杭州西站云門幕墻鋼結構建造技術研究

湯海江，郭 磊，蔣永揚

浙江中南綠建科技集團有限公司，浙江杭州 310051

0 引言

隨著社會的發展和人民生活水平的提高，在自我私有空間擴大的同時，公共活動空間的需求也與日俱增。影劇院、體育場館、高鐵站、飛機場等大跨度建筑不斷在城市中興建。世界上許多先進國家著名城市的標志性建筑，以及很多優秀旅游景區的建筑始終與空間異型扭轉曲面網殼結構密不可分，歷屆奧林匹克運動會、世界各國的各種交通樞紐站、世界博覽會也無不成為各國最先進的大跨度空間結構競相亮相的舞臺。

在“峰會后、亞運前”的時代背景下，乘著杭州第19屆亞運會舉辦的東風，為了向國際友人彰顯杭州的獨特魅力，杭州西站應運而生。但在建造過程中結構形態較為復雜，節點處桿件多、受力復雜，拼裝中存在桿件空間定位難度大、施工作業復雜等問題，故本文以杭州西站云門幕墻鋼結構工程為背景，重點闡述杭州西站云門幕墻鋼結構項目的建造實踐。

1 工程概況

杭州西站［1］樞紐南區站城綜合體云門工程位于杭州市余杭區倉前街道杭州西站南側，占地面積10 800 m2，總建筑面積9.67 萬m2，結構頂標高81.35 m?！霸崎T”是杭州西站“云之城”的重要組成部分，以江南意向塑形，為其塑造獨特的城市形象，用同構的手法統一綜合體的立面形象，并通過“云?！狈諊鸂I造現代江南城市聚落?！霸崎T”寓意人流與數據的流動，契合站區所在的未來科技城地域特點，呼應杭州互聯網新經濟之城的特色；同時還代表著互聯網信息數據間的自由流動，象征著高度發達的互聯網信息新經濟（圖1、圖2）。

圖1 杭州西站效果圖

圖2 杭州西站云門效果圖

幕墻鋼結構由屋頂單層框架+下部曲面單層網殼組成，其中屋頂單層框架下部落于云門主體結構頂部，通過21組樹杈柱+7組箱型柱支承于下部主體結構上，結構頂標高81.35 m。下部單層網殼分為上部洞口花瓶狀網殼和下部異型不規則曲面網殼。下部網殼通過60 組小短桿將封邊圓管與主結構連接，網殼內部通過22組V型撐，將網殼支撐固定于主體結構上，網殼最下部落地處通過28組成品鉸支座與結構基礎連接；上部花瓶狀網殼，腰身處通過8組成品鉸支座與空中連體連接，網殼最上部和屋頂框架在空中連體中間洞口交界處固定連接成一體（圖3）。

圖3 幕墻鋼結構分拆結構圖

2 項目建造過程中的重難點

1）屋頂單層框架結構由于現場實際安裝前主體結構部分已經安裝完成，結構頂標高81.35 m，結構跨度達176 m，現場實際高空吊裝作業難度較大，安裝難度系數較高。因此，研究屋頂單層框架結構的建造技術就顯得尤為重要。

2）下部單層網殼結構采用分塊吊裝的方法進行安裝，由于安裝前主體結構已經安裝完成，導致頂部最后一個合龍單元缺少施工作業面，無法通過吊裝的方式完成安裝。因此，研究下部單層網殼結構的建造技術也很有必要。

3 屋頂單層框架結構建造技術

屋頂單層框架結構標高較高，安裝難度系數較大，結合該類結構類型及施工現場吊裝實際情況，對整體框架進行區域劃分，確定施工總體順序，設置臨時支撐體系保證屋頂單層框架施工的合理性及安全性。

3.1 安裝思路

根據塔吊性能，屋頂框架網格中框架主梁采用分塊［2］或者分段進行吊裝，分段處搭設支撐架臨時支撐，框架次梁待主梁安裝后采用塔吊散裝。

1）區域劃分

根據結構特點和現場場地條件，將屋頂單層框架鋼結構以中軸線為界，劃分為2個對稱施工區域：東區和西區，見圖4。

圖4 屋頂框架施工區域劃分

2）施工順序

屋頂樓面提交作業面前，沿塔樓北側安裝2 臺塔吊，隨后開始安裝周邊低標高79.65 m的框架柱和中間位置樹杈柱。樹杈柱支撐結構見圖5。

圖5 樹杈支撐結構構造

東區作業面從東側向西側方向施工，西區作業面從西側向東側方向施工。施工首先吊裝沿東西方向的框架主梁，然后安裝框架主梁之間次梁。在安裝中間橢圓洞口時，首先設置支撐架分段安裝封邊弧形鋼梁，然后安裝附近主框架梁，最后安裝附近次梁，具體施工流程見圖6。

圖6 屋頂框架施工流程

3.2 臨時支撐布置

屋頂框架幕墻鋼結構施工，一個區共設置14個支撐架，主要支撐于框架主梁分段位置處和中部橢圓封邊梁分段處，其中橢圓封邊長軸處三個支撐架高度為12.0 m，下部落于空中連體桁架中間層；剩余其他位置處支撐架高度為4.8 m，落于結構頂部樓層，見圖7。

