张亮 乔堃

(1.上海宝冶集团有限公司BIM中心，上海 200941;2.上海浦东建筑设计研究院有限公司，上海 201204)

0 引言

上海某国际主题乐园室外天幕区域钢结构和建筑构造尤为复杂，天幕ETFE膜呈空间曲面造型，外露钢结构油漆喷涂工序复杂，外观质量要求高，成品保护难度大。游艺轨道和设备安装调试的施工安全空间要求严格，约束条件多。同时，为保证紧迫工期，要求与天桥同步穿插施工。经过对常用的脚手架承载力、安全性、经济性、适用性等的比选，拟采用承插型盘扣式脚手架进行操作平台施工，应用三维可视化技术对脚手架方案进行三维承载力、变形性能设计、分析，优化架体空间布局，基于综合协调模型进行碰撞分析以避免各类构件碰撞，确保了各分项工程的顺利实施。

1 盘扣式支架

承插型盘扣式钢管支架是一种大间距、高强、质轻、标准化、装配化、多功能、易搭拆、安全可靠的新型架体，是继普通钢管扣件式脚手架、门式脚手架、碗扣式钢管脚手架之后的升级换代产品［1，2］。盘扣式支架体系的主要构件为可调底座、基础立杆、立杆、水平杆、斜拉杆、可调托撑及工字铝梁、挂钩踏板。立杆采用套管承插连接，水平、斜拉杆和立杆采用杆端扣接头卡入连接盘，并用楔形插销连接，形成几何不变体系的钢管支架。立杆长度有1.0 m，1.5 m，2.0 m，3.0 m四种规格，圆盘间距0.5 m，立杆直径60.2 mm，管壁厚(3.1±0.15)mm。立杆、水平杆使用Q345B低碳合金结构钢，单杆极限承载力可达200 kN。圆盘插座直径为135 mm，厚10 mm，开设8个孔，设有水平杆与斜杆连接孔。

2 三维可视化设计

三维可视化设计的主要技术路线为:首先依据脚手架空间协调(如与游艺轨道和设备、演出布景钢结构、网架膜结构等碰撞协调)、操作平台和通道设置、安全空间要求等应用结构有限元分析软件Midas Gen建立脚手架三维几何模型，然后将其导出DWG格式并导入三维模型浏览和碰撞检查软件Naviswork，进行脚手架方案三维可视化浏览、审核，在满足方案各项要求的情况下，优化脚手架空间布置和碰撞协调。依据软件自动生成的碰撞报告反复调整模型直至脚手架几何模型与空间实体充分协调，最后，依据已协调完成的几何模型，在Midas Gen中赋予杆件截面属性，荷载分布，结构计算假定等参数，对脚手架方案的承载力、稳定性、变形进行校核。

在进行结构建模时，由于立杆和立杆之间用套筒连接，控制搭设垂直度不大于L/500且小于±50 mm，所以将立杆和立杆之间的连接简化为固接。盘扣钢管支架与立杆连接节点具有一定的抗扭转能力，其抗扭转刚度可取8.6×107N·mm/rad。斜杆和立杆之间的连接形式为铰接［3］。

3 工程概况

天幕采用空间曲面双层钢网架加ETFE膜结构体系，主要结构由圆管支撑斜柱、双层网壳屋面、网壳边缘构件(铝板包边)以及端部圆钢管桁架组成，支撑斜柱长6 m～12 m，网壳最高处31.6 m，高区端部宽度约46 m。天幕钢结构形式见图1。天幕主体钢结构，游艺轨道和斜柱以及人行天桥结构柱已施工完毕，脚手架方案设计时需进行避让，同时，确保游艺车测试安全距离。脚手架的主要功能是为钢结构打磨和油漆喷涂，屋顶机电管线和设备安装以及喷涂，膜结构，游艺设备调试等施工提供操作平台。拟采用承插型盘扣式钢管支架搭设标高随天幕结构变化的操作平台(最高28 m)以及上人马道、楼梯和物流通道，按照平面分四个区域顺时针进行施工。

