索膜结构

佛山国际家居博览城中庭屋面索膜结构建筑安装工程介绍

一、工程概况

佛山国际家居博览城位于广东省佛山市，是目前珠江三角洲**的国际家居展览场和大卖场。四栋分别为180万平方米的9层大展览场形成“十字”中庭，包括屋面采光顶及圆伞型屋面。中庭圆伞型屋面为直径89m的索膜结构，32组V形膜片组成直径89m的悬索大伞，每片V形膜单边面积约为370㎡，总面积约11840㎡。十字连廊则由钢结构支支承玻璃采光顶与膜结构结合屋面，整个覆盖面积为2.48万㎡，膜占1/3。该工程处于广东，日照充足，气候炎热，经过计算，基于每片V型膜的单面达到近900㎡，长度达到57m，**终决定选用美国圣戈班**-I型号的PTFE膜材。

图II-5-1 佛山国际家居博览城“十字”中庭屋面

该工程钢结构、膜结构、玻璃采光顶由广州凯诺毕尔建筑技术有限公司设计并施工，工程于2012年9月完成。

二、结构体系

该工程中庭圆伞型屋面为辐射式的双层索系，辐射式双层索系一般在圆心处设置受拉内环，双层索一端锚固于内环上，另一端锚固在周边的受压外环上。该结构直径为88米，屋盖矢高约25米。主体结构由外环桁架、内环飞柱及上下双层索系组成，表面为波浪形，覆盖膜材。外环桁架截面为宽和高都为6米的倒三角形，上层索系分为上脊索和上谷索，上脊索采用φ5×73共32根，上谷索采用φ5×85共32根，下层索系采用φ5×187共32根。

作为下斜索的锚固点，飞柱的下节点为铸钢件，整个飞柱重约250吨，**上面的15米直径顶帽由采光玻璃组成。

图II-5-2 中庭辐射式双层索系轴测图

图II-5-3 飞柱节点

图II-5-4 剖面图

三、技术措施

    3.1 关键技术及重难点分析

该工程采用预应力悬索结构，通过分析判断，结构施工具有以下特点：

⑴ 在结构张拉成型以前，悬索结构刚度较小，稳定性较差，需在施工中采取保证结构稳定的措施。

⑵ 结构离地高度约60m，且周围都是建成的既有结构，不宜采用大型吊具及满堂脚手架施工。

⑶ 圆心内拉环钢结构重92t，铸钢节点重25t，拉索重133，总重约250t。且属于头重脚轻的结构，当提升点位于伞状结构的下端时，上端拉环极易发生倾覆，必须采取可靠措施进行预防和纠正。

⑷ 所有的提升点均交汇于一点，为保证提升过程中提升钢绞线和提升顶的有效和安全性，必须对同步精度严格控制。

⑸ 需要对整个施工过程进行全过程施工仿真分析，确保每一时刻结构的安全。

⑹ 需要在整个施工过程对结构进行全过程施工监测，并实时将监测数据可计算数据进行对比，确保提升过程安全。

⑺ 必须考虑各种不利因素以及各种可能的突发状况作为不利工况进行计算，根据**不利工况进行受力分析，从而选取提升设备、设计提升和张拉工装。

    3.2 施工方案

   3.2.1 现场施工工艺流程

佛山（国际）家居博览城悬索结构总体施工顺序为：在外环钢结构和飞柱拼装完毕并检查合格以后，将所有拉索与飞柱连接上，再采用提升千斤顶对16根上脊索(避开凸出建筑物的位置)进行提升，当提升到一定高度时，开始安装上脊索和上谷索，接着安装下索1、下索2，然后对上脊索和上谷索进行调整，**张拉下索完成结构张拉成形。张拉完成后再进行192根边索的安装，详细安装工艺流程见图II-5-5。

