空间非对称NURBS双曲斜交单层网壳屋盖结构施工技术

关键词： NURBS；双曲斜交；箱形截面；单层网壳；施工技术

Abstract： In recent years，more and more public buildings are constructed upon single-layer reticulated shell structure fitted with a box-shaped cross-section. But related construction technology needs to be summarized and sorted out urgently. This article takes the steel structure of Yulin Vocational and Technical College Gymnasium roof as the carrier and short construction period and cost control as the premise，by comparing the advantages and disadvantages of existing spatial hyperbolic modeling methods to creatively propose a new process of realizing spatial hyperbolic modeling of standard rods + folding plate bending and torsion nodes which can solve the problem of misalignment when the spatial angle of the box-section bar is twisted and effectively reduce the construction cost，shorten the construction period，and form a complete set of spacial asymmetric NURBS hyperbolic skew single-layer latticed shell construction technology.

Keywords： NURBS；hyperbolic cross；box-section；single-layer latticed shell；construction technology

1　工程概况

1.1　项目概况

拟建项目位于陕西省榆林市榆阳区榆林职业技术学院校区西南角，包含3个单体，分别为竞赛馆、热身训练馆和游泳训练馆，如图1所示。                          

图1　项目整体效果图

Fig.1　Overall effect drawing of the project

项目总建筑面积为29,188.35㎡，其中竞赛馆和热身训练馆屋盖为空间非对称NURBS（non-uniform rational B-splines）双曲斜交单层网壳结构，本文以竞赛馆为例进行介绍。

1.2　结构形式

竞赛馆屋盖网壳杆件均为矩形管截面，截面高度为400~1,000mm不等，外圈为D900mm×25mm圆管。网壳起始点标高为+10.900m，最高点标高为+42.167m。竞赛馆屋盖支撑钢柱呈椭圆形布置，其外轮廓尺寸为78.6m×98m，最大悬挑为16.367m，如图2所示。

图2　竞赛馆杆件尺寸及外形（单位：mm）

Fig.2　Shape and member dimensions of the competition hall（Unit：mm）

2　施工方案

2.1　详图深化

竞赛馆屋盖是由箱形钢梁组成的空间网壳结构，经、纬线方向上的梁在每个节点位置通过空间上的不断旋转而达到所需建筑效果。由于屋面网壳为非对称结构，其经线及纬线上梁的空间位置也为非线性变化，因此导致在几千个经、纬线节点交叉的位置，箱形钢梁均需要不断地扭转一定角度。

从室内看，该项目钢结构均为外露，为达到建筑效果，要求每个节点位置的4根箱形杆件底面均指向球心，因此整体弯扭无疑是最好的实现方式，但相应的加工成本及工期会受到很大影响。为此本文根据项目特点，提出以标准直杆件加折板弯扭节点来实现空间双曲造型的方法，该方法的核心技术是找到4根杆件的拟合法线以及折板弯扭节点的设计方式。当两根直杆件相交时，相邻的两根箱形梁存在截面扭转，所以必须在每个节点位置设计一个过渡节点，并将该过渡节点深化加工成弯扭杆件，每一根弯扭构件由4块弯扭钢板组合而成 ^[1] ，可以无错边连接两端箱梁。节点长度根据与主杆件相交次杆件的倾斜角度而定，控制在600~700mm之间，以方便节点内横隔板的焊接，从而实现空间非对称NURBS双曲斜交网壳屋盖结构的深化，如图3所示。

图3　不带过渡节点与带过渡节点效果图

Fig.3　Rendering with and without transition nodes

2.2　构件加工

构件加工的最大难度在于过渡节点的加工及主杆件的组拼，过渡节点起到承上启下的作用，本工程通过4块钢板的折弯来实现过渡节点的制作。箱形截面的4块钢板均存在不同角度的折弯，在加工过程中需仔细记录，在拼装过程中也必须严格按照零件编号组装，如图4所示。

图4　过渡节点

Fig.4　Transition nodes

过渡节点之间均为直杆件，为减少现场施工工作量，在工厂内将过渡节点和直杆件组拼成长度约12m的主杆件，主杆件具体分段位置需根据现场支撑胎架的布置来确定。由于构件是通过折弯过渡节点来实现双曲，根据其结构特点，采取合理的拼装顺序 ^[2] ，为此在工厂拼装时需通过全站仪投点定位，确定各个拼装胎架的空间坐标，然后给出每个直杆件的端头坐标，调整好角度后将折弯过渡节点卡入相邻直杆件之间，同时在腹板两侧加设卡玛板使二者对接错边量≤2mm，确保整根主杆件节点位置对口处的圆滑过渡（图5）。

