唐山迁西展览馆工程由骨架式张拉膜结构体系和玻璃幕墙结构组成 (图1) , 总表面积约为1074m2, 其中膜面积约874m2、建筑幕墙面积约200m2、结构骨架的钢结构用钢量约为48.0t。

索膜结构是一种新型的节能建筑形式, 它具有:造型自由、轻巧、柔美, 充满力量感, 阻燃、制作简易、安装快捷、节能、便于移动搬迁或更新改造、使用安全等优点。膜结构按受力特性大致可分为充气式膜结构、张拉式膜结构、骨架式膜结构、组合式膜结构四类。

本工程采用的是骨架式张拉膜结构, 是一种典型的组合型膜结构。它既具备了张拉式膜结构的体形丰富、自然流畅、曲面柔美的优点, 又兼有了骨架式膜结构的自身封闭的、稳定的骨架体系与膜材料共同组成一个结构受力体系。

施工详图深化设计是介于施工图设计与加工安装中间的一个设计过程, 其工作内容主要包含两方面的工作:

(1) 根据施工蓝图进行深化设计, 使工厂能以该图纸为基础进行加工制作的程度;

(2) 为加工厂提供相应的技术服务和现场技术指导等工作, 使图纸使用者能更准确的理解设计者的意图。因此图纸深化设计的目的总体来说就是为工厂材料的采购、加工制作、运输、现场拼装和构件安装提供服务, 保证工程的顺利完成。

由于本工程为骨架式张拉膜结构, 造型独特, 交汇杆件较多, 受力复杂。进行图纸深化设计时, 首先用Xsteel软件建立结构整体模型 (图2) , 将整个结构在计算机中按实际尺寸进行1∶1的虚拟建造, 建造过程可以将施工图设计阶段无法表达清楚的问题一一暴露出来, 并加以解决。

然后, 根据现场吊装和运输需要, 结合工艺、材料、焊缝、结构设计说明等确定合适的施工方案, 将虚拟建成整体模型的各个区域进行拆解, 分解为单个构件或部件并生成深化设计详图。最后, 根据加工制作及安装的各种要求, 将拆解下来的三维构件转换为平面的图纸。

根据本工程施工特点和现场实际情况, 将膜机构的骨架以主弦杆为单位分成八个吊装单元 (图3) , 进行加工制作和吊装运输。

由于本工程以主弦杆位制作单元, 构件整体长度约30m, 膜骨架架的上、下弦均为弧形流线结构, 为了确保整体工程的组对质量及安装精确度, 构件组对必须在高标准的胎模支架上组对焊接, 以确保成形质量。运输和存放时应做好固定和临时支撑等防变形措施, 以减小构件的运输和存放的构件变形。

由于该工程设计造型独特, 尤其是主弦杆的整体弧度, 不同截面尺寸的腹杆相贯面切割加工精度要求很高。并且构件中材料种类多, 各类桁架之间、桁架与系杆之间以及柱头支座等, 包含了大量不同截面和构件间的焊接, 截面也有矩形和圆形之分。

因此如何保证节点制作质量、钢管与钢管焊接、拼接的焊接变形的控制是本工程质量控制的重点。为了保证将结构的整体误差控制在设计规定的范围内, 减少结构整体变形, 对构件拼装环境, 胎具适用性及胎具随温度变形量等多方面的因素进行控制, 以保证构件的加工精度, 减少工程的累积误差和整体偏差。

本工程主弦杆弧度大小不等, 标高不统一, 在制作拼装时, 其弧度比较难以控制。制作构件前, 应针对现场实际情况进行测算, 以主弦杆下弦的最低点为起点, 从下向上设置胎模架。加工过程中, 通过调整胎模架, 对各个主弦杆弧度及高差进行调整。安装时, 在支撑平台上的下弦杆的下弦, 平均设置千斤顶, 用千斤顶进行主弦杆拼装高差和弧度的调整。

根据本工程的施工特点及主弦杆的尺寸, 主弦杆的上下弦杆在材料接长时如遇节点, 上下弦则应互相错开, 以利于释放应力和减少现场拼装误差。接段分界面应设于构件的剪力和弯矩较小处, 即二个相邻节点的距离的1/3处, 且上下主弦杆相互错开。在拼装的过程中, 全程以经纬仪进行监控, 并在桁架拼装节点位置设置标靶, 进行光线测量。钢管对接前, 在钢管外壁安装连接耳板作为临时固定, 用普通螺栓将主弦杆的上下弦上耳板连接固定。由于本工程弦杆管径较大, 为了保证连接点的牢固性和圆管的同心度, 施工中选用圆周方向上四点的对称连接, 节点夹角均为90度 (图4) 。