图II-5-5 安装工艺流程

    3.2.2 索系提升及安装

    第1步：在外环钢结构以及飞柱拼装完毕并检查合格以后，可以开始预应力拉索施工。

图II-5-6 钢结构拼装完毕

     第2步：搭设操作平台

图II-5-7 操作平台搭设

    第3步：安装脊索固定端

    第4步：安装谷索固定端

            图II-5-8 安装脊索固定端                      图II-5-9 安装谷索固定端        

    第5步：安装稳定索固定端

    第6步：安装斜索固定端

 图II-5-10 安装稳定索固定端                   图II-5-11 安装斜索固定端

    第7步：同步提升16根脊索工装索

图II-5-12  提升脊索工装索

    第8步：提升飞柱至离开地面9m

图II-5-13 提升飞柱至离开地面9m

    第9步：提升飞柱至离开地面14m

图II-5-14 提升飞柱至离开地面14m

    第10步：安装谷索调节端

图II-5-15 安装谷索调节端

    第11步：提升飞柱至离开地面22m，安装上脊索

图II-5-16 安装上脊索

    第12步：转换提升工装至斜索

图II-5-17 转换提升工装至斜索

    第13步：松脊索和谷索调节套筒

    第14步：提升飞柱至28m高

图II-5-18 提升飞柱至28m

    第15步：提升飞柱至离开地面34m

图II-5-19 提升飞柱至34m

    第16步：提升飞柱至40m高

图II-5-20 提升飞柱至40m

    第17步：提升飞柱至46m高，安装斜索

图II-5-21 提升飞柱至46m

   3.2.3 结构张拉方案

   第1步：调整脊索和谷索

提升安装就位后，调整结构的初始状态，首先对上脊索和上谷索进行预紧，保证飞柱位于结构的中心位置。然后松掉缆风绳索。上索调整方法：调节上脊索和上谷索的长短来改变飞柱的中心位置，上脊索理论长度为30876mm，上谷索理论长度为36130mm，根据现场钢结构的安装误差进行调整，此时上脊索**内力为96kN，上谷索**内力为48kN，下索**内力为374 kN。

图II-5-22 索力分析

    第2步：张拉斜索

将32根斜索分3级张拉到位，第1级张拉到设计值的30%，第2级张拉到设计值的70%，第3级张拉到设计值的100%。

在每一级张拉中，将32根斜索分8批张拉完毕，即每一批次张拉4根。

图II-5-23 斜索分组编号

第1级张拉顺序为：1→ 2→3→4→5→6→7→8

第2级张拉顺序为：8→7→6→5→4→3→2→1

张拉位置及采用大型通用有限元分析软件Midas仿真分析的张拉力如表II-5-1所示。

    第3步：张拉完成后，根据施工监测数据，对个别拉索进行微调

表II-5-1张拉位置及张拉力

    3.2.4 提升精度控制分析

由于无法采用大型吊具和满堂脚手架施工，因此采用斜向提升径向索的施工工艺。在提升过程中，**难控制的就是提升下索时，结构重心在提升点上方，且内拉环在水平方向没有约束点。结构可能发生侧向位移，因此需对提升下索的过程进行重点分析。

   1. 提升上索时的精度控制

提升上索时，由于上索的下锚点是分布在内拉环的顶部直径15m的圆环上，提升过程中不会出现结构失稳的情况，但是如果在提升过程中出现一个提升点提升过快或过慢，都会影响到自身轴线和邻近轴线的提升力。可能出现一个提升点的提升力迅速增大或者某个提升点松弛的情况。为此需要对每个提升状态进行不利工况分析从而确定提升精度控制指标。

表II-5-2 提升上索过程中索力变化

从表中可以看出，为了保证单个提升点的索力不至于增长过大保证提升过程安全，在提升上索的过程中，在内拉环被提升至离地15m时，提升精度需要控制在50mm，在内拉环离地高度在15~22.2m的过程中，提升精度控制在25mm，目标是单个提升点的**提升力控制在600kN以下，以保证提升系统有足够的安全系数。

2.  提升下索时的精度控制

提升下索时，虽然这个过程上索已经安装销轴，但是由于上索处于松弛状态并不能对内拉环的顶部形成约束，因此，在提升下索时，整个飞柱极易发生侧向倾覆。为此在飞柱顶部设置了4道缆风绳作为水平向约束。但是当飞柱的顶部标高超过外压环以后，在提升过程中还需要随时放松缆风绳以免缆风绳受力过大。另外下索的下锚点均在同一点，也就是说在提升下索时，是对同一点施加提升力。如果不能做到同步提升，则会出现要么某一个提升点的提升力会迅速增大，要么无法提动飞柱。为此必须对每个提升状态进行分析，在保证提升结构安全的前提下，确定合理的提升精度指标。

表II-5-3 提升下索过程中索力变化

从表II-5-3可以看出，为了保证单个提升点的索力不至于增长过大保证提升过程安全，在提升下索的过程中，内拉环从离地22.2~36m的过程中，提升精度控制在30mm，在内拉环离地36~46m的过程中，提升精度控制在25mm，以保证提升系统的安全。