图5　工厂放样拼装

Fig.5　Setting-out and assembly in the factory

在焊接前复测杆件顶部各个角点的坐标，确认无误后开始焊接。单根杆件的焊接量非常大，应从焊接顺序上最大限度地释放焊接应力，降低焊接变形对构件几何尺寸的影响。单根杆件焊接时采用两名焊工同时对称施焊，整个施焊过程保证焊接电流、电压及焊接速度尽量一致，先焊接过渡节点与主杆件腹板焊缝，然后焊接翼缘板焊缝，最后焊接次梁与过渡节点焊缝，如图6所示。焊接完成后，用全站仪对两端部控制点进行复测，复测无误后方可脱胎。

2.3　现场拼装

采用分片拼装及吊装的方式进行安装 ^[3] ，单根构件运至现场后，需将主杆件及其之间的次杆件拼装成梯子形吊装单元，如图7a）所示。由于吊装单元的几何尺寸不一，倾斜角度及空间定位现场很难准确计算，需要通过AutoCAD平台建立独立的三维空间坐标系[4]，以其中一根杆件的端头为原点建立局部坐标系，并根据主杆件的位置合理布置拼装胎架，以方便地面拼装及焊接操作。由于构件为双曲造型，倾斜角度较大，每个胎架支撑面均为斜面，因此在拼装胎架顶端加设一块钢板以便于控制其空间角度，拼装现场如图7b）所示。

图6　焊接顺序

Fig.6　Welding sequence

图7　梯子形吊装单元及拼装现场

Fig.7　Ladder-shaped hoisting unit and assembly site

构件上胎前，首先用水准仪对胎架进行标高抄测，保证平台的平整度 ^[5] ，然后利用全站仪将控制点的坐标投影到地面铁块上或混凝土地面上，并标记好高程。若控制点投影在铁块上，则需在铁块背面焊接削尖的角钢，打入地面，以防止拼装过程中控制点移动。构件上胎后通过吊线锤和量高程的方法调整好空间位置并进行临时固定 ^[6] ，如图8所示。

图8　现场拼装构件扭度复核

Fig.8　Torsion review of on-site assembled components

主杆件定位结束后开始安装补档次杆件，由于补档次杆均与过渡节点相连接，同时其底面存在一定角度的倾斜，故在过渡节点加工过程中，根据补档次杆件的具体位置设置定位孔，现场安装时以定位孔为控制点，提前焊接角钢作为限位及临时支托，如图9~10所示。

图9　过渡节点定位孔（单位：mm）

Fig.9　Locating holes of transition nodes（Unit：mm）

图10　次杆件安装示意（单位：mm）

Fig.10　Installation diagram of secondary member （Unit：mm）

2.4　胎架布置

竞赛馆屋盖造型类似草帽，帽前端跨度较大，为方便现场施工，整个竞赛馆内圈布置三圈半胎架，每个胎架顶部设置两个支撑点，分别支撑在两根主杆件下部，胎架最宽的为4m，最窄的为1.5m，这给现场施工带来了一定的难度。在竞赛馆外圈悬挑布置一圈支撑胎架，如图11所示。支撑胎架用杆件沿环向水平连接，形成环形支撑体系，以提高临时支撑胎架的整体稳定性，同时抵抗安装过程中因结构自重增加而产生的水平推力。

由于单钩吊装的构件均为双曲造型，因此同一个胎架上的两个支撑点存在较大的高差，考虑到胎架自身的安全性，将胎架顶部设计成台阶形胎帽，卸载装置布置在胎帽顶部的转换梁上，并通过型钢将卸载装置固定在胎帽上。卸载装置顶部设计为凹槽形支撑装置，安装时该支撑装置刚好支撑在箱形截面主杆件的角部，以控制其位移及空间角度，如图12所示。

图11　胎架布置

Fig.11　Layout of jig frame

图12　胎架顶部构造

Fig.12　Detail of jig frame top

2.5　构件安装

整个竞赛馆外形为螺旋体交叉上升，构件分两个方向倾斜，最大倾斜度分别为71°和 63°，在最后封顶安装时难度极大。吊装单元单钩重约25t，安装时采用4点吊装，配置3个10t重的导链调平，每个导链均设置一根保险绳。吊装前计算好每根钢丝绳的长度，在地面将构件调整至安装状态，并复测每根主杆件之间的高差，调整好角度后即可起吊安装，如图13所示。

