年度好文推荐国家速滑馆项目天坛轮廓曲面玻璃幕墙钢网壳施工技术

摘要

国家速滑馆项目天坛轮廓曲面玻璃幕墙钢网壳体系支撑龙骨为异形钢骨架( S形) ，且钢龙骨长短各不相同。针对 S 形钢龙骨长度超过运输限制，采用在工厂分段加工制作并运输至现场，地面焊接拼装后整体吊装。详细介绍幕墙钢网壳结构施工流程及关键技术，采用扁担吊装的方式，保证弧形梁变形、安装精度及成型质量。将钢龙骨组装成钢桁架形式进行吊装，既提高安装效率，又有效保证龙骨拼接质量。采用全站仪对安装过程进行全程精确定位，保证构件准确、快速地完成安装。

国家速滑馆工程拥有目前全球体育场馆中规模最大的单层双向正交马鞍形索网屋面，外幕墙由3 360 块玻璃拼接成天坛轮廓造型，由 S 形钢龙骨支撑( 见图 1) 。钢龙骨与柔性单索、钢横梁、钢横管组合连接，形成网壳结构。设计过程中，通过力学与变形分析，对玻璃板块进行合理优化，使用规则的有理化单元拟合连续流畅的建筑形体，以获得优雅的外形和富于光影变化的视觉效果。 

图 1 天坛轮廓曲面幕墙钢网壳结构

曲面玻璃幕墙由 160 根钢龙骨支撑( 见图 2) 。在施工阶段，根据南北中轴线分为 2 个施工区: 东段施工区和西段施工区，各工区包含 80 根 S 形钢龙骨。东、西段工区又按钢龙骨长度( 点到点的直线长度) 划分为 3 个施工区，如西段工区划分为西北区( 26 根钢龙骨) 、正西区( 28 根钢龙骨) 和西南区( 26 根钢龙骨) 。本文针对钢龙骨及其组成的网壳体系的制作和施工进行研究。 

图 2 幕墙钢龙骨布置及施工分区

国家速滑馆幕墙网壳由 160 根钢龙骨、3 520 根矩形横钢梁和 3 520 根圆钢管组成( 见图 3) 。因速滑馆马鞍形构造，S 形钢龙骨两端直线距离最长约为 32. 6m( 东西侧) ，最短约为 17. 9m( 南北侧) 。S形钢龙骨由 4 片钢板焊接而成。160 根钢龙骨中有80 根尺寸各不相同。 

图 3 网壳结构

本工程 S 形钢龙骨长度超过运输限制，分为 3段进行加工制作( 见图 4) 。单段钢龙骨如图 5 所示。水平丝带圆管、钢龙骨与混凝土梁上预埋件连接的加劲板及销轴连接板、环桁架连接的幕墙支撑杆与钢龙骨一同制作及运输。钢龙骨与幕墙索连接节点上的连接件单独制作，不与钢龙骨一起在工厂组装，单独发送至施工现场，安装后与钢龙骨焊接。 

图 4 S 形钢龙骨分段

图 5 单段钢龙骨

2 层以上玻璃单元体，竖向同一分格内，玻璃单元体板块为 42 块。S 形钢龙骨在 2019 年 3 月制作完成并进场，玻璃单元体进场时间为 2019 年 5 月。钢龙骨长度为 17. 9 ～ 32. 6m，玻璃板块均为 4m 分格，且 40%的单元体板块为异形玻璃，运输及吊装工作量大，合理组织单元体材料制作、运输及后续安装是本工程考虑的重点。分析现场各种不利因素，做出周密计划，采用流水作业，将制作、运输、安装都集中由项目经理统一指挥、调度，有序组织玻璃板块和钢龙骨进场并存放到各安装区域。

