孔 宏

（北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068）

1 引言

目前，大跨度异形曲面钢结构技术正以迅猛速度发展，随着人们对钢结构造型要求的提高，大跨度异性曲面钢结构的施工也面临着新的挑战。由于这类建筑结构造型多变、结构形式复杂，从而易形成纵梁、横梁、斜梁多构件的交汇节点，加工难度巨大；这些钢结构往往使用高空原位安装法进行安装，在安装过程中常需要进行大量临时支撑，完成主体工程后还要对这些支撑予以拆除；在复杂的拆撑施工中，不同的拆撑方法又会导致钢结构不同的变形和受力，变形控制有时会变得比较困难或难以采取有效的措施去控制，很可能在施工过程中结构因失去平衡而倾覆，或因失去稳定而倒塌，或由于局部构件和节点强度不足而破坏，也可能成形后的结构与设计状态相差甚远。因此，需要打破传统的施工做法，解决大跨度异形曲面钢结构加工与安装的施工难题，减少安装拼装的累计误差，提高安装精度。

本文依托北京地铁环球影城站大跨度异形曲面钢结构，对安装工艺、异形曲面线型控制、小截面扭转米字形箱形节点精确加工、大吨位复杂伞状钢柱节点加工、施工数值模拟、安装精确定位、大型钢结构屋盖施工过程监测、高精度智能焊接控制、钢结构屋面防水施工等技术进行研究。

2 工程概况

环球影城站是北京地铁7号线东延与八通线南延的换乘站，为双岛型站台，车站总长347 m，车站公共区采用四柱五跨结构形式。其中，中间跨设置钢结构屋盖，屋盖分为种植区域以及玻璃屋面采光区。钢结构屋盖长度为200 m，最大宽度为78.2 m，采用单层空间结构体系，水平受力构件为箱型截面与H型钢组合而成的空间曲面结构，水平抗侧力构件为8个伞状格构柱。伞状柱弧形段通过米字型节点与弧形构件、屋面桁架梁及与屋顶曲面梁构件进行连接，该节点类型复杂，8个面均不在同一个水平面上，焊接要求全部采用一级全融透焊缝，焊接质量要求超过同行业标准。屋盖及支撑柱不仅要重视结构的设计状态，而且也要关心结构的成形过程，屋盖的玻璃屋面要保障采光，种植屋面要考虑植物培育生长和防水、排水，做到不渗不漏。钢结构屋盖示意图如图1所示。

3 施工难点分析

（1）结构造型和节点复杂。钢结构屋盖为单层异形双曲面结构，在各受力构件交汇处形成的米字形节点为箱形结构，抗侧力构件主要由8个伞状格构柱组成；屋盖具有造型复杂、投影面积大、下部支撑少的特点；钢结构网壳结构造型多变导致其结构形式复杂，从而易形成纵梁、横梁、斜梁多构件的交汇节点，其中以米字形节点结构最为复杂，加工难度最大。

（2）制作加工难度大。伞状钢柱节点内部结构复杂，节点中各插板将内、外圆管分成瓦片状，内部焊接大量加劲板，焊接量大且焊缝要求均为全熔透一级，米字形箱形构件中存在8条插板与牛腿翼板焊缝，插板较厚，为防止产生层状撕裂，须严格按照工艺要求开设坡口，保证插板焊缝质量。

（3）现场焊接质量要求高。整个屋面以箱体为主体结构，其中由圆管转换箱体的伞状柱节点作为整个屋面结构的核心支撑构件，其焊接质量和加工尺寸精度显得尤为重要；伞状柱弧形段通过米字形节点与弧形构件、屋面桁架梁及屋顶曲面梁构件进行连接，该节点类形复杂，8个面均不在同一个水平面上，焊接要求全部采用一级全融透焊缝，焊接质量要求超过同行业标准；本工程钢材材质主要为Q345C、Q345GJC及Q390C、Q420C，施工现场焊接主要包括钢柱、钢梁及桁架焊接，焊接过程时间长，收缩大，变形控制困难；工程施工周期长，现场焊接受大风、降雨、高温等天气影响较大。

（4）安装精度控制难。屋盖曲面多变，每个节点拼接杆件多且方向各异，现场安装定位难度大；施工过程中结构本身因跨度大、自重大会产生较大变形，且支撑胎架在荷载作用下也会产生变形；安装产生的次生应力、焊接产生的残余应力也有可能导致次生应变、残余应变的累积，使安装误差难以控制。

（5）钢结构健康性要有保障。结构本身跨度、自重大，在施工过程中，荷载多变、结构动态瞬时变化频繁，因此需对关键节点的应力进行实时监测。

（6）种植屋面防水处理与施工困难。种植屋面，即在钢结构屋面上设置种植区域，为更好地起到承托、防水等作用，种植区域往往设置混凝土屋面板；相对于普通混凝土，屋面板现浇混凝土浇筑环境具有较大的差异性，其普遍厚度小、面积大，其硬化过程中的收缩可能会造成混凝土产生较多的贯通裂缝；混凝土板也会由于曲面造型的原因，在曲面波峰处会产生较大的拉应力致使混凝土板开裂；屋面板混凝土常年暴露于大气环境下，在夏季多雨季节须防止雨水下渗，屋面混凝土应具有良好的抗渗性。

