夏劍龍，潘志強(qiáng)

（華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510000）

1 工程概況

本工程為華潤前海金融中心天幕及特色餐飲平臺幕墻工程，位于深圳市南山區(qū)夢海大道與桂灣四路交匯處。結(jié)構(gòu)形式為大跨度空間自由曲面單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，建筑總面積為3500m2。網(wǎng)殼由一系列樹型柱和一對接地柱支撐在結(jié)構(gòu)混泥土上，天幕上表皮由ETFE 膜（帶彩釉點(diǎn)）及邊天溝排水系統(tǒng)組成，其整體效果見圖1。

圖1 整體效果

2 主體結(jié)構(gòu)體系

天幕為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，主體鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定體系較為復(fù)雜。網(wǎng)殼組成：樹形柱、接地柱、邊環(huán)梁、填充桿件、X 節(jié)點(diǎn)。首先如何使天幕下方形成較大空曠的空間，又需要保證有足夠的支撐系統(tǒng)來承受上方所傳導(dǎo)下來的荷載。經(jīng)過多次論證實(shí)驗(yàn)及計(jì)算，第一步：我們采用8 根樹型柱及一對接地柱作為主要豎向支撐結(jié)構(gòu)。第二步：由于天幕投影面積較大（3500m2），如何將天幕的重量均勻傳導(dǎo)至支撐結(jié)構(gòu)上，我們經(jīng)過計(jì)算使用31 根管徑大小及長短不一的圓管將支撐柱與網(wǎng)殼進(jìn)行連接，連接方式為鉸接，見圖2。

天幕網(wǎng)殼填充系統(tǒng)：￠299 圓管、拉桿X 節(jié)點(diǎn)組成?！?99 圓管經(jīng)過坐標(biāo)定位與邊梁焊接，￠299 圓管之間連接采用X 型節(jié)點(diǎn)剛性連接。拉桿與￠299 圓管使用鉸接，見圖3。

圖2 樹杈效果

圖3 鋼管鉸接

3 膜系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

首先如何優(yōu)化自由曲面網(wǎng)殼表皮，從整個(gè)設(shè)計(jì)理念，我們根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造形狀，將表皮分解成若干個(gè)棱形網(wǎng)格布置。

ETFE 膜支持系統(tǒng)：如何在一個(gè)自由曲面設(shè)置支撐系統(tǒng)還是比較復(fù)雜，首先要保證支撐體系安全性，其次在自由曲面中必須要有可調(diào)節(jié)空間（三維調(diào)節(jié)）。根據(jù)以上兩點(diǎn)我們對支撐系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，第一步設(shè)置鋼馬件可進(jìn)行高度方向，第二步設(shè)置鋼底座可左右調(diào)節(jié)。以此系統(tǒng)安裝時(shí)可消除由于鋼結(jié)構(gòu)安裝時(shí)所產(chǎn)生的誤差，從而達(dá)到表皮安裝精度，見圖4。

ETFE 膜固定系統(tǒng)：本項(xiàng)目表皮為不規(guī)則菱形，且局部凸凹起伏無固定形態(tài)。從而導(dǎo)致如何將表皮隨形安裝對固定構(gòu)件要求較為精確及形狀要求多變。為了達(dá)到設(shè)計(jì)效果，在菱形四條直邊設(shè)置為通長直段鋁型材，在菱形四個(gè)相交角設(shè)置多曲面鋁板，從而保證ETFE 膜完美隨形，見圖5、圖6。

圖4 可調(diào)底座

圖5 膜連接

圖6 龍骨連接

4 制作

4.1 鋼結(jié)構(gòu)制作

X 節(jié)點(diǎn)制作是系統(tǒng)安裝重點(diǎn)及難點(diǎn)。如圖6 所示單個(gè)X 節(jié)點(diǎn)，每個(gè)X 節(jié)點(diǎn)四個(gè)圓管起伏高度根據(jù)網(wǎng)殼形狀均不相同。

組成X 節(jié)點(diǎn)的四管空中相交，雙曲網(wǎng)殼的數(shù)學(xué)模型決定其相交角度。將帶拉桿孔的那一整塊加肋板稱為A 加肋板，將不帶拉桿孔的兩塊加肋板稱為B 加肋板。在相貫線在同一平面的X節(jié)點(diǎn)，B 板可以根據(jù)左右管子的腔體切割弧形口，見圖7。

圖7 龍骨焊接節(jié)點(diǎn)

