復(fù)雜邊界條件下的膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工介紹

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　　1 工程概況

　　上海高行商業(yè)中心中庭膜結(jié)構(gòu)工程總建筑面積2232m2,方案為不規(guī)則橢圓體球殼。本工程下部為商業(yè)街,商業(yè)街形狀從平面上看像花生米外殼形狀,寬度方面由兩個(gè)直徑分別是13.5m至32.3m的圓,通過外切形成不規(guī)則的形狀和高度方面為最高高度是12m的殼體。從立面上看本工程像花生米外殼的一個(gè)殼體(圖1)。

　　2 復(fù)雜邊界的勘測和處理

　　本工程的地形復(fù)雜,膜結(jié)構(gòu)是處于兩個(gè)中間有變形縫的獨(dú)立建筑屋頂上的以鋼結(jié)構(gòu)為支撐的網(wǎng)殼膜結(jié)構(gòu)體系。由于基礎(chǔ)的布置比較復(fù)雜,根據(jù)現(xiàn)場的條件,運(yùn)用全站儀對每個(gè)柱子進(jìn)行實(shí)地測量,再根據(jù)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行建立模型確保結(jié)構(gòu)模型的準(zhǔn)確。在變形（詞條“變形”由行業(yè)大百科提供）縫的兩邊都有半個(gè)柱子,這樣要求設(shè)計(jì)一個(gè)滑動支座（詞條“支座”由行業(yè)大百科提供）來支撐上部鋼柱。由于上部鋼結(jié)構(gòu)是一體的,而下部的建筑物是由兩個(gè)建筑物構(gòu)成的,故在建筑物一側(cè)的柱子必須有滑動位移,就要求設(shè)計(jì)滑動支座。這樣就準(zhǔn)確描繪出復(fù)雜現(xiàn)場的所有邊界,為下一步的設(shè)計(jì)工作提供了可靠的依據(jù)。

　　3 拱形單層網(wǎng)殼與復(fù)雜環(huán)形三角桁架（詞條“桁架”由行業(yè)大百科提供）相結(jié)含膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要領(lǐng)

　　對不規(guī)則的基礎(chǔ)形成復(fù)雜邊界，明確設(shè)計(jì)思路是至關(guān)重要的,否則設(shè)計(jì)完成的效果會變的雜亂無章,失去設(shè)計(jì)的規(guī)律性，難以保證膜結(jié)構(gòu)的美觀。我們通過對結(jié)構(gòu)的反復(fù)多次調(diào)整,最終確定了2個(gè)指導(dǎo)性的原則:

　　(1)對于拱形單層網(wǎng)殼，按照基礎(chǔ)的軸線、結(jié)構(gòu)美觀的要求和經(jīng)驗(yàn),確定了單層網(wǎng)殼的外周邊界,再根據(jù)單層網(wǎng)殼的外周邊界的跨度確定拱形的高度。在確定網(wǎng)格時(shí),首先根據(jù)設(shè)計(jì)的想法,在投影面上設(shè)計(jì)一個(gè)等邊的三角形網(wǎng)格，然后,再根據(jù)網(wǎng)格的交點(diǎn)與空間的曲面的對應(yīng)關(guān)系來確定拱形單層網(wǎng)殼的節(jié)點(diǎn)空間位置,最后,通過把各個(gè)節(jié)點(diǎn)連—起形成拱形單層網(wǎng)殼。

　　關(guān)于節(jié)點(diǎn)的處理,根據(jù)工程特性,設(shè)計(jì)了通過球節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)使得鋼管與鋼管之間的相貫線簡化。這樣就保證了設(shè)計(jì)簡化,同時(shí)視覺上也變得統(tǒng)一美觀。

　　(2)對于復(fù)雜環(huán)形三角桁架,根據(jù)單層網(wǎng)殼上部受力的傳遞方形、結(jié)構(gòu)變形的協(xié)調(diào)性和鋼構(gòu)件受力的特性,在設(shè)計(jì)時(shí),我設(shè)計(jì)一個(gè)環(huán)形三角桁架把上述的特性全融合進(jìn)來。這個(gè)環(huán)形三角桁架起到承上啟下的作用。由于環(huán)形三角桁架的寬度在5m左右高度1.5m,所以剛度非常大，就使得上部結(jié)構(gòu)所承受的外力傳遞到這個(gè)環(huán)形三角桁架對構(gòu)件產(chǎn)生的變形非常小。

　　通過環(huán)形三角桁架轉(zhuǎn)化到鋼柱基礎(chǔ)的平面內(nèi)的位移也非常小,就使得鋼柱和混凝土基礎(chǔ)的連接比較容易,確保滑動支座的滑移位移非常小。通過環(huán)形三角桁架的應(yīng)用,使得本工程的鋼柱、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件與混凝土基礎(chǔ)有個(gè)很好的融臺。

