皮淑萍 朱 江 邰鹏鸣 徐 刚

中亿丰建设集团股份有限公司 江苏 苏州 215131

1 工程概况

上海国际航空服务中心项目位于上海市徐汇区龙耀路与云锦路交叉口，由W-1B、X-1A、X-1B三栋建筑组成。其中X-1B为高层建筑，由裙楼及塔楼组成；塔楼地上39层，地下3层，建筑总高度199.9 m。

裙摆飘架位于X-1B主塔楼东、西、北三侧及裙楼上方，主楼的桁架裙摆与裙楼屋面桁架为一个封闭的整体，呈竖向立体的环形状，犹如一条飘动的裙摆。裙摆飘架结构采用自由曲面四边形空间网格结构体系，空间结构复杂。裙摆飘架的钢桁架结构通过支撑杆件体系与塔楼框架结构连接，下部由具有空间多向扩展状枝杆支撑的树形柱支撑在裙楼屋顶，组成一个巨大的装饰结构（图1）。

整个网格结构投影长度约为176 m，宽度为12～50 m，飘架最大结构安装高度为79.25 m，总投影面积约为5 604 m2，主要包括树形柱、弧形柱、上部空腹桁架梁、主梁、连系次梁、边梁、拉索等结构体系。树形柱下部主杆为下大上小分节钢管组合柱，中部为铸钢枝杆转换结构，上部为多向空间延展弧形钢管结构柱及钢管组合桁架。

图1 裙摆飘架效果图

现场主桁架间距为2～5 m，整体由上向下呈现空间曲面扩展造型，在塔楼各楼层与裙摆桁架结构的主桁架梁间设置有支撑结构体系，作为裙摆桁架与塔楼主结构连接的加强支撑。下部由承托在地面、塔楼4层、裙楼各层楼面结构上的树形柱结构将荷载竖向传递到下部的结构框架。

2 曲面钢网格结构施工的重点及难点分析

1）裙摆形单层自由曲面钢网格结构构件数量多、跨度大、高度高，空间位置复杂多变，同时施工工期紧，对现场安装的精度要求较高[1]。如何通过选择合理、高效的施工顺序及方法，减少累积误差，并使结构安装可以快速就位是本工程的重点。

2）裙摆形单层自由曲面钢网格受运输条件及吊装设备的影响，采用设置临时支撑、分块安装的方法。由于构件数量很多，结构空间位置复杂，安装时临时支撑的精准定位是本项目的一大难点[2]。

3）在飘架结构各区焊接及涂装等作业完成后，对飘架结构进行卸载，整体结构由安装胎架承力的施工状态转换为铸钢树形柱承力的设计状态。为确保受力体系转换过程的安全，选择合理的卸载顺序及方法，并对卸载过程进行模拟，验证卸载方法的可行性是本项目的又一大难点。

3 单层自由曲面钢网格结构施工方案选择

常规钢结构安装方法有：整体吊装、提升、滑移、高空散拼、分块吊装等。由于本工程的特点，结构整体由点部水平支撑、多向弧形树状柱支撑，整体吊装，提升、滑移等施工方法，不适用本工程。在施工方案选择时，只对高空散拼、分块吊装进行了对比分析。

3.1 高空散拼方法

采用搭设满堂支撑架作为支撑体系，将网格分为小段散件，利用起重设备进行吊装，在空中进行构件拼装。

其优点表现为：施工简单方便，对吊装机械要求较低；有足够的施工平台，便于误差的调整；采用脚手架作为支撑体，搭设经验可靠，支撑点多，便于网格的定位；可以利用脚手架顶托进行卸载，卸载点多，卸载过程平缓，危险度较低。

其缺点表现为：完全散装造成现场安装单元数量大幅增多，现场塔吊压力大增，无法控制工期；对下部场地要求较高，施工期间支撑面底部无法进行其他作业，同时完全散装会造成杆件对接接头增多，误差累积次数变多，控制难度大；脚手架搭设周期长，不利于工期把控，同时由于支撑面较广，高度较高，故脚手架搭拆费用也较高；支撑体系固定，很难消除弧形部位产生的侧向力影响；卸载点多，卸载过程较长，影响工期。

3.2 分块安装方法

对结构进行分块，在工厂分块加工，在结构合适的位置搭设临时支撑，在现场进行分块吊装。

其优点表现为：减少了现场的吊次，节约了施工工期，减少了构件的对接接头及对接产生的误差累积次数；临时支撑体系安装快捷，周转方便，同时可以利用贝雷架等成品单元设计支撑体系，顶部构造可以自由设计，满足网格不同造型、弧度的要求；卸载点相对较少，卸载过程较短。

其缺点表现为：对起重机械的要求较高，会产生较高的机械费；需要针对支撑位置结构形式及场地情况，单独设计针对性的支撑上下部构造，无法利用成品单元，会产生一定的费用；由于上部施工操作平台较少，故除了验算合格的受力支撑架体外，还需设置辅助架体，用于工人施工；卸载点相对较少，卸载过程具有一定的风险，需要通过模拟分析，来验证卸载顺序及卸载位置是否合理，同时需要做好卸载过程的监控。

