空间异型多曲面单层网壳高空散装施工工法

1、1空间异型多曲面单层网壳高空散装施工工法空间异型多曲面单层网壳高空散装施工工法深圳市建工集团股份有限公司中国建筑第二工程局有限公司深圳分公司米本周 、孙顺利、石义维、李坚、熊小亮一、前一、前 言言随着人们生活水平的不断提高，人们对建筑在大方实用的基础上不断的追求外形美观，同时这也大大的增加了结构的复杂程度。网壳结构作为一种新型结构，不仅具有自重小、跨度大、覆盖面积大、结构新颖等特点，同时还有良好的稳定性和安全性。尤其是在大型公用建筑体育场馆、会展中心等工程中得到了广泛的应用。惠州会展中心屋面网壳结构复杂，造型新颖，为空间异型多曲面结构。本工程屋面由上万根定制冷弯焊接方通通过十字节点板组合而成，

2、多曲面杆件相交处采用铸钢件节点连接，每个节点的空间坐标位置是唯一的。如何达到空间异型多曲面单层网壳施工质量标准，对整个施工技术要求极高。深圳市建工集团有限公司与中国建筑第二工程局深圳分公司联合组织技术攻关小组，在空间异型多曲面单层网壳高空散装关键技术取得突破，成功完成空间异型多曲面单层网壳的施工。在惠州会展中心屋面网壳工程施工过程中，得到了业主、监理、质监单位和社会各界的一致好评，取得了比较好的经济和社会效益，并在 2009年度分别获得深圳市“优质专业工程奖” 、 国家钢结构最高奖项中国建筑“钢结构金奖” （国家优质工程） 。2二、工法特点二、工法特点2.1 对支架整体稳定性进行计算，采用专用

3、可调式定位模具对沉降进行控制，使整体沉降不得超过 5mm。2.2 采用全站仪对每根杆件两端部三维点进行定位，并用专用可调式定位模具在胎架上准确定位、固定并进行标识，铸钢件进行多点定位。2.3 单片网壳小单元拼装，从中间向两端逐渐拼装，可减少累计误差。2.4 制定合理焊接顺序，从中间向两端梅花点状焊接，最后与主龙骨焊接，可保证一个自由收缩边，减少焊接应力变形。2.5 根据施工整体部署，确定结构卸载顺序。利用 SAP2000 模拟卸载过程，计算卸载过程中及卸载之后的应力及位移变化，并确定各节点卸载过程中受力情况。三、适用范围三、适用范围本工法适用于施工场地狭小的网壳施工作业，对场地要求不高，不需要

4、大型起重设备，只要有一般的起重机械和扣件式钢管脚手架即可进行安装，在网壳设计标高一次拼装完成，确实是一种较为合理的网壳的安装方法。四、工艺原理四、工艺原理高空散装法是指运输到现场的单元体或散件，用起重机械吊升到高空对位拼装成整体结构的方法。但是高空散装法安装网壳需要搭设大量拼装支架，脚手架用量大，高空作业多，工期较长，需占3用建筑物场地用地，且不易控制标高，轴线和质量，功效降低等技术难度，如何控制高空散装法各种弊病是整个施工工艺的关键技术所在。除了对支架稳定验算及对楼板承载进行验算之外，高空散装法对支架沉降控制要求很高，为了保证整体沉降不超过 5mm,整个支架分为两部分进行搭设。第一步搭设支撑

5、支架，然后对支架进行加压，将所有杆件垂直运输支架平台上均布摆放。第二步搭设杆件定位支架。杆件定位支架在支撑支架平台基础上进行搭设，采用特制可调式定位模具。通过此定位模具的运用，能够准确的对每个杆件轴线、标高进行准确定位，为整个网壳施工测量定位以及准确、高效安装提供了先决条件。网壳面积大，杆件多。采用高空散装法需要对每根杆件全部定位测量，标高、轴线不易控制。根据网壳的结构特点，杆件、节点的定位用全站仪采用极坐标法三维坐标控制，垂直度用经伟仪控制，所以测量控制点的布置必须通视。同时为了保证测量的精度，使得测量数据不因温度变化而发生改变，在筒体顶板上临时浇筑钢管砼柱测量平台，并在平台中心设置测量控制

6、点。根据现场需要布置 4个测量控制点，控制点标高高出网壳顶面标高 0.5m。整个网壳由多片组成，根据网壳的结构特点，合理分割各个单元体，使其拼装成整个网壳。以单片为拼装单元，可减少一半的累计误差和便于调整尺寸。4由于杆件全部都是散件形式在加工厂制作，带来了现场高空组装焊接、安装焊接量大，焊接质量要求高。为了更好地控制焊接变形和减小应力，严格控制焊接顺序是保证整个构件焊接后尺寸精度的关键。同时铸钢件与低合金碳素钢在不同材质不同壁厚的焊接工艺的制定了优化措施。由于网壳在结构设计上没有起拱的要求，所以在安装网壳过程中按设计标高来进行安装。对于最大跨度达 48m 的结构在卸载时，会产生怎样的形变，下挠

