浠水县杂技馆钢结构球面网壳施工关键技术

金建勇，楼政权，徐闽涛，陆海涛

(中天建设集团浙江钢构有限公司，浙江 杭州 310008)



浠水县杂技馆钢结构球面网壳施工关键技术

金建勇，楼政权，徐闽涛，陆海涛

(中天建设集团浙江钢构有限公司，浙江 杭州 310008)

摘要：湖北省浠水县杂技馆项目外罩面是由矩形截面杆件构成的球面网壳结构，节点采用NΦN鼓式节点。经过方案比较，本工程搭设局部脚手架，采用小拼单元内扩高空散装法对球面网壳进行安装施工。在此，详细介绍该球面网壳的测量定位、小拼单元预拼装、安装及质量控制等关键技术。

关键词：球面网壳；安装；小拼单元；测量定位

单层球面网壳结构具有结构简洁，网格划分灵活、造型美观，节点构造简单、安装方便等一系列优点，备受建筑师们的青睐。但是也存在整体稳定性差、节点刚度要求大、施工控制难、对缺陷敏感等一系列问题，以致大大限制了该类网壳结构的发展[1]。

浠水杂技馆外罩面球壳跨度56 m，矢高32.33 m ，矢跨比约4/7，是典型的超半球单层球面网壳结构。网壳由于矢跨比大，网架承载力降低，结构曲面变化大，施工难度增大，技术处理上较复杂，因而在应用方面较少见。本文对其空间三维坐标控制、安装方案等施工要点进行了分析阐述，为以后类似工程施工提供一些经验和借鉴。

1工程概况

浠水杂技馆位于湖北省浠水县，建筑高度37.90 m，总建筑面积11 000 m2，钢结构部分包括外罩面球面网壳、中部钢桁架演艺训练平台及内部悬挂马道等。网壳顶标高36.53 m，直径56 m，顶部设有通风井及吊顶，每个三向单元面层铺设连接件，支撑外部三角锥形玻璃幕墙和铝板。

整个球面网壳由NΦN鼓式节点和矩形钢方管杆件组成，从基础至顶部共分19环，由两部分组成，其中一区(1至15环)为葵花形三向网格体系，顶部二区(16至19环)为加强的双层组合网壳。球壳杆件截面尺寸为□150×8、□130×8，节点采用圆管φ351×16加上下盖板(图1)，均采用Q345-B钢材。支座采用铰接平板支座支承于下部主体结构上，共72处，通过加强环向杆件与支座的连接，有效解决了下部主体刚度和温度变化对单层球壳的影响问题。

球面网壳立面见图2。

图1　鼓式节点

图2　网壳立面图

2安装方案选择

2.1地面拼装、高空吊装法

需在网壳周边设立4～6块临时拼装场地，对拼装场地进行硬化加固处理，把整个网壳分成若干片，在周边拼装场地上设立专用胎架，进行网壳分块中拼，然后分块吊装。

2.2高空散装法

高空散装法是指网格结构的杆件和节点或事先拼成的小拼单元直接在设计位置总拼，拼装时一般要搭设全支架，有条件时，可选用局部支架的悬挑法安装，以减少支架的用量[2]。

全支架安装法，一般是将面层按网壳曲面形状搭成台阶状，每层台阶按规定标高铺设脚手板，再用小型可调支承工具支承节点，网壳在设计标高一次拼装完成[3]。

2.3方案比较

1)施工资源满堂脚手架法只要有一般的起重机械和钢管脚手架即可，无特殊要求。吊装法不但对整个施工现场的施工道路、人员等有更高的要求，而且需投入大型吊装机械。

2)工程进度采用满堂脚手架一次性投入较大，不利于立体交叉作业，进度较慢。采用吊装法，在拼装场地先拼装后吊装合拢，工期较快。

3)经济性采用满堂脚手架施工只是钢管架的租赁费及拆装费，比较便宜。采用吊装法施工，每片重量较大，需采用200t汽车式起重机吊装，起重机租赁费和施工道路上都将投入较大。

