湯海江，郭 磊，蔣永揚(yáng)

浙江中南綠建科技集團(tuán)有限公司，浙江杭州 310051

0 引言

隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，在自我私有空間擴(kuò)大的同時，公共活動空間的需求也與日俱增。影劇院、體育場館、高鐵站、飛機(jī)場等大跨度建筑不斷在城市中興建。世界上許多先進(jìn)國家著名城市的標(biāo)志性建筑，以及很多優(yōu)秀旅游景區(qū)的建筑始終與空間異型扭轉(zhuǎn)曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)密不可分，歷屆奧林匹克運(yùn)動會、世界各國的各種交通樞紐站、世界博覽會也無不成為各國最先進(jìn)的大跨度空間結(jié)構(gòu)競相亮相的舞臺。

在“峰會后、亞運(yùn)前”的時代背景下，乘著杭州第19屆亞運(yùn)會舉辦的東風(fēng)，為了向國際友人彰顯杭州的獨(dú)特魅力，杭州西站應(yīng)運(yùn)而生。但在建造過程中結(jié)構(gòu)形態(tài)較為復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)處桿件多、受力復(fù)雜，拼裝中存在桿件空間定位難度大、施工作業(yè)復(fù)雜等問題，故本文以杭州西站云門幕墻鋼結(jié)構(gòu)工程為背景，重點(diǎn)闡述杭州西站云門幕墻鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的建造實(shí)踐。

1 工程概況

杭州西站［1］樞紐南區(qū)站城綜合體云門工程位于杭州市余杭區(qū)倉前街道杭州西站南側(cè)，占地面積10 800 m2，總建筑面積9.67 萬m2，結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高81.35 m?！霸崎T”是杭州西站“云之城”的重要組成部分，以江南意向塑形，為其塑造獨(dú)特的城市形象，用同構(gòu)的手法統(tǒng)一綜合體的立面形象，并通過“云海”氛圍營造現(xiàn)代江南城市聚落?！霸崎T”寓意人流與數(shù)據(jù)的流動，契合站區(qū)所在的未來科技城地域特點(diǎn)，呼應(yīng)杭州互聯(lián)網(wǎng)新經(jīng)濟(jì)之城的特色；同時還代表著互聯(lián)網(wǎng)信息數(shù)據(jù)間的自由流動，象征著高度發(fā)達(dá)的互聯(lián)網(wǎng)信息新經(jīng)濟(jì)（圖1、圖2）。

圖1 杭州西站效果圖

圖2 杭州西站云門效果圖

幕墻鋼結(jié)構(gòu)由屋頂單層框架+下部曲面單層網(wǎng)殼組成，其中屋頂單層框架下部落于云門主體結(jié)構(gòu)頂部，通過21組樹杈柱+7組箱型柱支承于下部主體結(jié)構(gòu)上，結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高81.35 m。下部單層網(wǎng)殼分為上部洞口花瓶狀網(wǎng)殼和下部異型不規(guī)則曲面網(wǎng)殼。下部網(wǎng)殼通過60 組小短桿將封邊圓管與主結(jié)構(gòu)連接，網(wǎng)殼內(nèi)部通過22組V型撐，將網(wǎng)殼支撐固定于主體結(jié)構(gòu)上，網(wǎng)殼最下部落地處通過28組成品鉸支座與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)連接；上部花瓶狀網(wǎng)殼，腰身處通過8組成品鉸支座與空中連體連接，網(wǎng)殼最上部和屋頂框架在空中連體中間洞口交界處固定連接成一體（圖3）。

圖3 幕墻鋼結(jié)構(gòu)分拆結(jié)構(gòu)圖

2 項(xiàng)目建造過程中的重難點(diǎn)

1）屋頂單層框架結(jié)構(gòu)由于現(xiàn)場實(shí)際安裝前主體結(jié)構(gòu)部分已經(jīng)安裝完成，結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高81.35 m，結(jié)構(gòu)跨度達(dá)176 m，現(xiàn)場實(shí)際高空吊裝作業(yè)難度較大，安裝難度系數(shù)較高。因此，研究屋頂單層框架結(jié)構(gòu)的建造技術(shù)就顯得尤為重要。

2）下部單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)采用分塊吊裝的方法進(jìn)行安裝，由于安裝前主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)安裝完成，導(dǎo)致頂部最后一個合龍單元缺少施工作業(yè)面，無法通過吊裝的方式完成安裝。因此，研究下部單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的建造技術(shù)也很有必要。

3 屋頂單層框架結(jié)構(gòu)建造技術(shù)

