作者：郑晓敏
1工程概况
广州宏城广场钢结构天幕工程位于广州市中轴线上。工程总建筑面积约110 000m2，主要由地下商场及停车库、裙楼商场、下沉花园、顶层花园及相关配套工程组成。
天幕系统位于建筑物的屋面层，平面上分为东、西2个独立单体，外形酷似2条嬉水的鱼。系统由钢结构圆管单层网壳和表面覆盖单层ETFE薄膜
2部分组成（见图1）。
天幕系统钢结构采用空间单层网壳结构，鱼脊 区域网壳存在重叠。钢结构分为面层网壳、底层网壳和落客棚网壳3部分。局部网壳重叠区域采用小短杆连系成整体。网壳由若干个约2m x2m的菱形网格组成，中间区域锐角750左右，边缘区域150~1500不等；杆件规格为4194×6，ɸ194×12，ɸ194×25，ɸ89 x8;圆管相贯焊接，要求采用相贯节点全熔
透焊缝。
天幕采用ETFE单层膜，总面积约7 250m2，共2 200余个单元，其中包括46个可开启单元及600余个附加加强索单元。
2 空间仿生ETFE薄壳结构安装位形控制关键技术
钢结构天幕采用的ETFE膜设计收缩率一般小于1%，且强度较低，比PTFE膜材对钢结构安装精度有更高的要求。钢结构单层网壳作为ETFE膜的支承体系，其成型历经拼装、焊接、卸载等过程，最终位形受多因素影响，为此各施工阶段钢结构的位形控制将是钢结构天幕顺利施工的关键要素。
2.1 总体安装顺序
天幕屋盖网壳采用高空原位安装法，采用4台塔式起重机（3台Q7033和1台CT6014，塔式起重机臂长均为60m）对网壳构件以分片、散件相结合的形式进行高空吊装。塔式起重机未能覆盖区域配置1台70t汽车式起重机和1台50t汽车式起重机进行吊装。主要安装顺序如下。
1)屋盖网壳钢结构总体安装顺序由鱼头、鱼尾向中间进行。安装时首先安装落地桁架部分；内层网壳先于外层网壳施工；两侧落客棚最后安装。
2)东区、西区共分为6个施工区域，根据总包现阶段提供的3层土建作业面交付时间安排，首先施工东1区、西1区，后施工东2区、东3区、西2区、西3区。
3)各分区具体施工流水段的划分、施工顺序、施工方向须与业主、总包、监理、幕墙等单位沟通协商后确定，避免与土建、幕墙等专业施工冲突，确保方案顺利实施。
屋盖网壳钢结构施工平面分区如图2所示。
2.2 圆管单层网壳结构安装技术
空间仿生薄壳结构几何形状特殊，类似工程中采用高空原位散件安装法较为常见。散件安装法会产生大量高空焊接作业，其焊接变形和焊接附加应力对结构极为不利。基于以上原因，本项目采用空间仿生薄壳结构原位分块拼装方法。
网壳分块在地面或工厂拼装成型，保证了钢结构的安装精度和焊接质量。分块之间采用散件连接，通过测量仪先将分块位置定位准确，分块下部用临时支撑固定，再进行散件的安装定位，从而保证钢结构的施工精度（见图3）。
对于大面积薄壳结构的焊接施工，必须结合实际情况对结构进行分区并设置合拢缝，各分区独立施工，一方面减少施工误差累积，另一方面减轻大面积焊接对结构带来的不利影响（见图4）。
2.3单层网壳结构三维坐标预变形技术
空间仿生薄壳结构安装不仅要符合设计要求的外观形状，同时要满足ETFE膜对钢结构误差的要求，钢结构在制作、安装时采取预变形措施是解决上述问题的有效方法。依据计算结果，本项目的预变形是x，y，z3个方向的预变形。
2. 3.1 三维坐标预调整分析方法
通常钢结构预变形值通过计算分析确定，可采用正装迭代法、倒拆迭代法、一般迭代法等方法计算。
正装迭代法可用来计算各种施工方法下的变形预调值，但当结构复杂、杆件较多时，分析过程中会出现不收敛的问题；倒拆迭代法收敛性较高，但计算量和工作量均较大；一般迭代法可用来计算满堂脚手架施工方法下的变形预调值。
2.3.2 三维坐标预调整流程
为了改善结构外观和符合使用条件，预变形的大小应视实际需要而定，不能硬性规定单一的起拱值。经与设计协商后，起拱值用恒载标准值加1/2活载标准值所产生的挠度来确定。总体三维坐标预调流程如下。
1)根据施工方法确定预变形计算方法。薄壳结构由于其造型不规则，一般采用满堂脚手架施工为主。预变形计算时可采用一般迭代法。
2)结构建模，计算机模拟分析，计算得到的误差应在允许范围内。
3)将计算分析得到的三维变形值反号叠加到初始设计坐标上得到预变形后的坐标。
4)根据预变形得到的坐标进行深化建模。
5)工厂下料、制作。
6)现场按照预变形后的坐标进行构件分块拼装与结构安装。
7)结构预变形控制值可根据施工期间的变形监测结果进行修正。
2.4 圆管单层网壳结构焊接技术