为保证构件的拼装精度, 现场的操作平台与拼装胎模架支撑必须有足够的刚度。在操作平台上应明确标注出主要控制点, 作为构件拼装时的基准点。在操作平台上划出弦杆结构控制点的水平投影点, 打上钢印作为标记;确定主管及各杆件的相对位置时, 应考虑焊接收缩和其他变形余量。在胎架上对主管节点的中心线进行划线, 然后装配腹杆及膜边梁, 并进行定位焊。对各杆件进行定位焊时, 应对称进行, 并圆周内不得少于4处。定位焊好后, 对各管件进行焊接。

应注意在施焊时, 应尽量避免或减少仰焊、立焊等不利的焊接位置, 以保证焊接质量。构件在胎架上焊接完成后, 不应立即解除桁架上的所有约束, 避免焊接后应力引起的构件变形。正确的做法是, 等构件温度与环境温度一致时, 开始应依次去除临时支撑和约束, 使构件缓慢进入自由状态, 在自由状态下测量各构件的各项尺寸。

通常情况下, 构件的设计计算均以结构完工后的荷载状况为基础进行建模计算。由于本工程为立体异型构架组合结构形式, 在结构安装过程中各构件在各阶段的受力状况与完工状态下有较大差别, 因此要对各构件在安装过程中各阶段进行结构的内力、稳定性、位移量做理论计算, 以确保整个安装过程中的结构安全。

整个结构吊装以主弦杆为一个吊装单元, 整个工程分为8个吊装单元。为确保构件安装精度, 构件吊装时应对称进行, 以保证结构在吊装过程的变形和受力较小。

本工程单一构件吊装重量及回转半径最大的构件:其整体长度27.4m, 重量约为4.3t, 重心离桁架外侧端7.8m, 上弦顶面标高为29.5m。在施工中, 根据以上数据选择适合施工的吊机以满足起吊重量及回转半径的要求。通过对钢构件的重量、外形尺寸及安装标高等因素的综合考虑, 最终确定选择一台80t履带吊, 配杆52m。该起重的设备作业半径为14m时, 最大起重量为8.8t (其中吊钩重量为0.47t) , 故选该吊机可以满足本工程吊装的要求。

在实际施工中, 在吊装设备在进场前应做好以下准备, 根据各个主要构件吊装的工艺, 确定起吊索具的规格和数量;严格按照吊装审核制度, 对起吊索具进行检查核对, 确保吊装施工的安全。

根据吊装模拟分析计算, 桁架吊装过程中单根吊索的最大轴力为10.03t;现场吊装采用公称直径为16mm的钢丝绳, 单根破断拉力为34t。吊装安全系数为:34/6.82=5.28, 满足吊装要求。

根据现场实际情况及构件本身的特点, 主弦杆吊点位置如图5所示。由于吊装时, 由于部分吊装单元上弦存在部分不连通弦杆, 在吊装和高空接时变形和位置偏差难以控制。为了减小吊装过程及高空组装过程中构件的变形, 保证高空组装的精度, 在实际施工时, 采取了对悬挑杆件的端部刚度加固的措施。具体加固措施是:在构件起吊前, 用?152×7的圆钢管对构件吊点位置和悬挑区域与其他杆件进行连接。构件吊装就位并固定后, 切除加固件, 使构件重新恢复到自然受力状态。

为了选择合适的起重机完成桁架的吊装并保证施工过程的安全, 对桁架的吊装过程进行了验算 (图6~图10) 。

根据相关的规范即《建筑结构荷载规范》GB50009-2001中第4.6.2条的规定, 搬运和装载重物的动力系数可采用1.1~1.3。本次吊装验算时选取的动力系数为1.3。运用sap2000结构计算软件进行分析, 计算所分析吊装施工过程中重量最大构件。

经过软件分析得出:构件的最大变形量为8.3mm, 8.3mm<12500*2/400=62.5mm, 最大弯矩为7.8kN·m, 最大轴力为65.6 k N, 最大应力比为0.231。起吊时所有参数值均满足规范和设计要求, 因此构件的吊装过程安全可靠, 可采取此方案进行吊装。

在工程实践中, 骨架体系的膜结构施工与常规结构相似, 较易被工程界和设计师们理解和接受, 同时为了让膜具有一定的刚度, 骨架体系提供给膜的支撑系统一般要有一定的曲线度, 并应设置向膜中施加预应力的结构。同时解决了张拉式膜结构体系受力复杂, 要求施工精度高, 设计计算、加工制作工艺难度都较大等问题。

本工程采用骨架式膜结构形式, 其骨架结构造型复杂, 施工质量、施工精度和施工技术要求都比较高。因此在进行本工程施工过程中, 必须准确把握施工重点和难点, 采取保证各项工作的配套措施, 确保工程施工进度和质量能满足业主和设计的要求。

本工程施工难点是:施工运输道路狭窄, 施工现场场地小, 施工中构建全部为三维结构形式, 定位难度大, 汇交节点多, 容易形成应力集中等。为解决以上问题, 需要建立科学、统一的现场组织机构来指导、协调和领导施工, 同时还须有健全、完善的管理体制和规章制度来保证工程的施工组织管理机构有据可依、有据可循。使本工程在施工过程中做到协调、有序。