屋頂單層框架結(jié)構(gòu)標(biāo)高較高，安裝難度系數(shù)較大，結(jié)合該類結(jié)構(gòu)類型及施工現(xiàn)場吊裝實(shí)際情況，對整體框架進(jìn)行區(qū)域劃分，確定施工總體順序，設(shè)置臨時支撐體系保證屋頂單層框架施工的合理性及安全性。

3.1 安裝思路

根據(jù)塔吊性能，屋頂框架網(wǎng)格中框架主梁采用分塊［2］或者分段進(jìn)行吊裝，分段處搭設(shè)支撐架臨時支撐，框架次梁待主梁安裝后采用塔吊散裝。

1）區(qū)域劃分

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)場場地條件，將屋頂單層框架鋼結(jié)構(gòu)以中軸線為界，劃分為2個對稱施工區(qū)域：東區(qū)和西區(qū)，見圖4。

圖4 屋頂框架施工區(qū)域劃分

2）施工順序

屋頂樓面提交作業(yè)面前，沿塔樓北側(cè)安裝2 臺塔吊，隨后開始安裝周邊低標(biāo)高79.65 m的框架柱和中間位置樹杈柱。樹杈柱支撐結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 樹杈支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)造

東區(qū)作業(yè)面從東側(cè)向西側(cè)方向施工，西區(qū)作業(yè)面從西側(cè)向東側(cè)方向施工。施工首先吊裝沿東西方向的框架主梁，然后安裝框架主梁之間次梁。在安裝中間橢圓洞口時，首先設(shè)置支撐架分段安裝封邊弧形鋼梁，然后安裝附近主框架梁，最后安裝附近次梁，具體施工流程見圖6。

圖6 屋頂框架施工流程

3.2 臨時支撐布置

屋頂框架幕墻鋼結(jié)構(gòu)施工，一個區(qū)共設(shè)置14個支撐架，主要支撐于框架主梁分段位置處和中部橢圓封邊梁分段處，其中橢圓封邊長軸處三個支撐架高度為12.0 m，下部落于空中連體桁架中間層；剩余其他位置處支撐架高度為4.8 m，落于結(jié)構(gòu)頂部樓層，見圖7。

圖7 層頂框架施工區(qū)域劃分

4 單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)建造技術(shù)

下部曲面單層網(wǎng)殼施工作業(yè)面小，采用常規(guī)分塊吊裝的方法安裝時要搭設(shè)大量的高空支撐架，不但高空組裝、焊接工作量大，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)較差，而且存在較大的質(zhì)量安全隱患。研究網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的組成，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工方法的不同確定安裝思路及施工區(qū)域劃分，以整體提升的方式對劃分的中部B區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行提升，并通過模擬分析確保提升過程的安全性符合規(guī)范要求。

4.1 單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的組成

一種單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)包括支撐節(jié)點(diǎn)一、支撐節(jié)點(diǎn)二、支撐桿和支座，支撐節(jié)點(diǎn)一和支撐節(jié)點(diǎn)二相互連接成單層結(jié)構(gòu)，支撐桿設(shè)于單層結(jié)構(gòu)上，支座設(shè)于單層結(jié)構(gòu)的底部（圖8）。

圖8 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及節(jié)點(diǎn)、支座

4.2 單層花瓶口網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)安裝

4.2.1 安裝思路

幕墻單層網(wǎng)殼共分為2個施工分區(qū)，下部立面網(wǎng)殼采用汽車吊分塊吊裝，中間水平向網(wǎng)殼采用地面拼裝+整體提升方式安裝。

4.2.2 區(qū)域劃分

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工方法的不同，從高度上將下部單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)劃分為2個施工區(qū)域：下部A區(qū)采用分塊吊裝安裝（結(jié)構(gòu)標(biāo)高46.2 m）、中部B 區(qū)采用同步整體提升方式進(jìn)行安裝（結(jié)構(gòu)標(biāo)高4.15 m），見圖9。

圖9 區(qū)域劃分示意

4.2.3 中部B區(qū)整體提升施工技術(shù)

中部B區(qū)鋼結(jié)構(gòu)在地面拼裝成整體后，采用超大型液壓同步整體提升施工技術(shù)將其整體提升到設(shè)計(jì)標(biāo)高，再焊接對口處的桿件，大大降低現(xiàn)場高空的施工量和施工難度。

1）提升吊點(diǎn)設(shè)置

結(jié)合工程實(shí)例，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式布置12個提升吊點(diǎn)（圖10）。

