毂耦合多曲率拱形钢网架结构施工技术研究

崔建伟,孔迎彬,刘海旭,范晓飞,孔祥强

[摘  要] 中国民航大学新校区一标段图书馆工程，地上四层为“云中阅览”高大空间，其顶部为五连跨多曲率拱形网壳钢结构屋盖，钢结构杆件形态多曲，节点对接复杂、精度要求极高。在保证工程质量、进度、安全的前提下探究一次成优的管理模式，实现智慧建造、绿色建造。

[关键词] 网壳结构；毂型节点；耦合连接；智慧建造  

一、引言

中国民航大学新校区是以机场、飞行及民航服务类特色专业为主的高等院校，协同发展民航运输经济与管理学科群及民航职业教育与继续教育，承载部分研发和培训功能。新校区建成后，对落实国家和民航发展战略，加快民航中高层和创新型工程技术和管理人才培养需求有着重要意义。

二、工程概况

（一）工程建设概况

中国民航大学新校区一标段项目位于天津市宁河区未来科技城，总建筑面积91100㎡，其中包括图书馆、机场学院教学实验楼、公共教学楼、飞行乘务大楼及模拟舱楼，地上4层，地下1层。

（二）工程设计概况

本项目为京津冀协同发展战略的重要工程，质量目标为鲁班奖，图书馆“云上阅览” 是新校区文化殿堂的核心空间，因此“云顶”屋面钢结构施工质量是本工程的重难点之一。“云顶”屋面需呈现无柱大空间效果，顶棚网格梁全部裸露，无吊顶，因此“云顶”屋面钢网壳钢杆件加工、运输及焊接拼装一次成优是本工程难点。从安全方面，“云顶”屋面呈现“无支撑、举顶式”钢网壳屋盖造型，五连跨大跨度网壳结构，屋架着力点数量少，钢屋盖施工稳定性是保证结构安全可靠的重点。

三、技术重点及难点分析

（一）管理重点

1.前期策划管理：本工程图书馆四大核心筒作为8000 ㎡钢屋盖的核心支撑点，62根纤细十字柱环屋架四周进行边缘支撑，钢屋盖东、西两端分别外伸8.4m超大悬挑，必须保证钢屋盖施工稳定性，因此合理的施工策划是本工程的管理重点。

2.过程质量管理：本工程质量目标定位高：项目质量目标为鲁班奖，图书馆“云顶”屋面为无柱大空间，施工完成后，顶棚网格梁为网状交织空间结构，且全部裸露，无吊顶，钢网格梁直连后的观感效果的好坏直接影响到本工程质量目标的实现。

3.过程成本管理：由于市场钢材价格持续走高，且合同签订钢材价格较低，在满足安全、质量前提下，必须加强过程的成本控制管理。

（二）管理难点

1.T型钢网格梁直连节点精准对接：四层云顶阅览室为大空间裸顶效果，顶棚采取多向多曲率网格梁裸顶设计，故钢网格梁直连精准控制是反映裸顶空间效果的重要体现。

2.H型钢梁和T型钢网格梁吻合焊接：H型钢与多曲T型钢网格梁斜向吻合焊接是工程难点；

3.T型钢网格梁高精度制作：斜梁与正梁精准对接，需要采用全自动数控机床进行切割下料及弯板机多次弯曲、调整和校核等多个制作过程，确保杆件加工精准是难点。

四、策划实施及创新特点

（一）技术方案策划

1.通过软件模拟，确定方案

通过查阅图纸和设计资料，利用tekla/revit等软件对拱形网壳结构进行模拟和预拼装，并与设计单位及专业施工单位沟通协调，共同制定正确合理的设计方案。

2.结合深化图纸，统一编号

项目生产部门与钢结构专业队伍技术和施工人员共同讨论施工方案，确定分区分块专项施工方案，对所有杆件进行编码，保证物料准确。

3.利用精密仪器，精准监测

图书馆四层钢网壳屋架为空间网状结构，利用经纬仪、全站仪等常规仪器无法精准校核和辅助钢杆件安装，项目拟配备三维激光扫描仪完成钢网架校核及安装任务。

（二）BIM应用分析

1.利用tekla/revit等软件对拱形网壳结构进行模拟和预拼装，协助设计和施工方案研讨落地。

2.通过BIM模拟分析显示，单曲杆件焊接最大翘边误差达8.3mm，双曲焊接最大翘边误差≤1mm，故得出双曲焊接方式符合设计和结构要求。

（三）3D打印演示

应用tekla/revit等软件的深化模型进行3D打印，等比例缩放钢网格梁尺寸，真实加工T型钢网格梁杆件，使得杆件信息更形象、更直观。将单根深化后的T型钢网格梁进行手动预拼装，模拟设计（施工）方案可实施性，辅助设计和施工方案研讨落地。

