大跨度双曲管桁架施工技术研究与应用.pdf

2023年7月总第337期陕西建筑1 0 0大跨度双曲管桁架施工技术研究与应用黄云博（陕西建工第十二建设集团有限公司 安康市 7 2 5 0 0 0）摘 要：研发的屋面双曲线钢管桁架施工新技术，包括空间符合定位、模块化拼装、空中临时支撑，在安康汉江大剧院屋盖双曲线钢管桁架的结构施工取得了巨大的成功。关键词：双曲线钢管桁架；空间符合定位；模块化拼装；空中临时支撑中图分类号：T U 7 4 文献标识码：A作者简介：黄云博，本科，工程师，主要研究方向：建筑施工管理。0 引言建筑设计追求现代意识，经常出现弧曲等新颖造型。这些建筑造型形成了独特个性，丰富了城市美感，但同时也增加了施工难度。安康汉江大剧院屋盖双曲线钢管桁架的结构施工，就是一例。针对该工程双曲线钢管桁架屋面结构的施工难点，我方施工人员创新研究出一套新的施工技术方案，简化了施工流程、提高了施工精度、加快了施工进程。取得了较好的工程效益。按照本方案施工的另一个类似工程同样得到了较好的施工效果，被认为是一项具有技术理论依据、又有施工实践证明的较为成熟的施工方法。本文就此予以解读。1 工程简介安康市汉江大剧院是是打造城市“一江两岸”核心区的标志性工程之一，也是安康市首个国家A 类剧场项目。该工程建筑面积4 9 7 4 3，建筑高度5 0 m，工程总造价3.6 亿元，是安康市集演出、会议、培训于一体的综合性公共建筑（图1）。该工程主体为框架剪力墙结构，屋盖采用钢管桁架结构，总重4 6 0 吨。桁架为反曲线结构形式，外围呈双曲线造型（图2）。管桁架地面投影为不规则四边型，四条边及所有管桁架均呈曲线组成。安装高度2 0 m-5 0 米不等，弧形半径5 3.5 m 2 3 5 m 呈不规则变量。安装坐标也各不相同。管桁架施工的空间定位复杂，控制点定位过程繁琐，工作量大。其加工组拼成为关键难点。因场地条件及塔吊能力所限，就本工程双曲管桁架只能采用分段加工、现场地面组拼、塔吊分件吊运、高空整体拼接的施工方案。若采用传统方案进行现场放养加工、选择桁架的控制点在空中连接，施工工序繁琐，拼装速度缓慢空中临时支撑技术难度大。针对安康汉江大剧院这类2023年7月总第337期陕西建筑1 0 1管桁架榀数较多的工程而言，不仅极大增加了施工工期，影响后续工程的开展；另外还将导致桁架加工、拼装及定位误差较大、精度不足，影响整个管桁架屋盖的力学性能和美观程度。施工迫切需要研发一套双曲管桁架的加工拼装新的施工方案，简单便捷、易于操作。对于保障安康汉江大剧院屋盖施工以及此类工程施工具有重大重大。2 新技术研发的思路与创新面对双曲线钢管桁架结构复杂、精度要求高、施工难度大的问题，项目部成立了专题研究攻关小组，通过文献调研、计算机模拟等分析手段，结合工程特点和实际施工经验，研发大跨度双曲管桁架新的施工技术方案。2.1 分析问题的症结、抓住关键是寻找突破口，才能形成新的施工方案。根据现场条件需要将桁架分成若干段进行预加工，按吊运重量进行组装连接，在空中完成管桁架拼装。按照这一施工过程将桁架加工、起吊和空中拼装划分成管三个阶段。即管桁架施工模块划分及控制坐标的提取、管桁架地面定位与拼装、管桁架吊装过程中分析结构薄弱点并进行临时支撑的技术 1。2.2 研发施工新技术，要理论先行，逐步形成系统性技术。（1）双曲管桁架空间控制点复合定位技术，采用坐标等效转换和数据降维技术思想，将双曲管桁架模块每个控制点的三维坐标参数分别拆解转换为若干三维坐标和若干一维高程坐标，有效减小了双曲管桁架空间控制点定位复杂程度和工作量，在保障定位精度的同时降低了定位耗时费工，实现双曲管桁架的快速准确定位。（2）双曲管桁架模块地面快速拼装技术，采用简易方法管焊接搭设管桁架地面拼装胎架，结合复合定位技术，以“以线控点”的技术思想和“端头固定、弦杆旋转”的创新方式实现弦杆弯弧快速就位，采用对称施焊方式焊接腹杆，完成双曲管桁架模块的地面拼装。（3）基于有限元分析的管桁架吊装过程临时支撑技术，采用有限元技术在管桁架吊装前核算吊装过程中的管桁架受力情况，科学预判管桁架受力薄弱位置，并采用临时支撑胎架作为受力点，有效与钢骨柱协同承担管桁架施工过程中的荷载，解决了大重量、大高度的管桁架吊装作业过程中管桁架受力不均和力学薄弱点控制的施工难题。