（7）信息交叉多，协调难度大。在工程设计施工及监测过程中存在大量的信息，包括钢结构屋盖的设计形式、钢结构屋盖的加工信息、钢结构屋盖的安装详细信息以及变形、应力应变监测信息。这些信息具有交叉性，屋盖的设计形式不同，会影响到加工安装监测，屋盖加工质量也会影响后续施工。因此，统一规划协调，保持信息的传递完整性、流动性、灵活性，是设计施工安装监测中的难点。

4 施工工艺及关键技术

4.1 安装工艺

（1）针对本工程的难点，结合以往大跨度异形曲面钢结构加工与安装的施工经验，本工程将大跨度钢梁等拆分成分段构件，在工厂加工并对相应构件进行编号、加工和分批供应，运输至施工现场。

（2）在构件安装前采用一般有限单元法的一次性建模法对结构进行施工过程模拟分析，结合施工过程中结构、荷载、边界条件的变化，对结构建立整体计算模型，并划分相应的施工阶段进行分析，准确模拟结构在施工过程中内力和变形的变化情况，确保安装、卸载方案合理安全，为施工提供监测数据依据。

（3）构件进至现场后进行分区对称安装，采用汽车吊配合大型履带吊将其吊装就位，对格构式支撑架进行临时支撑定位，最终在屋盖中部进行连接合龙，并拆除临时支撑架完成受力转换；按照对称轴从两侧向中间对称安装，整体合龙后，采用“分区域同步卸载”的方式进行卸载完成受力转换，控制钢结构整体不均受力和变形。

4.2 异形曲面线型控制

根据概念设计图纸，采用Tekla软件进行1 : 1建模，整体钢结构屋盖模型如图2所示，将体系中的结构型材、面板、节点盘等主要部件逐个分解，确定构件的精确尺寸；对钢结构构件进行碰撞检测查找相关问题，实现构件厂精确生产控件及现场模拟安装指导。

4.3 小截面扭转米字形箱形节点精确加工

本项目在各受力构件交汇处形成的米字形节点为箱形结构，构件8个端口均存在扭转段，每个扭转段的尺寸均不相同，节点焊缝多且密集。中间3块内隔板厚度均超过45 mm，焊接操作空间狭小。考虑折弯精度、焊接变形等因素，加工的重点为采取合理的安装顺序保证内隔板、主体焊缝质量和构件尺寸精度，具体采用如下安装顺序及方法。

（1）先对构件各板材进行点焊定形，组装到一定程度检查构件拼接形状再进行满焊，减小焊接过程中构件累计变形。

（2）节点内部水平加劲板有8处与内隔板或腹板顶紧不焊，其余部位与腹板、牛腿腹板、内隔板之间均为全熔透焊缝；对翼板、内隔板、腹板、封板等按合理顺序组装，在满足整体性要求的情况下，使狭小内部空间的节点加工得以顺利实现。

（3）焊接腹板与上、下翼板之间的焊缝时，在翼板端头加设临时支撑，可减少翼板焊接过程中的变形，保证节点加工精度。

（4）先单独组装牛腿，再将其精确装配至主体结构上，以保证牛腿尺寸精度；4个牛腿对称装配，以减小主体结构焊接变形。

4.4 大吨位复杂伞状钢柱节点加工

（1）为满足现场异形曲面造型，提高连接强度减轻结构重量，采用伞状节点作为主梁与钢柱的连接节点。伞状节点是整个钢结构屋面的水平抗侧力及竖向支撑的主要部件，为空间异型空心节点。伞状节点由内弧形板、外弧形板、插板、水平加劲板、弧形牛腿组成。

（2）为避免 8 块插板焊缝重叠，伞状节点内部由直径600 mm×壁厚40 mm 的圆管分割成弧形板作为中心结构，8块插板对称成为受拉过渡结构。伞状节点外部由 8 个弧形牛腿及相应内隔板内外相贯、交叉组合而成。

（3）利用Tekla软件做出节点三维模型，根据模型导出CAD图，将构件中所有零件生成为1 : 1 CAD图纸，利用下料软件生成数控程序，将生成的程序传输至数控切割设备进行切割下料；有弧度的零件使用滚筒机进行弧度加工；将零件进行割缝处理并在开坡口后进行组装焊接，组装时控制组装精度；所有焊缝采用CO2气体保护焊对节点进行全熔透等强焊接。

4.5 施工数值模拟

（1）经过Tekla软件进行1 : 1建模后，形成BIM模型数据，利用BIM模型进行施工模拟，通过施工模拟可以确定施工空间顺序和时间顺序，排除实际施工中可能遇到的问题。