7、数值多大，我们都需要理论依据来指导。我们用计算机模拟支撑的拆除顺序，对不同的卸载顺序的理论结果进行比较分析。以确定一个合理的卸载顺序。五、施工工艺流程及操作要点五、施工工艺流程及操作要点51 施工工艺流程5测量放线结构支撑层与网壳相关构件的位置测量及复测脚手架测量放线脚手架搭设记录测量成果，为下道工序提供数据测量进行脚手架高度的标高控制水平安全网的铺设操作平台胎架搭设脚手架验收网壳桁架（BHJ2、BHJ1、BHJ3、BHJ4）的安装网壳主弦杆安装测量配合放线定位十字连接板杆件安装测量监控校正、焊接变形无连接板杆件安装测量监控校正、焊接变形铸钢节点安装焊口打磨补漆安装验收图 5.1 施工工艺流程

8、图5.2 确定合理的高空拼装顺序安装顺序应根据网壳形式，支承类型、结构受力特征、杆件单元，临时稳定的边界条件，施工机械设备的性能和施工场地情况等诸多因素综合确定。选定的高空拼装顺序应能保证拼装的精度，减少累计误差。严格控制基准轴线位置、标高及垂直偏差，并及时纠6正。网壳安装前应对建筑物的定位轴线、支撑轴线和支撑面标高等进行检查，做出检查记录，办理交接验收手续，总体拼装顺序是从中间向两端进行安装。5.35.3 网壳结构支撑架的搭设网壳结构支撑架的搭设5.3.1 拼装支架是保证拼装精度、减少积累误差、防止结构下沉、实现安全生产的重要技术措施。拼装支架的设计、选材、搭设、验收、使用和维护等技术环节要

9、严格把关。拼装支架采用扣件式钢管脚手架搭设，其施工层作业面用脚手板。搭设拼装支架时，支架上的支撑点的位置应设在下弦节点处或支座处。支架应验算承载力和稳定性，必要时可进行试压，以确保安全可靠。5.3.2 采用扣件式钢管脚手架做拼装支架，其结构形式应根据工作位置、荷载大小、荷载性质、支架高度、场地条件等因素决定。拼装支架有若干立杆和横杆组成，与满堂架组成自身整体稳定支架。5.3.3 支架的整体沉降量包括钢管接头的空隙压缩、钢管的弹性压缩、地基的沉降等。如果地基情况不良，要采取夯实加固等措施，并且要用木板铺地以分散支柱传来的集中荷载。高空散装法对支架的沉降要求较高（不得超过 5mm） ，应给与足够的

10、重视。5.45.4 网壳安装网壳安装7建立钢结构测量控制网，屋盖水平投影放线安装屋盖周边桁架根据放线搭设满堂支撑架从屋盖周边桁架开始安装屋盖主龙骨杆件安装主龙骨之间的次龙骨杆件安装大节点处的铸钢件复测铸钢件、主龙骨杆件、次龙骨杆件的坐标，并进行调整按主次顺序，从中间向周边焊接接口焊缝探伤检测，安装验收补刷油漆临时支撑卸载拆除支撑胎架图 5.4 网壳安装工艺流程5.4.1 现场布置 4 台塔吊，覆盖整个网壳施工区域。整体安装顺序由网壳中间往两侧方向安装，每个区域安装顺序：桁架柱桁架横杆主弦杆带十字板杆件不带十字板杆件相交处铸钢件相交处杆件。部分超过塔吊性能较重的铸钢件搭设轨道进行滑移。85.4.

11、2 在已经完成的支撑脚手架上搭设胎架，利用临时布设的钢管砼平台上的测量控制点（图 5.4.1-1） ，架设全站仪在胎架上安装可调式定位模具（图 5.4.1-2） ，并在可调式定位模具上标示十字连接板下表面中心点三维坐标点。图 5.4.1-1 测量控制点制作图9图 5.4.1-2 可调式定位模具对杆件定位5.5 网壳焊接5.5.1 本工程网壳结构复杂、现场高空组装焊接、安装焊接量大，铸钢节点焊接点多，焊接质量要求高，为了更好地控制焊接变形和减小应力，严格控制焊接顺序是保证整个构件焊接后尺寸精度的关键。1、网壳整体焊接顺序：从中间向两端焊接2、一个区域的次杆件的焊接顺序：从中间向两端焊接，一个区域