　　4 復(fù)雜邊界施工的控制方法

　　本工程復(fù)雜環(huán)形三角桁架是由弧形弦桿與直線腹桿組臺而成,而且彎管與彎管的相貫焊縫也很多,所以鋼結(jié)構(gòu)的安裝定位十分困難。本工程拱形單層網(wǎng)殼,為了解決在交匯點(diǎn)處構(gòu)件的相關(guān)線問題,采用在交匯點(diǎn)設(shè)置空心鋼球和鋼球之間用直管的簡化模型,但每個(gè)空間空心鋼球的坐標(biāo)點(diǎn)是不同的,鋼結(jié)構(gòu)的安裝定位非常困難。

　　為解決上述問題,采用了精確勘測控制和精確加工相結(jié)合的方式解決。精確勘測控制的方法:苜先確定最下端部的鋼柱底部中心作為(0,0,0)控制點(diǎn),在圖紙上標(biāo)記處,每個(gè)鋼構(gòu)連接點(diǎn)的精確三維坐標(biāo)。在工地現(xiàn)場使用兩臺全站儀進(jìn)行施工坐標(biāo)控制,每連接一個(gè)點(diǎn)都由勘測人員進(jìn)行指揮到位。精確加工的方法:通過自行開發(fā)的相貫線展開程序,精確加工每個(gè)連接的相貫交點(diǎn)的相貫線,使得二次鋼構(gòu)連接于主鋼管時(shí)一步到位,對精確定位提供了便利條件。我們共進(jìn)行1∶ 1打印相貫線展開線的圖紙1000多張,通過精確加工同時(shí)配合精確的全站儀定位,完美解決了復(fù)雜工程的精準(zhǔn)施工問題,為此后的膜體施工提供了有利保證,誤差控制在2mm以內(nèi)。

　　5 復(fù)雜邊界連接節(jié)點(diǎn)

　　本工程采用PTFE膜材。由于膜材的面積較大,需要把其分成若干塊膜片單元進(jìn)行施工,所以膜分割處要用壓條（詞條“壓條”由行業(yè)大百科提供）形式;由于本工程業(yè)主要求有組織排水,所以要求拱形單層網(wǎng)殼與復(fù)雜環(huán)形三角桁架相結(jié)合膜結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)斷面采用天溝排水。由于膜結(jié)構(gòu)所覆蓋的面積比較大,降雨時(shí)所匯集的雨水比較多,因此,此天溝截面尺寸規(guī)格也比較大。使用天溝和鋁合金（詞條“鋁合金”由行業(yè)大百科提供）Fanstener相結(jié)合的調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn), 能解決鋼結(jié)構(gòu)的排水問題以及復(fù)雜邊界條件引起的制作和安裝誤差消除掉的問題。關(guān)于PTFE單層膜的連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求如下。

　　(1)在拱形單層網(wǎng)殼上的膜結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)分為兩種∷一種是通過鋼棒或襯鋼管把膜材支撐在鋼構(gòu)上(圖2、3 )：另一種是通過底膜底板把兩塊膜片分割開并通過鋁壓條把其固定在一起(圖4,5)，這樣就可以把膜材與鋼結(jié)構(gòu)固定在一起。

　　(2)在拱形單層網(wǎng)殼與復(fù)雜環(huán)形三角桁架相結(jié)合膜結(jié)構(gòu)處,通過天溝和鋁合金Fantener的應(yīng)用,使得上部拱形單層網(wǎng)殼的膜材與下部復(fù)雜環(huán)形三角桁架的鋼結(jié)構(gòu)有效的連接在一起,并且不會存在邊際天溝處的漏水問題(圖6 、7)。

　　6 結(jié)語

　　首先,在膜結(jié)構(gòu)施工時(shí),為了避免發(fā)生大跨度結(jié)構(gòu)的撓度變形對結(jié)構(gòu)的不利影響,要求結(jié)構(gòu)底起拱。加工構(gòu)件時(shí),必須考慮起拱的變形長度來實(shí)現(xiàn)安裝完成后的結(jié)構(gòu)與模型相一致,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。其次,在安排安裝順序時(shí),要先把復(fù)雜環(huán)形三角桁架安裝到位后,才能進(jìn)行拱形單層網(wǎng)殼的安裝。在此過程中我們也總結(jié)出一套應(yīng)用于復(fù)雜邊界工程的實(shí)用方法,通過精確的勘測、總體設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、加工控制、施工控制等諸多方面相結(jié)合的方式才能達(dá)到最好的效果。【完】