    3.2.5  同步提升控制技术

该系统采用同步控制程序，由计算机控制油泵和千斤顶提升张拉，有效控制千斤顶出缸行程。在千斤顶上分别设置上下限位器和拉线传感器，使每一个提升点的位移得到**控制。为避免提升过程中出现累计误差，提前在提升钢绞**每50cm做一个标记点，可随时查看钢绞线标记点误差，然后利用计算机操作系统对每根钢绞线进行纠正。同时采用力和位移双控原则，由一个计算控制平台控制6个控制柜，每个控制柜控制2个或者4个油泵上的电磁阀，由计算机控制电磁阀是否给千斤顶供油。在千斤顶上设置拉线传感器实时将位移数据传递给计算机，由计算机控制各个千斤顶之间的同步性以及总的出缸量。通过设置在千斤顶上的油压传感器实时将油压信号传递给计算机，在程序中设置安全油压，当实际油压达到安全油压时程序会命令电磁阀不再供油以保证千斤顶压力不会超过某一限值。

    3.2.6  施工过程及监测技术

提升过程分为上索提升过程和下索提升过程，上索提升过程不会出现结构失稳的情况，主要控制同步提升的精度。下索提升的过程既要考虑结构可能出现的倾覆，更要考虑提升的同步控制精度。

    1. 上索提升

受现场施工环境限制，内拉环周围有高层既有建筑，因此32个轴线只能同时提升16根拉索，按照给定的同步精度要求进行控制。

   2. 下索提升

    上索就位以后，将提升千斤顶和提升工装转移到对应位置对下索进行提升。此时上索一直处于松弛状态，因此在飞柱上端布置了4根缆风绳作为飞柱的水平约束，缆风绳的另一端固定在外环梁上，当飞柱上端低于外环梁时（即飞柱离地高度33m），随着下索的提升，不间断地收紧缆风绳，缆风绳的拉力在提升过程中不会出现增大的情况。

a 飞柱刚离开地面                              b 飞柱离地9m

c 飞柱离地14m                           d 飞柱离地22m，上索就位

图II-5-24 上索提升

a 下索提升工装                             b  飞柱离地28m

c 飞柱离地33m                             d 飞柱离地46m，下索就位

图II-5-25 下索提升

    但是当飞柱顶部标高超过外环梁以后，随着下索的提升，缆风绳的内力也会升高，对缆风绳的安全有不利影响，因此需要根据计算在提升一定高度以后停止提升，对缆风绳进行放松，然后再进行提升，如此反复直到下索提升到位。

    3. 施工过程监测

    为了确保工程在整个施工过程中的安全性以及考察施工过程中结构的变形和内力变化规律，需要对结构进行现场施工监测，指导施工过程的安全及**进行，并积累预应力工程施工数据资料。主要监测对象为提升索的索力和飞柱在提升过程中的侧向变形，因此在结构互相垂直的方向布置了2台全站仪，对整个提升过程进行了全过程施工监测，确保了在整个施工过程中，飞柱的偏斜度控制在5°以内。图II-5-26为典型位置拉索索力监测与采用大型通用有限元分析软件Midas仿真分析结果对比。通过索力监测发现，在提升过程中，拉索索力实测值比计算值稍微偏大，但偏大率在5%以内，说明提升过程仿真分析方法可靠，可以用于指导现场施工。

图II-5-26 提升上索时拉索索力监测

    3.3 膜结构施工

    该工程的膜安装，采用安全快捷的安全网实施，大大节约排栅使用费。

图II-5-27 施工人员在施工网上面安装膜

   膜吊至需安装部位，对照图纸沿安装方向展开膜片，确保膜片安装方向正确。

顶部膜膜边与顶圈连接，在膜硬压边安装夹具，用葫芦收紧膜片至安装位置，对好位后用手电钻对准膜面打好孔位，安装铝压板，调紧拉杆。

图II-5-28 顶部膜安装

    调节脊索及谷索的长度与图纸相符，使整个体系受力，完成该步骤后整个膜面应平整无皱纹，同时可以调节四个角位的法兰以达成膜面平整的要求。

四、经济技术指标

    该工程施工中采用了以下先进技术：

    ⑴ 采用计算机同步控制程序控制16套提升设备对结构的同一点进行提升；

    ⑵ 提升点设置在结构低端，通过给结构设置预偏结合环形轮换提升法对结构进行提升以确保提升过程中飞柱的稳定；

    ⑶ 采用安全快捷的安全网实施膜结构安装，大大节约排栅使用费。

五、工程照片

                             图II-5-29  中庭圆伞型屋面全景 

图II-5-30 内景

图II-5-30 内景局部