12、内的次杆件，采用梅花式焊接，避免构件加热集中产生局部变形。具体焊接顺序：先统一焊完 1 号节点，再焊 2 号节点。3、主杆件两侧与次杆件连接节点的焊接顺序：主杆件两侧的节点，要同时施焊。避免主杆件向一侧变形。焊接时，要先同时焊外侧立缝，再同时焊接内侧立缝。再同时焊接上焊缝和下焊缝。方向：从中间向两侧。102、立缝同时施焊1、立缝同时施焊图 5.5.1-1 立缝焊接顺序图4、次杆件相接节点的焊接顺序：先焊立焊缝，再焊平焊缝，最后焊接仰焊缝。按此顺序分层焊接，避免成型一条焊缝再焊下一条焊缝。平焊仰焊立焊2、先焊平焊缝3、最后焊仰焊缝图 5.5.1-2 平缝与仰缝焊接顺序图5.5.2 铸钢节点焊接工

13、艺： 1、节点概述 铸钢节点材质按 DIN17182 的 GS-20Mn5V 标准要求控制，主要性能指标屈服强度300Mpa，抗拉强度500Mpa，延伸率 22%，冲击50J。11图 5.5.2 铸钢件与方管（圆管）焊接详图2、焊接方法和焊接材料的选择考虑到现场的可操作性和施工进度要求，采用手工电弧焊与 CO2气体保护焊相结合的焊接方法。坡口型式为 V 型坡口，手工焊接选用 3.2 和 4.0 直径的 E5016 焊条，CO2气体保护焊丝选用 H08Mn2SiA。3、焊接工艺评定试验铸钢件与 Q345B 焊接工艺如下：铸钢母材不开坡口，减少与焊接材料的接触面积，减少其粗大的晶体向焊缝区渗透。打

14、底焊接采用手工电弧焊，直流反接，焊材选用 E5016 焊条。中间层和盖面层采用 CO2 气体保护焊接，焊丝选用 H08Mn2SiA。焊前用电炉板对焊接部位及两侧不小于 150mm 范围内进行预热，温度控制在 120150，保证构件内外侧预热温度相同。焊后立即用石棉布包裹并加热至 200300，保温 5 小时4、现场铸钢件焊接12现场由于场地开阔，为保证铸钢件焊接时不受风力影响，在现场搭设专用的焊接工棚。焊接前用超声波探伤仪对铸钢件焊接部位进行检测，检测合格或修补合格后方可将铸钢节点和网壳杆件点焊连接，连接后用电炉板对铸钢件和钢板进行预热，预热范围为焊缝两侧各 300mm。加热到 90100左右

15、，停止加热 15 分钟（实际试验后确定） ，以便于热量向母材内部传递，使母材内芯与表面温度接近，用测温计测量各向温度基本一致，再继续加热至 120150。预热温度达到后，立即用双数焊工对焊缝进行手工电弧焊接，焊接采用直流反接法对称同方向施工。第一道焊接时取小电流，小直径焊条慢速焊接打底，焊接至 1/3 厚度时采用 CO2气体保护焊，焊接工艺参数如下:表 5.5.2 焊接工艺参数表焊材规格（mm）电流（A）电压（V）备注E50163.2901002530打底焊E50164.01401602530中间层H08Mn2SiA1.22502802835中间层、盖面焊中间层焊接时每焊一层焊缝，用风铲进行振

16、动敲渣，在清渣的同时通过振动击打，可消除部分焊接应力，焊接过程中确保焊接层间温度不低于预热温度，由测温仪监控测量，焊接结束后立即用石棉布覆盖包裹保温，并加热至 200300，然后保温 5 小时。为了保证本工程的焊接质量，采取了以下措施：a、采用了 CO2气体保护焊；b、焊丝用药芯焊丝代替实芯焊丝，减少了焊接飞溅；c 正式焊接之前所有焊工通过强化培训并焊接考试合格。135.65.6 网壳卸载网壳卸载网壳卸载是指网壳拼装完成后拆除支架后拆除支架上支撑点，使网壳由临时支承状态平稳过渡到设计永久支座的操作过程。网壳卸载过程是使网壳缓慢协同空间受力的过程，此间，网壳结构发生较大的内力重分布，并逐渐过渡到

17、设计状态。因此，网壳卸载。拆除临时支座及时就是荷载转移过程。在荷载转移过程中，必须遵循“变形协调、卸载均衡”的原则。不然可能造成临时支撑超荷失稳，或网壳结构局部甚至整体受损。在卸载过程中由于无法做到绝对同步，支架支撑点卸载先后次序不同，其轴力必然造成增减，应根据设计要求或计算结果，在关键支架支撑点部位，检测支架支点的轴力变化，确保卸载安全。支架的拆除网壳拼装成整体并检查合格后，即拆除支架，拆除时应从中央逐步向外分批进行，每圈下降速度必须一致，应避免个别支点集中受力，造成拆除困难。对于大型网壳，每次拆除的高度可根据自重绕度值分成若干批进行。在卸载过程中，必须严格控制循环卸载的，设置测量控制点，在