（四）专家论证方案

1.确保图书馆钢网壳T型钢网格梁直连T型钢梁、 T型钢梁直连H型主梁均能保证翼缘板上表面对齐平滑，腹板同心达到顺直无弯折；

2.钢网格梁端焊接点处无翘曲，杆件对接满焊，保证整个钢网壳的安全稳定性。

3.邀请钢结构专家进行设计方案研讨，确定大跨度多向杆件直连节点连接形式、钢网格梁多向多曲率拼装效果以及安装顺序，最终确定设计方案。

（五）方案落地实施

1.拱形网壳中间部分T型钢网格梁由原单曲优化成双曲。

2.拱形网壳两端根部的单曲T型钢网格梁通过增加锥形毂节点对接上部单（双）曲T型网格梁进行耦合连接。

3.拱形网壳两端根部的单曲T型钢网格梁与H型钢梁采用端板连接。最终实现结构安全和观感美观双重效果目标。

图1  3D打印T型钢网格梁拼装图

4.T型钢网格梁共计3542根杆件，7084个焊点，为确保安全施工，采取从中心到四周分区分段对称拼装方案。

5.施工中，先安装中区主结构网架，后安装2个侧区，最后安装2个边区。

6.对所有钢构件进行编号，现场按编号安装，保证物料准确。

图2  施工分区图

五、管理措施实施

（一）设计方案验证

根据最新设计方案，通过选取一跨钢屋盖结构进行结构安全性验证试验，确保单、双曲设计方案满足荷载要求，达到安全可靠，并保证单、双曲钢网格梁杆件与理论设计模型一致。

图3  钢网架试验段应力应变吊荷试验

（二）借助软件工具进行模拟

通过tekla/revit软件对多向多曲率拱形网壳结构进行模拟预拼装和编号处理，对大跨度毂节点安装顺序、安装形式及钢网格梁多向多曲率拼装效果分析模拟。

图4  钢网架试验段应力应变吊荷试验

（三）杆件编号及工厂预拼装

钢结构分段出厂前，根据深化设计模型中各个钢构件的编号及轴线位置，使用钢结构加工厂龙门吊进行吊装预拼装，并逐根进行点焊固定拼装。

图5 钢构件编号                        图6工程预拼装

（四）三维扫描提取空间数据

加工厂内预拼装完成后，运用FARO三维激光扫描仪实地扫描，收集初始钢网壳结构表面的三维坐标数据，处理空间点位信息，建立三维影像模型，通过与深化模型多次比对纠偏，偏差值＜3mm即可完成纠偏，发送至现场，详见下图。

（五）现场安装及校核

将钢网壳构件吊装至安装部位，严格按照安装顺序号，并运用经纬仪按照基准点和基准线进行定位安装，点焊固定。通过三维激光扫描仪进行复核，依据工厂预拼装三维影像模型结果与现场拼装三维影像模型及深化模型进行比对分析，校核并调整。

（六）分区分段对称安装

1.将钢屋盖分为5个施工区，包含1个中区、2个侧区和2个边区。

2.施工中，先安装中区主结构网架，后安装2个侧区，最后安装2个边区。

3.钢网壳安装从中区到侧区，再到边区，为主施工节奏，带动25个施工段，从中间向四周对称扩散吊装焊接，保证安装过程中结构体系稳定。

图7 施工安装分段图

结束语

本工程图书馆屋面实现了“云上阅览” 无柱大空间效果，打造了民航新校区这座文化殿堂的核心空间。施工中配合四大核心筒举顶和62根纤细十字柱支撑的设计，根据拱形屋盖不同曲率半径创新划分单、双曲T型钢网格梁点位分布，实现了四层阅览室大空间“穹顶网格”效果，从而实现了大空间屋盖网壳结构安全稳定性的建筑体系。

参考文献

（1） 白洁俊, 多层次多曲面单层焊接球钢结构网架施工技术研究[D].桂林理工大学，2016.

（2） 沈士钊.网壳结构稳定性[M].北京：中国建筑工业出版社.2000

作者简介

崔建伟，男，项目总工，中建八局华北分公司；地址：天津市滨海新区响螺湾商务区滨河路2599号；邮政编码：300450；联系电话：[phone]；电子邮箱：[e-mail]。