图13　构件地面高差调整（单位：mm）

Fig.13　Adjustment of ground elevation difference of components （Unit：mm）

安装第1圈构件时，其一端搭设在支撑胎架上，另一端通过卡板固定在环梁上，调整完成后对靠环梁位置侧焊缝及时进行焊接，焊接时由两个人对称施焊，避免因焊接的不对称变形而导致端头的控制点发生改变。

在安装过程中，因杆件自身受力变形，松钩后会导致其空间位置发生一定的变化，故在第一榀构件松钩前后用全站仪对箱形主杆件端头顶部中心点坐标进行测量比较，总结其变形规律，以便在下一榀构件安装时进行适当的预偏校正。安装第2圈构件时仍以其端头顶部中心点作为控制点，从而将误差消化在圈与圈之间的接头位置，以避免产生累积误差。

补档次杆件为倾斜状态，地面主杆件拼装好后即在侧边焊接限位支托，以方便高空补档次杆件的快速准确就位。次杆件吊装时需配置两个导链来调整其倾斜度，如图14所示。

图14　次梁安装调整

Fig.14　Installation and adjustment of secondary beam

顶部压力环由于内部杆件牛腿多达48个且倾斜度非常大，故支撑点无法布置在胎架中心，只能布置在胎架的一个侧边，胎架截面规格为2m×2m。压力环构件出厂前在工厂内需进行预拼装，现场地面分组拼装好后，在压力环的每个牛腿角点位置贴设反光片，用以高空控制斜牛腿的空间定位，如图15所示。

图15　顶部压力环吊装

Fig.15　Hoisting of top pressure ring

竞赛馆内圈结构安装完成后开始进行支撑胎架的卸载，卸载完成后进行外圈悬挑结构的安装，最大悬挑长度为16.367m。其中，整体吊装部分在地面拼装成整体，然后进行安装，散装的杆件在地面拼装成梯子形，然后进行安装，其安装方法与内圈构件的安装方法一致。为方便安装，在每根悬挑梁底部布置一个胎架，如图16所示。

图16　外侧悬挑构件安装

Fig.16 Installation of the outer cantilever component

2.6　胎架卸载

屋盖安装过程中的受力与设计状态完全不一样，整个结构体系是一个逐步建立的过程，因此对施工过程中的若干关键工况进行计算，对可能发生的不利因素进行提前预警，以保证结构施工的安全 ^[7] 。

运用MIDAS有限元软件对胎架卸载施工过程进行模拟分析，得出内圈屋盖卸载完成后的变形值最大达到了161mm。由于竞赛馆胎架卸载值较大、支撑点较多，故本项目采用分区分级同步卸载 ^[8] 方案。分区即分为第1环区、第2环区、第3环区、第4环区及悬挑区；分级即每一级支撑点处的卸载量为20mm；同步即每一区支撑点处同步卸载，具体卸载步骤如表1所示。

竞赛馆屋盖悬挑位置的卸载方式与内圈胎架的卸载方式一致，卸载值根据计算结果确定，每一级卸载值为20mm。

卸载前先在支撑点上方的箱形杆件上贴设反光片并测量其三维坐标，同时在H形钢支撑杆上每20mm处画一道标记线，卸载时严格按照标记线进行切割。在卸载过程中通过观测反光片进行实时监测，以判断钢结构在卸载过程中的变形与理论计算值的偏差情况，每卸载一步都要有详细的监测记录。整个支撑胎架卸载完成后，将实际变形值与理论计算值进行对比，二者基本一致，如图17所示（由于第3、4卸载级前两步变形值较大，故均列于图17中）。变形最大处的理论变形值为161mm，实际变形值为169mm。

图17　各卸载级最大变形点的实际变形值

Fig.17　Actual deformation values of the maximum deformation point of each unloading stage

3　结  论

本文以榆林市职业技术学院体育馆项目中竞赛馆的空间非对称NURBS双曲斜交单层网壳屋盖为研究对象，从详图深化、地面拼装、高空散装、卸载等方面全方位地介绍了单层网壳屋盖的施工技术，并具有一系列创新点，解决了施工过程中的各种难题，优化了施工措施，降低了施工成本，同时为类似项目的施工提供了宝贵的经验，主要创新点如下：

（1）提出了标准直杆件+折板弯扭节点实现空间双曲的方法。

（2）设计了一套台阶式支撑胎架，可用于倾斜度较大的单层网壳支撑系统。

（3）通过焊接托板来提高补档次杆件的安装就位速度及精度。

（4）针对多支撑点系统，提出了分区分级卸载方法，确保支撑胎架的平稳卸载。

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