18、卸载过程进行监控，并与计算结果对照，实行信息化施工管理。卸载过程中要精心组织、精心施工，编制专门的责任制，设总指挥和分指挥分区把关。整个卸载过程中在总指挥统一指挥下进行工作。操作人员要明确岗位职责，上岗后按指定位置对号入座。5.7 劳动力组织14表 5.7 劳动力组织情况表序号工 种人 数工 种人 数工 种人 数1负责人1技术负责人1质量员12安全员2起重指挥4架子工803吊车司机2起重工12测量工34电工2电焊工80铆 工165合计：204 人六六、材材料料与与设设备备表 6 主要机具设备表序号设备名称设备型号数 量备 注1塔式起重机TC60131台2塔式起重机QTZ160F1台3塔式起重机

19、MC230A1台4塔式起重机H3、36B1台5气体保护焊机YM-500KR30台6直流焊机AX-500-715台7碳弧气刨机ZX5-6304台8电焊条烘箱YGCH-X-4002台9空气压缩机XF2003台10磨光机12020台11对讲机5千兆10对12千斤顶5/10吨10/10个13葫芦2/5吨20/8个14超声波探伤仪CTS-222台15全站仪Topkon5台15七、质量控制七、质量控制7.1 工程质量控制标准本工程施工质量执行网壳结构技术规程 、 钢结构工程施工质量验收规范 （GB 50205-2001） 。单层网壳允许偏差按表 7.1 执行。表 7.1 空间异型多曲面单层网壳允许偏差表序

20、号项 目允许偏差（）检查方法1控制支承点距离L/2000,且不应大于 30用钢尺跨度60m20用水准仪、全站仪2高度跨度60m30用水准仪、全站仪3支承支架沉降5用水准仪4控制点竖向位移相应荷载作用下设计值的 1.15 倍用水准仪7.2 质量保证措施7.2.1 支承胎架必须分两步进行搭设，第一步搭设完成后整个架体进行均布加压，当支承支架沉降稳定后再进行第二步可调式定位模具的安装。7.2.2 可调式定位模具的安装必须在全站仪的配合下准确进行安装，三维坐标点标识在可调式定位模具上，标识要清晰、醒目。7.2.3 每片网壳焊接之前必须用全站仪对每个节点进行测量检测，验收合格后才能进行焊接。7.2.4

21、本工程连接节点焊缝均为一级焊缝，应进行 100%的检验，其合格等级应为国家标准钢焊缝手工超声波探伤方法及质量分级法16（GB11345）B 级检验的级及级以上。八、安全措施八、安全措施按照国家、省、市有关法律法规，要求结合工程实际，编制安全生产方案，主要安全措施如下：8.1 高处作业的安全设施必须经过验收通过方可进行下道工序的作业。8.2 重点把好高空作业安全关,高处作业人员必须经过体检合格，工作期间,严禁喝酒、打闹。小型工具、焊条头子等放在专门工具袋内。使用工具时，要握持牢固。手持工具应系安全绳，应避免直线垂直交叉作业。8.3 吊装作业应划定危险区域，挂设安全标志，加强安全警戒，由现场安全员

22、随时监控施工安全，发现不安全源及时通知施工人员进行整改。8.4 施工中的电焊机、空压机、气瓶、打磨机等必须采取固定措施存放于平台上，不得摇晃滚动。8.5 电缆线路应采用“三相五线”接线方式，电气设备和电气线路必须绝缘良好，场内架设的电力线路必须按规定要求进行布设。8.6 氧气瓶与乙炔瓶隔离存放，严格保证氧气与乙炔瓶使用时的隔离距离。8.7 施工现场的临时用电严格按照施工现场临时用电安全技术规范的有关规范规定执行。178.8 当风速达到 15m/s（6 级以上）及雨天、夜间停止高空钢结构吊装作业。九、环保措施九、环保措施9.1 对施工过程中产生的建筑垃圾，废料等应及时清理，集中堆放由公司定期统一处置。对施工过程中产生的含油废弃物集中回收，按公司有关文件进行处置。对施工中产生的生活垃圾清扫进入垃圾池，有安全部定期处置。9.2 当施工噪声的分贝超过限制，应立即查找噪声来源，如属人为噪声，要做好施工人员的思想教育工作，减小人为噪声的发生。如属机械噪声，尽量将各种机械的作业时间错开，避免强噪声机械同时工作，或为机械加装消声设备，