曲面玻璃幕墙安装工序包括幕墙龙骨( 含 S 形钢龙骨及连接件、矩形横钢梁等) 、防火涂料及金属面油漆、2 层及以上平板玻璃、弧段玻璃、冰丝带、蓝色幕墙、铝板幕墙、铝合金防雨百叶、防坠落系统等。天坛轮廓曲面玻璃幕墙与冰丝带、室内侧的蓝色幕墙、遮阳帘都存在一定的干涉，整体工序安排不当将导致后序安装操作空间小或无法正常安装，造成质量隐患。鉴于此，经过理论分析和三维模拟等手段，确定安装顺序为: 焊接 S 形钢龙骨并涂装防火涂料→搭设满堂斜坡脚手架→安装 S 形钢龙骨、脚手架二次搭设→安装矩形横钢梁和圆钢管→安装曲面幕墙顶部通风百叶→安装蓝色幕墙钢龙骨→安装曲面幕墙面板→安装水平丝带圆管→安装蓝色幕墙面板→拆除脚手架。

由于 S 形钢龙骨分段制作，若采用分段吊装、高空对接的方案，S 形构造与幕墙拉索节点的连接方式将导致构件安装时无稳定的支撑点，高空对接及焊接难度大，安装精度不易控制。因此，S 形钢龙骨采用地面焊接拼装后整体吊装的方式。为防止整体吊装可能出现的变形，采用扁担吊装，保证弧形梁变形、安装精度及成型质量可控。其余水平圆管、矩形方通、封边梁等根据自然节点整体制作及吊装，矩形方通等截面较小的杆件也采用扁担吊装，扁担用 I32a。现场钢网壳结构吊装主要采用 50t及 80t 汽车式起重机，其中，80t 汽车式起重机在整体吊装 钢 龙 骨 时，最大吊装半径为 16m，主 臂 长37. 9m，对应额定吊重为 7. 2t，满足最长龙骨分段质量要求( 3. 9t) 。  幕墙钢龙骨安装流程为: 安装幕墙拉索→吊装第 1 根 S 形钢龙骨→吊装第 2 根 S 形钢龙骨→安装矩形钢横梁和钢圆管→安装全部钢网壳结构( 见图6) 。重复以上安装过程，完成全部幕墙钢网壳结构施工。S 形钢龙骨整体安装完成后，采用全站仪对钢结构的变形进行监测，以保证安装精度。

图 6 幕墙钢网壳结构安装

幕墙钢网壳工程的施工顺序为由曲面低处到高处，如图 7 所示。以东段工区为例，钢龙骨从东南侧( 东 1 区) 和东北侧( 东 2 区) 开始安装，同时向正东侧行进，最终在东立面中部合龙。西段工区与东段工区同时进行施工。 

图 7 钢网壳安装顺序

幕墙钢网壳结构的现场焊接主要为丝带圆管与支撑杆的节点焊接、封边梁与弧形梁的节点焊接、幕墙支撑杆与主体环桁架的节点焊接。焊接形式主要为全熔透焊缝，材 质 包 含 Q420C，Q345C，Q345B。焊接方案根据 GB 50661—2011《钢结构焊接规范》确定，焊接主要设备包括 CO2 焊机、交流弧焊机、CO2 焊枪、CO2 流量计、碳弧气刨枪、空压机、红外线测温仪和便捷式超声波探伤仪等。

天坛轮廓曲面幕墙的支撑龙骨为异形钢骨架( S 形) ，且钢龙骨长短各不相同。为高效、合理地完成这一环节，需将钢龙骨组装成钢桁架形式进行吊装。钢桁架既能提高安装效率，又能有效保证龙骨拼接质量，故安装时榀与榀间的精准对接是本工程的重点，采用合理、高效的施工吊装方案是本工程一大难点。

4. 1 测量控制

为保证工程质量，采用全站仪对安装过程进行全程精确定位，保证构件准确、快速地完成安装。同时，采用合理的吊装设备，如汽车式起重机、履带式起重机等配合进行吊装，提高安装效率。在进行钢龙骨安装时，除控制其空间绝对位置外，也须和已完成的龙骨进行实时联测，确保其相对关系正确，尤其在标高控制时，以相对标高控制为主、阶段性设计标高复核为辅的方法测控，保证各环节协调一致。 

