圆融时代广场天幕工程施工技术

圆融时代广场天幕工程施工技术 薛峰，侯玉强 (苏州圆融发展集团有限公司，江苏苏州215028) ,摘要,圆融时代广场天幕长约540m，是目前国内最大的天幕之一。结合工程实践，主要 介绍了天幕工程主体钢 管桁架结构、膜结构、LED屏幕灯条和音响安装的施工技术。围绕钢管混凝土立柱施工、 桁架构件加工、桁架组装 和吊装、拱架吊装、焊接质量控制、ETFE和PTFE膜结构施工、灯条的结构排列和调节等 一系列细节问进行阐述。 解决了钢管桁架拼装、用PTFE膜作为LED灯条的安装固定结构等难点问题，不仅保证了 结构的施工质量和使用 功能，也体现出工程的建筑效果。 ,关键词,天幕;钢管桁架;ETFE膜;PTFE膜;LED屏幕;音响;施工技术 ,中图分类号,TU745.4,文献标识码,A,文章编号,1002-8498(2010)07-0044-04 Construction Technology of Sky Screen in Harmony Times Square Xue Feng，Hou Yuqiang (Suzhou Harmony Development Group Co.，Ltd.，Suzhou，Jiangsu 215028，China) Abstract:Harmony Times Square sky screen is 540 meters long，which is currently one of the nation’s largest sky screen.Based on engineering practice，construction technologies of steel pipe truss structure， membrane structure，LED screen and sound are introduced.It describes construction of steel pipe concrete column，processing of truss conponent，assembly and hoisting of truss，hoisting of arch frame， welding quality control，construction of EFTE and PFTE，LED screen installation in detail.The difficulties like assembly of steel pipe truss and using PTFE as fixed structure of LED light are solved to assure construction quality and using function.And architectural effect is good. Key words:sky screen;steel pipe truss;ETFE membrane;PTFE membrane;LED screen;sound; construction technology 1工程概况 圆融时代广场天幕工程位于苏州工业园区时代广场商业街内中央河的北侧。天幕平面形 状如一条蜿蜒飘逸的丝带，横贯N5地块、华池街、N6地块的上空，东西方向长约540m， 南北方向宽约31.2m。天幕采用钢管混凝土立柱;上部采用空间钢管桁架结构，桁架上弦 覆盖PTFE充气枕，周边包裹铝板;桁架下弦安装ETFE网格膜，作为LED屏安装的载体。 项目于2009年1月建成投入使用，可实现音视频同步播放，目前为国内最大的LED天幕之 一。 天幕工程施工有以下难点:?天幕钢结构管桁架较为复杂，下弦均为空间曲面，并且为 满足建筑效果要求，竖向和水平方向均有一定角度的旋转;?各专业之间交接验收不统 一，钢结构允许安装偏差与膜结构安装允许偏差要求不统一，PTFE膜材允许安装偏差与LED 允许偏差不一致;?用PTFE网格膜作为LED灯条的安装固定结构并无先例，如何解决LED 安装，确保LED成像效果是天幕成败的关键。 2天幕钢结构施工 天幕钢结构纵向柱距分16.8、33.6m两种，630mm的直焊缝钢管混凝土柱与基础刚性连接，内灌C30微膨胀混凝土，跨越华池街的部位采用钢结构拱架;天幕上部采用空间管桁架结构，结构横向跨度16.8m，柱两侧各悬挑7.2m，天幕距地面约21m。主体钢结构纵向 通过抗震缝分为4个部分，抗震缝宽150mm(见图1)。 图1天幕平面示意 Fig.1 Plan of sky screen 由于天幕布置于商业街区之上，钢管柱部分位于地下室顶板，部分位于建筑物屋面，因此只能采用地面组装、分段吊装的施工方案。钢结构翻样采用计算机建模，安装前对整个天幕的预留钢柱进行了联测，相关联测结果提供给钢结构施工单位，确保安装质量。 2.1钢管混凝土立柱施工 钢管柱底部侧面预留混凝土浇筑接口，顶部预留观察孔。管内微膨胀混凝土在钢结构吊装完成验收合格后再浇筑。 2.2桁架构件加工 空间管桁架的构件、杆件均采用管管相贯连接节点(见图2)，同一节点相贯杆件众多，同时主桁架的上下弦杆需要煨弯，对构件加工和安装提出更高要求。 1)相贯口切割采用五维相贯线切割机进行相贯口切割，全过程自动化操作，切割精度高，坡口在加工中一次成型。