本工程钢结构网架节点均由圆管相贯节点组成，对于大面积焊接结构，施工过程中若焊接方法不当，焊接顺序不合理，将会对结构带来非常不利的影响。钢结构焊接完毕后，由于焊接变形可能会发生结构进一步下挠或局部区域上翘等现象。鉴于此，单层网壳结构施工时，在前述分块结合散件安装的基础上，通过焊接过程模拟分析，得到一套有助于减少单层网壳焊接变形和焊接附加应力的焊接方法。焊接过程模拟方法如下：①在前述施工分区、分块结合散件安装的基础上，采用大型有限元软件进行焊接模拟分析；②焊接过程模拟分析时，在杆件施焊端附近取一小段，分段长度以及施加的温度根据杆件的规格、焊接方法通过试验确定；③计算机模拟分析时，仅考虑结构的自身质量以及焊接时产生温度；④在上述荷载工况作用下，对各种焊接顺序进行模拟分析；对模拟得到的结果进行对比，得出最合理的焊接顺序；⑤根据最终确定的焊接顺序指导工人焊接作业。
对不同的焊接顺序进行模拟，对得到的结果进行比较分析，选择最优的焊接顺序，指导工人焊接作业，保证工程焊接质量。
2.5卸载全过程变形监测技术
根据天幕在自重作用下的变形分布，东鱼共分为6个区块进行卸载，总体按从中间往两边的顺序进行分区分级卸载（见图5）。每一区块先对竖向支撑构件进行卸载，再进行网壳部分的卸载。
卸载过程中，首先拆除竖向支撑体系下部的临时支撑，在网壳卸载前保证竖向支撑处于先受力状态；在后期网壳卸载过程中，使竖向支撑构件缓慢受力。屋面网壳区域进行分级卸载，使得网壳的位形逐步达到设计位形。通过上述卸载顺序来保证变形协调、受力均衡、支撑稳定。施工卸载顺序及结构变形有限元分析结果如表1所示。
2.5.1变形监测方法
钢结构安装完毕后尚未开始卸载，对钢结构典型点位进行坐标监测，记录各点位的实际坐标值以便后续数据处理。根据钢结构卸载方案，每一卸载步完成后，过4h后待结构变形趋于稳定，用全站仪对典型点位进行监测，记录新测得的坐标。将该坐标和预变形后的坐标差值与卸载过程模拟得到的变形值进行比较，若差值在变形值的20%以内（20%由设计综合考虑结构受力及后续专业施工要求确定，由百分比计算得到允许变形值在10mm以内的按10mm计，则继续进行下一步卸载工作。若变形差值超过允许值，则需分析差值偏大原因，采取相应措施由设计确认后继续进行后续卸载工作。
2.5.2监测点布置
监测点位根据结构受力特点和钢结构施工方法，由设计院协同施工单位共同确定。屋面网壳与竖向支承连接节点处必须作为变形监测点，其余每一个分区应不少于8个监测点。图6所示为宏城广场钢结构天幕监测点位。
2.5.3 施工过程监测结果
根据变形监测得到的数据，结构预变形实测值与理论位形误差在±3mm内，当其卸载完成后施工模拟变形与实际变形差值在±5mm范围内，结构预变形达到了预期效果，结构实际刚度与理论接近。
2.6 ETFE膜安装技术
ETFE有着优越于PVC/PTFE膜材的特性，如自重更轻、建筑效果更好、透光率高等，也有其“脆弱”的一面，如果在加工和安装环节方法不正确，易造成膜材损伤，或安装效果不理想。
2.6.1ETFE膜材的施工要点
在ETFE膜加工下料前，应对钢结构尺寸进行复测，一旦超过允许误差，应与相关单位及时协调。为防止该类情况的出现，膜结构与钢结构之间通过可调连接件连接，膜结构连接件上下、左右可调，可调量约为30mm（见图7）。通过可调连接件的设置来消除钢结构与膜结构之间的误差值。待转接件安装完成后，通过螺栓调整好上部T形件的位置，进行坐标复核后将连接板与T形件焊接牢靠，然后安装上部铝型材及膜材。将铝合金夹具按照图纸固定于转接件上，各段夹具之间的间隙控制在5～10mm，固定间距需符合图纸要求。
钢结构的误差应控制在转接件的调节范围内，否则膜结构单元需要根据测量值确定膜边界。这时，膜加工进度会滞后，项目总体进度将超出可控范围。
2.6.2 ETFE膜材的安装流程
1)测量、放线 依据膜材加工编号，对应屋面分格形状，确保膜材位置正确。
2)安装夹具。
3)张拉膜材 检查膜材型号使之与要安装的型号相对应。按照膜材叠折顺序展开膜材，将对应膜边长的夹具密封条穿入夹具内。各边同时拉紧ETFE膜，并将边绳夹具同时卡人夹具。注意张拉时用力均匀，保持膜材自然下垂状态，避免用力不均，出现褶皱。
4)清洗 ETFE膜材表面非常光滑，具有极佳的自洁性能。表面灰尘及污迹会随雨水冲刷而除去。
3 结语
本文以广州市宏城广场钢结构天幕工程施工为载体，对空间仿生ETFE薄壳结构的施工技术进行研究和总结。创新性地提出了空间仿生结构三维坐标预调技术用以保证结构位形；采用空间薄壳结构分块结合散件的施工方法控制焊接应力和变形，从而保证钢结构施工质量满足甚至高于规范要求。对于ETFE膜边界精度控制要求的问题，提出了相应的转接件的节点设计，以及安装过程的关键工序控制。
4[摘要]ETFE膜材设计收缩率小、强度低，对钢结构施工有更高的安装精度要求。以广州宏城广场天幕的建造过程为背景，提出了单层网壳分块安装方法，介绍了三维坐标预调整技术，卸载全过程变形监测和大面积ETFE膜安装等整套空间仿生ETFE薄壳结构的施工技术，解决了ETFE膜边界精度控制要求高的难题。