在吊装钢结构过程中，测量小组利用总包控制网进行控制点加密并复核，在基准点位置架设超高精度全站仪，采用极坐标、格网等方法根据曲面特点进行放样测量，进行室外起点和终点的放线控制点定位，并弹设幕墙钢结构控制线和控制点，为下一步工序做好准备。全站仪三维坐标放样法的标高放样采用无仪高、反射贴片代替棱镜的三角高程测量，精度、效率较高，在空中定位测量有较好效果，在复杂的空中结构安装中比“水准仪+钢尺”法应用更便捷。使用全站仪确认钢结构的控制线和控制点。为确保安装过程及最终结果的控制精度，在测量工作中充分考虑以下几点: ①选择合适的控制点，确保通视; ②充分考虑安装过程中的结构位移，加强复测; ③钢结构对阳光照射及温度变化敏感，在控制测量过程中必须考虑消除其影响。同时，找出钢结构的控制点，吊装前将各控制分布点的施工理论坐标数据整理成表。按控制线和控制点坐标进行顶、底位置钢结构支座安装，安装要保证支座中心点高低一致，安装完成后使用全站仪对幕墙钢结构支座间的尺寸进行测量，与理论尺寸做比较，最终确定幕墙钢结构实际大小。起吊过程中实时观察各部位变形情况，发现异常立即停止起吊。钢龙骨起吊前在两端绑扎控制绳，以防止起吊时发生摇摆和晃动，同时引导就位。钢龙骨就位的同时，通过缆风绳调整其垂直度，当钢柱的垂直度和钢梁位置均符合要求时，即可进行螺栓紧固。构架柱的四角临时拉线固定好后方可松吊钩。垂直度检测时，将 2 台经纬仪分别架设在南( 北) 、东( 西) 方向上，垂直钢梁方向经纬仪瞄准基础杯口控制线，观测是否与柱的顶板中心重合。检验达到标准后方可收车，收车后应再次进行检测。梁与柱连接必须牢固后方可松吊钩收车。钢龙骨的垂直度及轴线、标高精度控制要求较严格，在基础杯口或钢网壳结构法兰上准确划出中线和边线，吊装时用 2 台经纬仪控制纵横轴线，使钢构架纵横排列整齐一致。    

4. 2 吊装过程成品保护

本工程在钢网壳结构安装过程中采取了成品保护措施。为避免钢龙骨在起吊过程中发生滑动造成钢柱表面划伤，大幅度摆动造成成品损坏，起吊前必须在钢柱底部固定 2 根棕绳，用以控制钢柱在起吊过程中的滑动和摆动。起吊钢龙骨时绑扎吊点位置应准确，起吊后应保持平衡，钢梁的底端应用临时缆风绳控制其摆动。

4. 3 防止焊接变形

在钢结构焊接过程中，焊件的焊缝和热影响区由于不断受到焊接热循环的作用，在焊件内部产生焊接应力和焊接变形。由于本工程钢结构全部栓接，且大部分是封闭尺寸，任何微小变形都可能影响安装质量，故应采取以下措施防止焊接变形: ①对称、同时焊接; ②选择合理的施焊顺序，如分中退步法、逆焊法和多层同速焊接法; ③采取临时加固措施; ④采用反变形法施焊。通过上述技术保证了曲面幕墙网壳结构快速、精准施工。

国家速滑馆天坛轮廓曲面玻璃幕墙由钢网壳结构支撑，具体包括 S 形钢龙骨( 主龙骨) 、钢横梁和钢圆管( 次龙骨) 。通过对幕墙钢网壳施工技术的研究，得出以下结论。

1) 钢网壳结构的施工方法应综合考虑构件的运输及加工制作方法。

2) 异形钢骨架( 即 S 形钢龙骨) 的吊装工作难度较大，需严格进行坐标监控。

3) 曲面幕墙工程常包含多个子工程，各子工程之间的工序安排会直接影响幕墙工程总体的安全和质量。

                                    （参考文献略）