3.3 施工方案选定

根据估算，大型吊装机械的机械费与满堂支撑架增加的措施费相差不大，结合本工程现场的大型塔吊布置及现场场地情况，考虑本工程对工期及安装精度的要求较高，选择分块吊装的方法。同时需要着重控制风险较高的网格卸载。

本工程安装的基本思路为：对整体结构进行区域划分，再对区域进行吊装单元的划分，然后分块吊装，在合拢段消除施工误差，最后进行分区域卸载。

4 单层自由曲面钢网格结构安装

4.1 曲面钢网格区域划分及安装步骤

4.1.1 区域划分

为了控制结构的安装变形，根据塔楼裙摆及裙楼屋盖钢桁架结构及现场的施工情况，进行分区、分块安装，并且设置合理的合拢段，在合理时机下进行合拢。将结构整体分为3个大区，分别为A区塔楼裙摆钢桁架、B区裙楼屋盖钢桁架以及结构合拢区[3]。

将A区塔楼周边裙摆区域分为A1—A5共5个小区（图2），施工顺序为先顺时针方向施工A1区域→A2区域→A3区域，A3区域作业完成后，再进行A4区域的桁架结构安装，在塔楼A5区域施工电梯的拆除作业完成后，进行塔楼A5区域桁架结构的安装；B区裙楼屋盖钢桁架分为B1—B5共5个小区，安装顺序为由B1→B5区域；最后进行合拢段的安装。

图2 裙摆钢桁架分区示意

4.1.2 安装步骤

1）主塔楼及裙房主结构施工完成后，先进行主楼上部裙摆桁架的安装（图3），采用型钢悬挑脚手架作为临时支撑体系，为施工提供作业面。临时支撑搭设完成后，利于塔吊等起重设备对A区的上部桁架进行分块安装，然后采用格构式临时支撑体系进行下部桁架的施工。

图3 主塔楼裙摆钢桁架安装示意

2）主塔楼裙摆桁架安装完成后，进行裙房桁架的安装，在合适的位置搭设格构式临时支撑体系，先安装钢柱，然后安装桁架及中间的嵌补杆件。

3）待A区主塔楼及B区裙房屋面的桁架安装完成后，进行合拢区域桁架结构的安装。设置合拢区域，对合拢区域尺寸进行现场复测，针对复测结果对合拢区构件长度进行调整，可有效减少由于施工累积误差带来的影响。

4）由于飘架结构为大跨度异形钢结构，温度变化将在结构中引起很大的内力和变形，对结构的安全性产生显著的影响。为保证结构使用过程中的安全，必须选择合适的合拢温度。

4.2 临时支撑体系

进行飘架整体结构施工时，在主桁架下部搭设的临时支撑胎架体系，分为主受力架体及施工辅助架体。主受力架体为上部主结构在卸载之前结构的受力体系，辅助架体为主、次结构安装及施工人员行走焊接及油漆修补等提供足够作业面。

裙楼范围及主楼周边桁架结构安装时，具备落地条件的部分使用格构式支撑体系[4]。格构式支撑采用的是标准节为3.0 m×1.4 m的贝雷片支撑架，贝雷支撑柱下部采用植筋与楼板相连，顶部设置可以调节高度的转换支托装置，以满足实际工程中对不同转换高度的要求，在安装时使用千斤顶对组合桁架位置进行微调。

胎架顶部的转换结构与组合桁架单元中主桁架梁的接触受力点应设在主桁架梁的腹杆位置，或设置到主桁架梁的上弦位置（图4）。现场承重胎架设置时，为进行合理的受力分配，承重胎架定位对应下部混凝土框架结构平面中的混凝土柱梁位置，另外，在胎架的底部设置纵、横向的型钢平台底座，以增大与混凝土框架的接触面，减少承重胎架对楼面的单位面积荷载[5]。

图4 支撑胎架与主桁架梁支撑设置示意

现场承重胎架的布置如图5所示，图中黑色方块位置为根据相应楼面混凝土柱梁布置定位的现场承重受力胎架位置示意。

图5 X-1B塔楼裙摆钢桁架安装贝雷支撑点示意

上部转换调整支撑拆除时，采用千斤顶将构件顶起，将顶托切割后，千斤顶卸力，桁架结构自然回落，由树形柱、弧形柱受力。

为了满足构件的安装精度要求，在搭设临时支撑时，需要保证临时支撑定位精准，减少不必要的误差。根据模型中放样的胎架情况制作出胎架现场安装定位图，以指导现场胎架施工。临时支撑就位时调整好平面位置及竖向垂直度，并紧固标准节连接销轴。