4)质量在满堂脚手架工作平台上作业，施工质量容易控制。高空吊装法对结构的拼装精度要求高，受构件制作精度影响大，且容易产生施工安装初应力。

5)安全全支架法可采用通常的安全防护在高空作业。吊装法在中拼单元就位和单元间拼接时的高空作业，安全风险较大。

从经济、技术、进度、质量、安全角度考虑，本工程决定采用高空散装法进行安装。1～8层环网格采用局部支撑架+小单元拼装进行顺做悬挑安装，自下而上递进，合拢内扩施工；9～19层环网格采用全支架法安装。

3施工技术及控制要点

3.1网壳安装顺序

测量定位放线→脚手架支撑架搭设→小单元预拼装→小单元现场吊装→全站仪测量定位→节点焊接→坐标及焊缝检测→整改验收→表面涂装。

3.2支撑架设计

采用安全可靠的满堂脚手架支撑作为主体支撑系统，其中第1～8环支撑架搭设在已施工完成的混凝土结构上，采用局部满堂脚手架；从第9环至网壳顶部采用满堂脚手架，脚手架支撑搭设在已施工的桁架平台楼面上。脚手架搭设剖面见图3。

满堂脚手架横向间距1.2m×1.2m，步距为1.2m，脚手架最高搭设高度为12.200m。每层工作平台的高度为每层鼓式节点下200～300mm。经验算分析，桁架平台楼面满足设计及施工荷载要求。

我们借鉴脚手架U型支托并结合矩形钢管截面，制作了专用的可调式支撑工具(图4)，用以调节支撑并固定钢结构和脚手架之间的连接。该支撑工具构造简单、使用灵活，给钢结构的安装定位带来了较大的便利。

3.3网壳安装顺序

1)网格结构第一圈安装：首先在地面进行分块预拼装，每块构件包括一个鼓式节点和两根杆件(径向杆)，形成单个三角形。用小型汽车吊进行吊装就位，调节可调式支撑工具来调整就位位置。两个相邻的小拼单元吊装完成后，安装水平环向杆件。分2个班组，以此类推把总共72块构件安装完成(图5)。

2)从第二环开始，小拼单元扩大，包括两个鼓式节点和5根杆件(含4根径向杆和1根水平杆)。吊装完相邻的扩大小拼单元后，也要立即连接中间的水平环向杆件(图6)。

3)本环焊接合拢，经测量和检验合格后按从下向上分段分区逐层安装。

4)采用这种方法吊装的优点有：小单元重量较小，对吊装机械设备的起重能力要求小，便于操作人员灵活安装；测量和调整安装单元时可以对每个节点进行控制，保证将每个节点安装的实际坐标与设计坐标误差降到最低限度。

5)第3至13层环的安装方法与第2层环相同(图7)。

图3　支撑架设计立面图

图4　可调支撑工具

图5　首层环小单元吊装

图6　2层环小单元吊装

图7　第3～13层环小单元吊装

6)第14层环结构进行了抽杆，安装时，小拼单元也有所变化，每个小拼单元采用“个字形”小单元吊装，即由一个鼓式节点和3根径向杆件组成。安装方法同上。

7)第16层环至19层环为网壳顶部通风井，为双层组合网格结构，安装采用高空散装法。在全支架上满铺脚手板形成工作面，构件到位后高空进行拼装(图8)。

8)网壳结构安装完成后，形成闭合完成的球面网壳，便可进行外围檩条和铝板、玻璃的安装。

图8　通风井顶部小拼单元

3.4小单元拼装关键技术

在钢构散件进入拼装现场之前，首先进行拼装场地平整度测量，使场地满足拼装要求；根据拼装要求设置并校准拼装工作平台。

根据设计图，在拼装工作台上测定出待拼装钢结构在拼装状态下的水平投影，主要包括轴线、外廓线、节点大样。在确定钢结构长度时要考虑温度变形及其它因素产生变形的影响，并对长度值进行相应的修正。小拼单元CAD放样图见图9。

网壳小单元拼装控制数据主要为杆件长度、杆件与杆件夹角、杆件与鼓式节点角度。杆件长度通过钢尺进行测量；杆件之间夹角的测量通过从杆件与节点连接端开始，向另一端量取2m距离，做好标记，最后测量两个杆件标记点之间距离(图10)。与CAD放样结果(图9d))进行比较，控制角度。杆件与鼓式节点角度，鼓式节点水平放置于胎架上，通过钢尺测量杆件两端高差，根据CAD放样数据调整杆件水平度(图11)。