在完成焊接24h 后，對焊縫進(jìn)行探傷，對一級焊縫部分，100%超聲波探傷或100%磁粉探傷。三級焊縫做外觀檢查。

邊梁制作采用大口徑中頻彎圓機(jī)結(jié)合雙曲胎架進(jìn)行彎圓。本質(zhì)上中頻彎管是在交流大電流形成交變磁場，在圓管局部高速加熱，用胎架或半徑控制逼迫被彎圓管按需要變形。胎架或半徑控制同樣是半徑控制，其彎圓原理如圖8 所示。

圖8 鋼管工廠加工

將直管分段放置在大型數(shù)控彎圓機(jī)上，調(diào)整中頻線圈，讓直管穿過線圈而保持10～20mm，將液壓缸推桿通過支架頂住直管，最后啟動大型中頻彎圓機(jī)，完成作業(yè)。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)胎架

天幕工程吊裝需要用到57 個(gè)胎架，目前胎架是按回頂一層樓板布置，現(xiàn)場共計(jì)57 個(gè)胎架。其中落在負(fù)二層上的胎架TJ24、TJ25、TJ26、TJ55、TJ54、TJ16、TJ17、TJ18、TJ46、TJ47，共計(jì)10 個(gè)胎架支座反力較小，不需要做回頂支撐；其中落在負(fù)一層上的胎架TJ2、TJ3、TJ4、TJ5、TJ19、TJ20，共計(jì)6 個(gè)胎架在結(jié)構(gòu)加固區(qū)域，不需要做回頂支撐；其中落在支三路上的胎架TJ50、TJ51、TJ45、TJ30、TJ31、TJ36、TJ29，共7 個(gè)胎架在回頂加固區(qū)域，不需要做回頂支撐；剩余34 個(gè)胎架回頂一層。經(jīng)設(shè)計(jì)院復(fù)核后得知胎架按回頂一層的做法滿足結(jié)構(gòu)受力要求，見圖9。

圖9 回頂落地根部節(jié)點(diǎn)

4.3 鋼結(jié)構(gòu)卸載

本次卸載主要是對天幕網(wǎng)殼所有X 節(jié)點(diǎn)及大邊梁下的臨時(shí)固定支撐進(jìn)行卸載，以及臨時(shí)支撐的拆除。

卸載原則1：卸載過程是一個(gè)力的傳遞和受力體的轉(zhuǎn)換過程，因此是一個(gè)動態(tài)過程。卸載主要利用托臺的螺旋桿旋轉(zhuǎn)下移來實(shí)現(xiàn)的，是以位移量的控制作為卸載荷載的控制，按照先卸載全部中間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，后卸載邊梁結(jié)構(gòu)的方式，逐步放支撐力，直至完全卸載。在過程中，力的傳遞與受力體的轉(zhuǎn)換必須要遵循“合理、有序、平穩(wěn)、緩慢、均勻”的原則。

卸載原則2：卸載過程中應(yīng)保證主體結(jié)構(gòu)和胎架支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移的變化是緩慢的。

卸載原則3：載過程中應(yīng)保證主體結(jié)構(gòu)和胎架支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力控制在彈性范圍內(nèi)，同時(shí)保證內(nèi)力和位移的變化幅值控制在合理的范圍內(nèi)，使它們不發(fā)生強(qiáng)度破壞或失穩(wěn)。

卸載原則4：卸載時(shí)要進(jìn)行跟蹤測量和監(jiān)控。

卸載原則5：卸載時(shí)要統(tǒng)一指揮，保證同步且嚴(yán)格執(zhí)行卸載原則，不可一次性卸載完成，應(yīng)分多步進(jìn)行卸載。

5 天幕ETFE 系統(tǒng)施工

5.1 施工規(guī)劃

依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況編制合理施工措施方案，材料運(yùn)輸路線與堆放，針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系合理性施工。

5.2 施工重點(diǎn)

（1）主體鋼結(jié)構(gòu)安裝對施工精度要求較高，針對高精度施工我們采用全站儀通過三維坐標(biāo)進(jìn)行定位讓安裝誤差＜5mm。高精度的安裝從而使網(wǎng)殼才能符合要求完成安裝閉合。

（2）ETFE 支撐鋼架，多曲面網(wǎng)殼表皮支撐由U 形鋼件作為表皮與主體鋼架連接構(gòu)件，由于整個(gè)主體鋼架高度沒有規(guī)則性，導(dǎo)致所有鋼件長短均不相同，在安裝過程中精度較難控制。