4.3 飘架合拢控制

本项目飘架结构为大跨度异形钢结构，由于温度变化会产生不可忽视的温度应力，采取合适的合拢温度是避免温度有较大变化幅度时而产生过大的附加应力的一种施工控制手段。

结构合拢时钢结构本体温度应满足设计单位提出的合拢温度要求，以保证整个结构能够安全运行。本项目飘架钢结构的安装过程，采用塔楼A区与裙房B区分开安装再结合的方法，即先将结构在高空先拼装成2个各自独立的板块，为保证结构使用过程中的安全，必须选择合适的合拢温度，温度变化将在结构中引起很大的内力和变形，对结构的安全性将产生显著的影响，必须对钢结构合拢采取一系列的控制措施。

1）合拢温度的确定。本工程设计要求安装校准温度（结构合拢温度）为22 ℃±2 ℃，即20～24 ℃。按往年气温变化情况，现场满足设计要求的安装校准温度的时间，约处于2018年4月下旬—2018年5月上旬和2018年9月下旬，按整体施工进度安排，合拢段施工约在9月份。

2）合拢温度的测量。合拢时钢结构本体温度是结构的整体温度，为确切掌握整个屋盖钢结构的温度分布情况，以及不同部位钢结构实际温度同气温的对应关系，确定最佳的合拢时机，该系统测温范围为－5～120 ℃，测试精度为±1 K，根据结构安装合拢区的合拢位置情况设置不少于8处温度测试点，结构外侧相应布置4个点，另在飘架结构范围外布置1个点（图6）。温度测试在合拢前2 d开始进行全天24 h跟踪监测，并覆盖合拢过程的所有工作，为获得连续的测量资料，每间隔0.5～1.0 h读取各测量点的温度信息，并形成数据文件，重点对各测量点的夜间温度进行整理分析，以获取夜间钢结构整体温度的具体数值和分布情况。

图6 结构合拢时测温点布置示意

3）合拢安装要点控制。尽量选择在与合拢温度相近或低于该温度的条件下进行安装，以方便构件的进挡，控制合拢时的坡口间隙，该间隙大小要考虑温度变形计算结果和焊接收缩变形，以减少合拢口的焊接量和焊接残余应力，确保焊接口的焊接质量。如达不到预定的焊接要求，可调整合拢段，先焊一端的坡口间隙。同时，对合拢口的错边量也要加以控制，以保证合拢的顺利进行。

尽量采用小间隙安装法，避免合拢时合拢口间隙过大。为确保合拢口在施工过程中因温度变化而自由收缩，合拢口采用主桁架临时对接连接器连接（图8），该节点连接器在主桁架梁焊接并检查合格后再行去除。

图8 飘架合拢节点

5 飘架卸载及监测

在飘架结构各区焊接及涂装等作业完成后，按拟定卸载方案进行分区卸载作业，飘架结构由安装胎架承力的施工状态转换为铸钢树形柱承力的设计状态。

5.1 卸载顺序

裙摆钢桁架结构采用同步分区卸载，整体按塔楼A区→裙房B区→合拢段C区的顺序，由内侧向外侧（近塔楼位置向远离塔楼位置）的方向进行卸载。

5.2 卸载过程分析

采用Midas对整个卸载过程进行分析，分析结果如下：

1）A区临时支撑拆除，此时结构最大应力值为69.9 MPa，满足强度要求；结构最大竖向变形值为8.8 mm，最大位移出现在A区水平段的跨中位置及组合段构件跨中，而C区组合段构件跨中变形与A、B区相比则小很多。

2）拆除B区除封边梁位置外的其余支撑，包括三角桁架支撑。支撑拆除后，最大应力值为91.8 MPa，满足强度要求；结构最大竖向变形值为9.25 mm，因三角桁架结构自重大、跨度大，在跨中位置形成纵横向大跨度无支撑区域，故最大位移出现在三角桁架跨中位置。

3）拆除所有临时支撑，结构最大应力值为99.3 MPa，满足强度要求；结构最大竖向变形值为21 mm，最大位移出现在A区封边梁横向跨中位置。因为封边梁横向跨度大，结构在纵向末端刚度小。

4）根据上述分区卸载的分析，在卸载过程中飘架的强度和变形都在规范允许的范围内，卸载过程整体安全，卸载方案合理。

5.3 卸载过程临时支撑监测和结构监测

为了保证安全有序地卸载，在卸载过程中需要对临时支撑及桁架整体结构进行变形监测。在钢桁架结构上设置卸载监控点。临时支撑的监测点设在顶部平台的角点，桁架结构监测点布置在变形较大区域的上弦节点外侧。

卸载完成后，监测点的变形值均在规范的允许范围内，裙摆形单层自由曲面钢网格的施工取得了良好效果。

6 结语

针对裙摆形单层自由曲面钢网格的结构特点和现场的实际条件，对结构采用了合理的分区、分块安装方法，并设置合拢区，减少了累积误差。同时选择了合适的临时支撑体系，且对整个卸载过程进行有限元分析，为分区、分块安装的合理性提供了技术依据。

经过现场项目部逾140 d的努力，桁架安装过程顺利，卸载后各测量点与原设计坐标接近，裙摆形单层自由曲面钢网架的安装取得了良好的效果，为后续类似项目实施提供了参考。