拼装结束后，要对拼装体的几何尺寸进行验收测量，为最终安装提供依据(图13)。

图9　小拼单元CAD放样图

图10　杆件角度检查

图11　杆件与鼓式节点角度检查

图12　完成拼装的单元组件

3.5安装测量定位

1)复测网壳底部平板支座的位置标高。当有偏差时应调整支座部件尺寸。

2)鼓式球节点定位控制及测量是本工程施工难度较大的工作，节点三维空间的位置精度直接影响整个建筑外观效果。节点坐标测量工作主要有节点安装定位测量、安装矫正测量、焊接变形监测、安装完毕验收测量等。

3)安装定位是通过测量鼓式节点球上盖板中心的三维坐标是否与设计值坐标一致来实现的。测量具体操作如下：①根据设计图纸模型，计算出测站点、各鼓式节点球的三维坐标；②在测站点架立全站仪，精确整平对中；③输入测站点坐标及高程、全站仪的仪高、后视点方位角，精确瞄准后视点按设角键；④在鼓式节点中心点架立棱镜，转动全站仪对准棱镜，按坐标测量键，获取鼓式节点坐标，计算实测坐标与设计坐标的差值，测量过程见图13；⑤调整U型支托顶撑，使其调到预定的高度和水平位置，调整鼓式球节点的位置，直到球节点定位准确；⑥重复以上过程，放样出该测站点上的所有待放样点。

4)为了避免放样误差的积累，安装时必须对每个小拼单元鼓式节点进行测量控制，每环结构合拢后再进行复核矫正测量。每环网格下节点焊接前，应确保做到各鼓式节点径向距离合格。出现的误差要在每环安装时消除，不得造成累积误差。整体安装后，作一次全面检查和测量。

图13　全站仪测量

3.6支撑系统卸载

当杂技馆所有节点焊接完毕并检查合格后，进行支撑系统的卸载，卸载采用由上而下、逐层拆卸支撑工具的方法。拆除过程中，检测坐标控制点的变化情况，当变化值是在合理范围内时方可进行下道支撑具的拆卸。

4质量控制

质量控制措施包括：

1)网壳施工中严格执行《空间网格结构技术规程(JGJ 7—2010)》《钢结构工程施工质量验收规范(GB 50205—2001)》《钢结构焊接规范(GB 50661—2011)》等有关标准规范，并严格按照设计图纸施工。

2)对于购进的矩形钢管，必须有材料出厂合格证及原始的材料质量保证书。并对材料的外观及几何尺寸等进行检测，检验结果与质保书规定相符时，方可办理入库手续。

3)杆件下料时，应根据设计图纸放样，并预留焊接收缩量。

4)小拼单元拼装胎架应牢固稳定，每榀单元拼装前检查胎架坐标数据，避免拼装误差累计。

5)焊接必须严格按焊接工艺要求操作，按照对称焊接的方法焊接，减少焊接变形和焊接应力。

6)油漆材料、厚度和质量要求必须达到设计规范规定。

5结语

球面网壳主要是将加工好的网壳杆件通过高空散装法从下往上安装，形成稳定、安全的网壳不变结构，并且经济效益和社会效益显著。本工程应用了安装支撑工具、小单元吊装、全站仪测量等技术，确保了浠水县杂技馆这一高大新颖工程得以呈现。

参 考 文 献

[1]葛金刚.强震作用下单层网壳结构倒塌机理及抗倒塌措施[D].天津:天津大学，2012.

[2]中国建筑科学研究院.JGJ 7—2010空间网格结构技术规程[S]．北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]卓新，董石麟.球面网壳顺作悬挑法与全支架安装法施工内力特性及其对比分析[C]//第八届空间结构学术会议论文集.开封：中国土木工程学会桥梁及结构工程学会空间委员会，1997:647-652.

收稿日期：2016-01-14

作者简介：金建勇(1987—)，男，浙江青田人，工程师，从事建筑工程施工管理工作。

中图分类号：TU758.11

文献标志码：B

文章编号：1008-3707(2016)03-0050-05

Construction Key Technology of the Steel Structure SphericalBraced Domes for the Circus in Xishui County

JIN Jianyong, LOU Zhengquan, XU Mintao, LU Haitao