應(yīng)與相關(guān)單位及時(shí)協(xié)調(diào)。為防止該類情況的出現(xiàn)，膜結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)之間通過可調(diào)連接件連接，膜結(jié)構(gòu)連接件上下、左右可調(diào)，可調(diào)量約為30mm（見圖7）。通過可調(diào)連接件的設(shè)置來消除鋼結(jié)構(gòu)與膜結(jié)構(gòu)之間的誤差值。待轉(zhuǎn)接件安裝完成后，通過螺栓調(diào)整好上部T形件的位置，進(jìn)行坐標(biāo)復(fù)核后將連接板與T形件焊接牢靠，然后安裝上部鋁型材及膜材。將鋁合金夾具按照?qǐng)D紙固定于轉(zhuǎn)接件上，各段夾具之間的間隙控制在5～10mm，固定間距需符合圖紙要求。
鋼結(jié)構(gòu)的誤差應(yīng)控制在轉(zhuǎn)接件的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，否則膜結(jié)構(gòu)單元需要根據(jù)測(cè)量值確定膜邊界。這時(shí)，膜加工進(jìn)度會(huì)滯后，項(xiàng)目總體進(jìn)度將超出可控范圍。
2.6.2 ETFE膜材的安裝流程
1)測(cè)量、放線 依據(jù)膜材加工編號(hào)，對(duì)應(yīng)屋面分格形狀，確保膜材位置正確。
2)安裝夾具。
3)張拉膜材 檢查膜材型號(hào)使之與要安裝的型號(hào)相對(duì)應(yīng)。按照膜材疊折順序展開膜材，將對(duì)應(yīng)膜邊長(zhǎng)的夾具密封條穿入夾具內(nèi)。各邊同時(shí)拉緊ETFE膜，并將邊繩夾具同時(shí)卡人夾具。注意張拉時(shí)用力均勻，保持膜材自然下垂?fàn)顟B(tài)，避免用力不均，出現(xiàn)褶皺。
4)清洗 ETFE膜材表面非常光滑，具有極佳的自潔性能。表面灰塵及污跡會(huì)隨雨水沖刷而除去。
3 結(jié)語
本文以廣州市宏城廣場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)天幕工程施工為載體，對(duì)空間仿生ETFE薄殼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)進(jìn)行研究和總結(jié)。創(chuàng)新性地提出了空間仿生結(jié)構(gòu)三維坐標(biāo)預(yù)調(diào)技術(shù)用以保證結(jié)構(gòu)位形；采用空間薄殼結(jié)構(gòu)分塊結(jié)合散件的施工方法控制焊接應(yīng)力和變形，從而保證鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量滿足甚至高于規(guī)范要求。對(duì)于ETFE膜邊界精度控制要求的問題，提出了相應(yīng)的轉(zhuǎn)接件的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，以及安裝過程的關(guān)鍵工序控制。
4[摘要]ETFE膜材設(shè)計(jì)收縮率小、強(qiáng)度低，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施工有更高的安裝精度要求。以廣州宏城廣場(chǎng)天幕的建造過程為背景，提出了單層網(wǎng)殼分塊安裝方法，介紹了三維坐標(biāo)預(yù)調(diào)整技術(shù)，卸載全過程變形監(jiān)測(cè)和大面積ETFE膜安裝等整套空間仿生ETFE薄殼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)，解決了ETFE膜邊界精度控制要求高的難題。