3 新技术创新点分析 图1 正立面造型 图2 屋盖双曲线钢构桁架2023年7月总第337期陕西建筑1 0 2本技术针对双曲管桁架空间定位复杂、工作量大的技术难题，创新性的将整个管桁架控制点的三维坐标科学拆解成由若干绝对控制点的相对坐标和若干一维高程控制坐标构成的复合定位网络，有效降低了定位工作量和数据量，提升了工程整体的施工进度。根据国内外类似复杂结构管桁架施工定位经验，该类工程的空间定位技术主要采用传统空间三维定位技术，即采用B I M软件依次对每榀管桁架上每个控制点依次提取三维绝对坐标，形成一整套控制点的绝对空间位置。该定位技术准确可靠，可以随时确定每个点的绝对位置。但该技术由于坐标数据体系复杂，用于普通管桁架的定位尚可，但用于复杂结构管桁架、特别是带有曲度的管桁架定位时普遍存在定位工序繁琐、工作量大且数据结构复杂的问题，不利于管桁架施工过程的细节控制和工期控制。本技术的创新点包括：（1）本技术根据施工要求和现场情况，采用了固定控制线进行定位，对于本工程中不同管桁架模块均能快速进行空间定位，无需重设控制网络，有效避免了反复调整控制网络带来的工期延误。采用“端头固定、弦杆旋转”的弦杆快速就位方法，显著改善了弦杆频繁定位和多次校核的传统不足，在保障弦杆就位准确的同时，提高了双曲管桁架模块的拼装速度，并降低了人力消耗。（2）本技术针对双曲管桁架空间定位复杂、工作量大的技术难题，创新性的将整个管桁架控制点的三维坐标科拆解成由若干绝对控制点的相对坐标和若干一维高程控制坐标构成的复合定位网络，有效降低了定位工作量和数据量，提升了工程整体的施工进度。（3）本技术采用有限元分析，科学预判管桁架吊装过程中结构受力情况，对所有可以考虑的支撑点进行应力计算和变形分析，在满足要求前提下确定桁架的加工分解点。明确了结构受力的薄弱位置，有针对性的采用临时支撑胎架解决了吊装过程结构受力难题，保障了施工安全和进度。4 技术论证及理论支持对管桁架施工技术的深化研究和理论论证：（1）根据本工程中双曲管桁架的结构形式及构件特征，采用T e k l a 钢结构设计软件对双曲管桁架的结构形式进行深化设计。（2）管桁架施工模块划分与控制坐标提取，根据吊装能力和施工环境的特点将整个管桁架屋盖分解为几个主要施工模块，进一步将每个施工模块分解为若干单榀管桁架。采用绝对控制点+标高控制点的创新性复合定位方式实现管桁架模块三维空间准确定位。（3）采用该本空间定位方式有效减少了传统控制点定位的坐标参数量，一方面减少了本流程的工作量，加快了施工进度，另一方面在保障定位精度的同时降低了后续拼装环节的工作量。本工程屋盖结构为异形曲面空间管桁架结构，施工阶段和设计阶段的受力差别较大，需搭设临时支撑胎架保证施工过程中桁架的受力安全，还要对施工过程中桁架及其支撑胎架的变形和受力进行分析验算。根据施工方案及设计图纸，对结构及支撑建立有限元模型，采用M I D A S/G E N 8.2软件进行施工过程的力学分析，并按力学模拟进行应力计算、变形分析和结构分析等相关规范要求，验算支撑结构的强度及稳定性 2。5 结语该技术成果资料完整、详实，形成了一套完整的双曲管桁2023年7月总第337期陕西建筑1 0 3架结构施工技术，包括双曲管桁架空间控制点复合定位技术、双曲管桁架模块地面快速拼装技术以及基于有限元分析的管桁架吊装过程临时支撑技术。成功应用于安康汉江大剧院及咸阳奥体工程，经济社会效益显著。在安康汉江大剧院5 2 榀管桁架施工中采用该技术一次施工到位质量成优，得到了参建单位的一致好评，为建筑施工提供了良好的技术参照，对于提升整个行业的双曲管桁架技术水平具有重要意义。项目已获第十四届第一批“中国钢结构金奖”。经查新，未见在拼装施工中采用固定不变的控制点、控制线及拼装胎架的做法。该成果技术资料完整、详实，形成了一套双曲管桁架结构施工技术，包括双曲管桁架空间控制点复合定位技术、双曲管桁架模块地面快速拼装技术以及基于有限元分析的管桁架吊装过程临时支撑等三项技术。成功应用于安康汉江大剧院及咸阳奥体工程，经济社会效益显著。本技术已授权实用新型专利两项，获得省级工法1 项，在安康汉江大剧院钢结构工程施工中，与传统技术相比共节约成本1 5.6万元。在咸阳奥体中心钢结构工程施工中，与传统技术相比共节约成本4 1.9 5 万元。参考文献 1 钢管桁架结构技术规程D B 3 4 T 5 0 0 2-2 0 1 4 2 安康汉江大剧院检测报告陕西省建筑工程质量检查中心