鋼件四個(gè)角點(diǎn)都不在同一個(gè)平面，所以在安裝時(shí)如何在空間定位，我們從三維模型中導(dǎo)出四個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)。首先在主體鋼結(jié)構(gòu)上使用全站儀預(yù)先在鋼件區(qū)域焊接4 根鋼筋，鋼筋頂端為鋼件四個(gè)角安裝位置，鋼筋定位完成后將鋼件與鋼筋頂端對位安裝即可，見圖10。

圖10 支撐鋼架安裝

（3）鋼結(jié)構(gòu)卸載，本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)為大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)，卸載方案的安全性及合理性尤為關(guān)鍵。在此我們通過以往實(shí)踐及模擬計(jì)算，采用沙漏作為卸載工具。

卸載注意事項(xiàng)：

在網(wǎng)殼形成整體后，進(jìn)行卸載，卸載前網(wǎng)殼應(yīng)完成如下工序：每個(gè)分區(qū)間網(wǎng)殼已形成整體；網(wǎng)殼間節(jié)點(diǎn)與系桿之間安裝、焊接完畢；臨邊節(jié)點(diǎn)及收邊立桿安裝、焊接完畢；節(jié)點(diǎn)臨時(shí)固定托板割除打磨完畢；所有焊縫探傷合格出具報(bào)告。

原則1：卸載過程是一個(gè)力的傳遞和受力體的轉(zhuǎn)換過程，因此是一個(gè)動態(tài)過程。卸載主要利用托臺的螺旋桿旋轉(zhuǎn)下移來實(shí)現(xiàn)的，是以位移量的控制作為卸載荷載的控制，按照先卸載全部中間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，后卸載邊梁結(jié)構(gòu)的方式，逐步放支撐力，直至完全卸載。在過程中，力的傳遞與受力體的轉(zhuǎn)換必須要遵循“合理、有序、平穩(wěn)、緩慢、均勻”的原則。

原則2：卸載過程中應(yīng)保證主體結(jié)構(gòu)和胎架支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移的變化是緩慢的。

原則3：載過程中應(yīng)保證主體結(jié)構(gòu)和胎架支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力控制在彈性范圍內(nèi)，同時(shí)保證內(nèi)力和位移的變化幅值控制在合理的范圍內(nèi)，使它們不發(fā)生強(qiáng)度破壞或失穩(wěn)。

原則4：卸載時(shí)要進(jìn)行跟蹤測量和監(jiān)控。

原則5：卸載時(shí)要統(tǒng)一指揮，保證同步，且嚴(yán)格執(zhí)行卸載原則，不可一次性卸載完成，應(yīng)分多步進(jìn)行卸載。

原則6：根據(jù)邊梁各區(qū)域變形量的大小，將對下沉量較大的部位與較小進(jìn)行比例計(jì)算，得出最大下沉區(qū)域與最小下沉區(qū)域約為6：1，因此按照變形下沉的高度不同沙箱卸載時(shí)將對不同區(qū)域同時(shí)間段的卸沙量進(jìn)行比例分配，以達(dá)到同步卸載。

卸載原則：

天幕結(jié)構(gòu)中間的X 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格先卸載，分三個(gè)區(qū)域逐步卸載，每一區(qū)域?yàn)橐淮涡孕遁d；邊梁最后卸載，分三步卸載，每次卸載理論下沉量的30%，直到卸載結(jié)束。遵循從內(nèi)向外、先高后低的原則。

沙漏卸載，首先在主體鋼結(jié)構(gòu)下方安裝可承載沙漏平臺，沙漏放置平臺后與主體結(jié)構(gòu)之間焊接支撐板，支撐板與主體結(jié)構(gòu)之間空隙控制在5mm 以內(nèi)，防止卸載時(shí)造成突然沉降量過大。在卸載時(shí)遵循緩慢平穩(wěn)原則，通過沙漏兩側(cè)螺栓孔每次卸沙量控制在10mm，多次循環(huán)卸載，在卸載過程中連續(xù)觀測下沉量是否超過理論下沉數(shù)據(jù)，以此完成全部卸載。

6 結(jié)束語

前海天幕幕墻工程為華潤前海金融中心天幕及特色餐飲平臺幕墻工程，其中的特色膜結(jié)構(gòu)部分不僅造型美觀而且極大地滿足了實(shí)際的使用要求，通過本文的介紹希望能給后續(xù)類似項(xiàng)目帶來一定的借鑒。