4 方案设计及应用

为满足紧迫工期要求，天幕网架钢结构的打磨、油漆喷涂需与天桥同步穿插施工，方案设计时需考虑标高约5.5 m天桥的施工影响，钢筋混凝土平台已经施工完成，脚手架可以直接在板上搭设，需要预留天桥的施工操作空间，避免各工序相互干扰。

图1 天幕钢结构形式

施工操作平台的设计荷载按照1.5 kN/m2的施工活荷载设计，不作堆载货物用，大件材料采取即吊即用的原则。根据计算单支立杆承受最大轴向压力为27 kN，天幕区域的地基极限承载力须达到73 kPa，部分非混凝土基础区域需作垫层加强处理。

施工操作平台应尽可能贴合网架曲面，距离钢结构网架下层面约0.6 m～1.2 m，架体以2 m×2 m和2 m×1.2 m的平面单元为主，每个单元满铺钢制踏板，相邻单元钢制踏板工作面高度的变化以50 cm为单位，通过立杆上每隔50 cm的八角盘控制高度。当网架曲面坡度变化较大时，可沿着一边搭设阶梯型单元，一侧用半扣短立杆扣在2 m加强横杆上，半扣套筒上接立杆，并再扣上横杆，放置2 m×0.26 m宽的踏板，局部不规整区域采用钢管作加强横杆，上铺木板(见图2)。

图2 脚手架设计方案

方案考虑在四个施工区域分别设置一组人员上下通道，楼梯的高度为1.5 m、长度为2 m、宽度为0.6 m;对于相邻工作面高差大于50 cm时应设置楼梯，在上层工作面临边设置防护栏，在下层工作面临边设置间隔50 cm的防护栏和踢脚板;1 m高差的楼梯可用半扣短立杆搭设踏步，高差为1.5 m的可以直接采用成品钢制楼梯，高差大于2 m的应从其他高差小的相邻工作面通过。

天幕脚手架工程与天桥同步穿插施工，脚手架方案须保证天桥的施工空间，两者平面最小距离应大于30 cm，立面方向距离天桥顶面应大于2 m。拟在标高约7.5 m处设置6 m的桁架片跨过天桥，部分天桥平面交汇区域跨度较大(超过10 m)，普通桁架片难以解决悬空问题，采用结构加强的方法将导致成本增加和工期损失。故而根据现场条件采用改变施工工序的方法，在跨度大于6 m的区域先搭设天桥模板支撑，脚手架直接搭设在模板上，局部区域钢筋绑扎以及混凝土浇筑时间适当调整。天幕区域游艺轨道和调试空间避让采用调整横杆或采用桁架片将碰撞区域架空的方式解决，应力分析结果表明，最大拉、压应力分别为152.5 MPa，-168.4 MPa，小于承载力设计值205 MPa，因此承载力满足要求(见图3)。

图3 桁架片应力云图

根据图4所示，现场应用结果表明，脚手架模型方案实用可靠，有效地解决了天桥同步穿插施工影响，游艺轨道调试空间要求，钢结构避让和成品保护等问题，确保各项施工工序高效推进，在赶进度、保节点的背景下，脚手架工程工期比原计划缩短15%左右，取得了良好的经济技术成果。

图4 天幕区域脚手架工程现场图

5 结语

针对复杂游艺项目的满堂架工程，应用三维可视化设计技术对承插型盘扣式支架方案进行设计、分析，确保方案最优。现场应用表明，承插型盘扣式脚手架作为新兴的支架体系，具有技术先进、安全可靠、工效显著、节约成本等众多优势，应用越发广泛。通过对新技术、新材料在复杂项目的设计、施工过程中的应用进行总结，对以后类似工程的推广应用提供参考。

［1］ 杨清龙.当前国内新型脚手架发展概况［J］.福建建筑，2010 (3):66-67.

［2］ 赵锡月.几种主要脚手架的应用［J］.中国建筑金属结构，2009(8):47-50.

［3］ JGJ 231—2010，建筑施工承插型盘扣式钢管支架安全技术规程［S］.

［4］ JGJ 162—2008，建筑施工模板安全技术规范［S］.