（2）运用MIDAS/GEN有限元分析模型对钢格构柱进行整体受力分析、稳定性验算及工况分析复核；对每对结构分段吊装的施工过程进行模拟，了解结构的内力和位移变化情况；采用目标优化方法，按结构和支撑胎架卸载过程中受力最优原则，对支撑架卸载进行模拟，避免支撑架卸载过程中发生安全生产事故。

4.6 安装精确定位

本工程安装过程精度主要从安装定位测量精度、焊接变形2个方面进行控制。首先，基于BIM技术对施工过程进行模拟，确定钢结构构件安装过程中关键点位坐标，避免钢结构构件间间距不符合设计要求导致无法安装的问题。其次，利用智能放样平台对异形节点安装点位进行实时定位和纠偏。最后，结合三维扫描和BIM模型比对技术，对异形曲面主要节点实测三维坐标值，并与设计值进行比较，如图3所示（图中D、Dx、Dy、Dz为坐标差值）。采用上述技术方法进行预拼装精度对比表明，构件安装精度值均满足相关规范要求。

4.7 大型钢结构屋盖施工过程监测

对大型钢梁、复杂节点安装过程进行应力、应变监测，及时了解结构工作状态，并进行安全性判断；在网架合龙与卸载应力阶段进行监测，及时了解构件应力应变状态，并对钢结构构件性能进行评判，保证施工安全。本工程钢结构的施工监测布点根据测点所处的位置共分为2类，第1类为屋面箱型梁监测点，如图4所示，第2类为伞状柱监测点，如图5所示。

监测点数据监测采用ARM-M系列处理器，并配合DVW数据采集软件实现振弦式传感器远程无人值守采集、预警，监测任意时刻的实时应力、温度数据；对施工过程异形曲面测点应力及变形实测值与计算值进行对比，及时对曲面的线形进行控制；对于结构安装及卸载过程、结构完工过程、结构经历大风荷载过程、结构经历地震作用过程（如果发生），监测系统可提交相应应力及变形情况报告，并对极端灾害事件造成的前期环境、荷载及作用、结构特性以及结构响应的异常在第一时间给出灾害警报。

4.8 高精度智能焊接控制

本工程焊接部位非常多，考虑壁厚处理、焊接收缩、焊接间隙等影响因素，利用BIM模型导出焊接节点相关数据，包括但不限于焊接方法、钢结构型号、焊接长度、焊缝厚度等，根据相关参数进行数值化焊接；通过对焊接及探伤工程量的统计，合理调配焊接设备及人员，保证焊接的进度和质量。对焊缝施焊信息进行集成与统计，掌握焊工的焊接水平；焊缝检验结果通过系统反馈至数字模型中，实现对焊缝检测结果的统计，全过程记录每一条焊缝的返修过程，实现焊缝质量的全面跟踪。

4.9 钢结构屋面防水施工

施工过程防渗漏水控制重点是钢筋桁架楼承板与异形曲面钢结构连接施工以及钢结构种植屋面防水施工。在本工程中，采用如下技术手段应对防水问题。

（1）屋盖种植屋面混凝土楼板采用钢筋桁架楼承板，钢筋桁架楼承板是将楼板中钢筋在工厂加工成钢筋桁架，并将钢筋桁架与底模连接成一体的组合模板。钢筋形成桁架，承受施工期间荷载，底模托住混凝土；混凝土采用超长曲面薄板种植屋面补偿收缩混凝土，屋面和地下室变形缝采用防水的互扣式变形缝构造，与基层结构变形相适应。

（2）为保证种植屋面上的植物既能培育生长，又要防水和排除积水，做到不渗不漏，则需要加强种植屋面的构造层次，在本工程中实施如图6所示的自下而上的构造层次：100 mm厚混凝土组合楼板或楼撑板，自粘隔汽层，70 mm厚挤塑聚苯保温层，20 mm厚水泥砂浆找平层，3 mm厚SBS改性沥青防水卷材，4 mm厚SBS耐根穿刺防水卷材，40 mm厚C20混凝土保护层内配φ6 mm@200 mm钢筋网，20 mm厚HDPE聚乙烯排蓄水层，无纺布渗水层，300 mm厚轻质种植土，植被层。

通过采取以上技术方法，保证楼承板的安装，对曲面坡屋面种植防滑加固；达到对楼承板安装、防水施工质量进行控制；有效保护施工完成的成品；辅助各部门避免或减少施工过程中防水问题的发生；有效提升钢结构屋盖防水工程质量。

5 结束语

本文以北京地铁7号线东延环球影城站大跨度异形曲面钢结构为背景，对大跨度异形曲面钢结构的加工与安装施工关键技术进行了全面系统的研究与阐述，解决了大跨度异型曲面钢结构的制作、拼装、变形控制、施工监测、防水等技术难题；为钢结构施工方案安全性及可行性的判定提供了可靠依据；有效保障了大跨度异形曲面网壳钢结构施工安全及质量，缩短了施工周期，取得了较好的经济和社会效益，积累了地铁车站大跨度异形曲面网壳钢结构屋盖的相关施工经验。以期为其他类似大跨度异形曲面网壳钢结构的轨道交通工程建设提供参考和借鉴。