圖7 層頂框架施工區域劃分

4 單層網殼結構建造技術

下部曲面單層網殼施工作業面小，采用常規分塊吊裝的方法安裝時要搭設大量的高空支撐架，不但高空組裝、焊接工作量大，技術經濟性指標較差，而且存在較大的質量安全隱患。研究網殼結構的組成，結合結構特點和施工方法的不同確定安裝思路及施工區域劃分，以整體提升的方式對劃分的中部B區結構進行提升，并通過模擬分析確保提升過程的安全性符合規范要求。

4.1 單層網殼結構的組成

一種單層網殼結構包括支撐節點一、支撐節點二、支撐桿和支座，支撐節點一和支撐節點二相互連接成單層結構，支撐桿設于單層結構上，支座設于單層結構的底部（圖8）。

圖8 網殼結構及節點、支座

4.2 單層花瓶口網殼結構安裝

4.2.1 安裝思路

幕墻單層網殼共分為2個施工分區，下部立面網殼采用汽車吊分塊吊裝，中間水平向網殼采用地面拼裝+整體提升方式安裝。

4.2.2 區域劃分

根據結構特點和施工方法的不同，從高度上將下部單層網殼結構劃分為2個施工區域：下部A區采用分塊吊裝安裝（結構標高46.2 m）、中部B 區采用同步整體提升方式進行安裝（結構標高4.15 m），見圖9。

圖9 區域劃分示意

4.2.3 中部B區整體提升施工技術

中部B區鋼結構在地面拼裝成整體后，采用超大型液壓同步整體提升施工技術將其整體提升到設計標高，再焊接對口處的桿件，大大降低現場高空的施工量和施工難度。

1）提升吊點設置

結合工程實例，根據結構形式布置12個提升吊點（圖10）。

圖10 提升吊點布置

2）提升點布置及提升工裝設計

提升點設計平臺利用原空中連體下弦層結構設置（圖11、圖12），在兩根主梁上，放置提升橫梁，提升橫梁上放置肩梁，提升器放置在肩梁上，鋼絞線穿過肩梁上的穿線孔（圖13、圖14）。提升橫梁規格采用H588X300X12X20，肩梁規格采用B500X400X12X16，材質均為Q345B。

圖11 提升點立面布置

圖12 提升點平面布置

圖13 提升工裝設計立面

圖14 提升工裝設計平面

3）吊點布置及其工裝設計

吊點采用托梁和吊具，先將吊具固定在托梁上，再將托梁和網殼整體拼裝單元固定，然后將鋼絞線和吊具固定連接。

結合整體提升技術要求及現場網殼安裝作業情況，采用兩種吊點的結構形式，吊點1以網殼桿件上掛的結構形式與上方提升點垂直連接設置，吊點2在兩根網殼桿件下方設置吊點，鋼絞線穿過兩根桿件中間的穿線孔與上方提升點垂直連接設置，見圖15。

圖15 吊點工裝設計及現場

4）B區整體提升工藝流程

根據本工程結構特點和現場場地條件，中部B區提升網殼總重約580 t，擬采用地面拼裝，整體提升施工方式提升［3］。

網殼下部搭設拼裝平臺，網殼結構在拼裝平臺上拼裝完成后，利用液壓提升器整體提升至設計標高，與已安裝的下部A 區網殼、空中連體連接固定后，卸載提升器，完成中部B區網殼的施工，見圖16。

圖16 B區提升工藝流程

5）整體提升施工過程模擬分析

①模型建立及有限元分析

采用有限元分析軟件對結構進行提升模擬分析［4］。驗算結構強度采用1.5×（恒荷載）；驗算變形采用1.0×（恒荷載）；鋼結構單元均采用梁單元進行模擬，荷載為結構自重（考慮1.1倍節點放大系數），見圖17。

圖17 計算模型

②驗算結果

驗算結果見圖18～22。

圖18 X方向位移云圖

圖19 Y方向位移云圖

圖20 Z方向位移云圖

圖21 桿件應力比云圖

圖22 提升反力云圖

③驗算結果分析

由上述荷載組合分析結果可知，結構提升總重約580 t，桿件X向變形最大為16.36 mm，Y向變形最大為20.14 mm，Z向變形最大為27.81 mm，實際安裝過程中實測得桿件X向變形最大為18.28 mm，Y向變形最大為22.64 mm，Z向變形最大為29.83 mm，桿件對接時，可在空中連體上設置手拉葫蘆進行臨時變形控制，保證施工精度。桿件最大應力比為0.53<1.0，最大桿件主要為提升加固桿件，滿足規范要求。提升過程中提升器最大反力為118.8 t，最小反力為41.1 t。

④現場施工應用情況見圖23。

圖23 現場提升應用情況

5 結論

杭州西站樞紐南區站城綜合體屋頂單層框架結構施工技術，解決了屋頂單層框架結構由于現場實際安裝前主體結構部分已經安裝完成，結構標高較高，安裝難度系數大的問題；單層網殼結構的安裝技術［5］，解決了下部網殼結構采用分塊吊裝安裝時頂部合龍單元施工作業面缺乏的問題，相關技術均已成功應用于本工程的實際建造，可為同類工程提供參考。