圖10 提升吊點(diǎn)布置

2）提升點(diǎn)布置及提升工裝設(shè)計(jì)

提升點(diǎn)設(shè)計(jì)平臺利用原空中連體下弦層結(jié)構(gòu)設(shè)置（圖11、圖12），在兩根主梁上，放置提升橫梁，提升橫梁上放置肩梁，提升器放置在肩梁上，鋼絞線穿過肩梁上的穿線孔（圖13、圖14）。提升橫梁規(guī)格采用H588X300X12X20，肩梁規(guī)格采用B500X400X12X16，材質(zhì)均為Q345B。

圖11 提升點(diǎn)立面布置

圖12 提升點(diǎn)平面布置

圖13 提升工裝設(shè)計(jì)立面

圖14 提升工裝設(shè)計(jì)平面

3）吊點(diǎn)布置及其工裝設(shè)計(jì)

吊點(diǎn)采用托梁和吊具，先將吊具固定在托梁上，再將托梁和網(wǎng)殼整體拼裝單元固定，然后將鋼絞線和吊具固定連接。

結(jié)合整體提升技術(shù)要求及現(xiàn)場網(wǎng)殼安裝作業(yè)情況，采用兩種吊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式，吊點(diǎn)1以網(wǎng)殼桿件上掛的結(jié)構(gòu)形式與上方提升點(diǎn)垂直連接設(shè)置，吊點(diǎn)2在兩根網(wǎng)殼桿件下方設(shè)置吊點(diǎn)，鋼絞線穿過兩根桿件中間的穿線孔與上方提升點(diǎn)垂直連接設(shè)置，見圖15。

圖15 吊點(diǎn)工裝設(shè)計(jì)及現(xiàn)場

4）B區(qū)整體提升工藝流程

根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)場場地條件，中部B區(qū)提升網(wǎng)殼總重約580 t，擬采用地面拼裝，整體提升施工方式提升［3］。

網(wǎng)殼下部搭設(shè)拼裝平臺，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在拼裝平臺上拼裝完成后，利用液壓提升器整體提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高，與已安裝的下部A 區(qū)網(wǎng)殼、空中連體連接固定后，卸載提升器，完成中部B區(qū)網(wǎng)殼的施工，見圖16。

圖16 B區(qū)提升工藝流程

5）整體提升施工過程模擬分析

①模型建立及有限元分析

采用有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行提升模擬分析［4］。驗(yàn)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度采用1.5×（恒荷載）；驗(yàn)算變形采用1.0×（恒荷載）；鋼結(jié)構(gòu)單元均采用梁單元進(jìn)行模擬，荷載為結(jié)構(gòu)自重（考慮1.1倍節(jié)點(diǎn)放大系數(shù)），見圖17。

圖17 計(jì)算模型

②驗(yàn)算結(jié)果

驗(yàn)算結(jié)果見圖18～22。

圖18 X方向位移云圖

圖19 Y方向位移云圖

圖20 Z方向位移云圖

圖21 桿件應(yīng)力比云圖

圖22 提升反力云圖

③驗(yàn)算結(jié)果分析

由上述荷載組合分析結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)提升總重約580 t，桿件X向變形最大為16.36 mm，Y向變形最大為20.14 mm，Z向變形最大為27.81 mm，實(shí)際安裝過程中實(shí)測得桿件X向變形最大為18.28 mm，Y向變形最大為22.64 mm，Z向變形最大為29.83 mm，桿件對接時，可在空中連體上設(shè)置手拉葫蘆進(jìn)行臨時變形控制，保證施工精度。桿件最大應(yīng)力比為0.53<1.0，最大桿件主要為提升加固桿件，滿足規(guī)范要求。提升過程中提升器最大反力為118.8 t，最小反力為41.1 t。

④現(xiàn)場施工應(yīng)用情況見圖23。

圖23 現(xiàn)場提升應(yīng)用情況

5 結(jié)論

杭州西站樞紐南區(qū)站城綜合體屋頂單層框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)，解決了屋頂單層框架結(jié)構(gòu)由于現(xiàn)場實(shí)際安裝前主體結(jié)構(gòu)部分已經(jīng)安裝完成，結(jié)構(gòu)標(biāo)高較高，安裝難度系數(shù)大的問題；單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的安裝技術(shù)［5］，解決了下部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)采用分塊吊裝安裝時頂部合龍單元施工作業(yè)面缺乏的問題，相關(guān)技術(shù)均已成功應(yīng)用于本工程的實(shí)際建造，可為同類工程提供參考。