最大切管直径800mm，最大切管壁厚40mm。 2)煨弯腹杆按照尺寸进行切割，因此弦杆的煨弯精度十分重要，弦杆采用机械煨弯或火焰煨弯。分段煨弯以后，进行弦杆整体预装，通过事先绘制好的地样检查煨弯精度，对于局部超标部分，进行补煨。桁架组装过程中，采用合理的焊接顺序，避免焊接过程中因焊接收缩导致弦杆曲率发生问题。 3)空间弯管加工先进行平面煨弯，然后搭设立体胎架进行垂直空间方向的煨弯。 4)弯管相贯加工加工时将管口与煨弯分开进行。先进行直管段管口的切割，将马鞍口管段切割下来约20cm长，管口做好四芯标记;再进行弯管的煨弯，煨弯成型的钢管也做好四芯标记，根据弧长将马鞍口管段与煨弯管焊接成一体，完成煨弯管的制作。 5)桁架起拱在详图深化设计阶段，考虑起拱度，施工图中的杆件尺寸是起拱以后的尺寸;起拱后，腹杆与弦杆的尺寸都有相应的变化;加工时的放样图根据施工图中提供的尺寸进行绘 制。 6)焊接质量控制由于杆件成不同的角度相贯，相贯口的坡口角度变化很大;同一贯口的焊缝在不同的部位要求也不一致，因此将相贯口分为熔透区、半熔透区、角焊缝区，根据不同的分区制定不同的焊接规范与检测标准。 7)杆件出厂状态对于现场容易组焊的部件，采用工厂煨弯与切割、现场组焊的形式;对于组焊较为复杂，例如主拱与边桁架的端部收敛部位，则采用工厂组焊、整体运输的方式。 2.3桁架组装 钢管桁架由主桁架、联系桁架、边桁架等组成，管桁架空间尺寸大，无法适应道路运输要求，使得杆件只能散件出厂，现场制作胎架，在工地附近进行单元组装，再用拖车运到安装点附近进行吊装。 2.4桁架吊装 1)吊机选择最大单榀主桁架重11.6t，最大跨度33.6m，现场安装环境较为复杂，安装时其下方的土建主体结构均已封顶，吊机大臂伸展及吊机回转受到周边建筑物的限制;同时吊机需要在地下室顶板上行走，受到地下室顶板承载力要求的限制，不能选用配重太大的吊机。因此，结构吊装选用2台SC500-2型50t履带式起重机，选用其主臂36.55m的吊装工况。在吊机行走路线上铺设钢箱，钢箱下铺20cm厚粗砂，并在相应部位的地下室顶板上加设支撑加固。 2)安装顺序根据现场土建施工进度以及周边场地情况，整体工程分4个区域组织大流水作业，安装顺序:三区?一区?四区?二区。在各工序之间也形成流水作业，即:柱?主桁架?联系桁架?边桁架?系杆，各工序之间合理搭接。天幕吊装顺序如图3所示。 2.5华池街拱架吊装 1)拱架箱形结构加工?区钢架跨越华池街，上部为桁架结构，下部为拱结构，采用空间扭曲箱梁，加工难度较大。扭曲箱梁的壁板较薄(分别为8、11、13、17mm)，加工难度较高，成型精度难以控制，成型误差难以校正。加工时采用标准样箱作为辅助检查工具，利用胎架控制成型精度。 2)拱架制作流程空间建模?获取空间坐标点?空间壁板平面展开?生成零件板?构件样箱制作?零件板成型?组装胎架?壁板上胎架?壁板就位?主焊缝焊接?无损检测?外观检查?下胎架。 3)拱架安装拱架分段出厂，现场组拼吊装。单拱最重约为36t，最长约为50.4m，采用搭设支撑架分3段进行安装。安装结束后，分段拆除支撑。每道支撑拆除后及时进行测量，确保拱架结构安全。 2.6焊接质量控制 本工程材料为碳素结构钢与低合金结构钢。焊接工作开始前，根据以前项目焊接经验和本工程的特点通过焊接试验进行工艺评定。焊接完毕清理熔渣及金属飞溅物，检查焊缝外观质量，如不符合要求，应及时打磨、修补焊缝。减小焊接变形措施:?装配前，矫正零件变形，保 证装配公差符合工艺要求;?采用氩弧焊打底，跟进二氧化碳气体保护焊后续焊层，这样焊接变形应较小;?对称焊接，使焊接收缩尽量平衡，上弦与下弦同时施焊，使变形抵消。焊接完毕对弦杆弧度进行检验，看是否有超差出现。配备必要的装配胎架、工装夹具、隔板、撑杆，以便出现偏差时进行纠偏。 3膜结构施工 天幕采用无组织排水，两侧悬挑部位包裹铝板，中部采用膜结构，其中上弦采用ETFE气枕，下弦采用PTFE网格膜，膜的使用寿命为25年。由于膜材的安装精度要求与钢结构允许偏差不一致，下料前需要对钢结构桁架的安装尺寸进行复测，并按实际情况对膜单元及其二次结构加工尺寸进行调整。 3.1 ETFE膜结构施工 上弦采用ETFE透明膜制成气枕，一方面起防雨作用，同时又保证天幕街区采光不受影响。ETFE标准单元长8.4m，宽4.2m，共计292个。气枕采用双层膜片热熔焊接而成。 1)膜片裁剪根据边界条件、膜材徐变和预张力的要求确定膜结构的初始形态，预张力值保证在长期荷载组合作用下所有膜构件均处于受拉状态，并满足建筑造型和使用功能的要求。膜结构裁剪分析建立在 工作开始前，根据以前项目焊接经验和本工程的特点通过焊接试验进行工艺评定。焊接完毕清理熔渣及金属飞溅物，检查焊缝外观质量，如不符合要求，应及时打磨、修补焊缝。减小焊接变形措施:?装配前，矫正零件变形，保证装配公差符合工艺要求;?采用氩弧焊打底，跟进二氧化碳气体保护焊后续焊层，这样焊接变形应较小;?对称焊接，使焊接收缩尽量平衡，上弦与下弦同时施焊，使变形抵消。焊接完毕对弦杆弧度进行检验，看是否有超差出现。配备必要的装配胎架、工装夹具、隔板、撑杆，以便出现偏差时进行纠偏。 3膜结构施工 天幕采用无组织排水，两侧悬挑部位包裹铝板，中部采用膜结构，其中上弦采用ETFE气枕，下弦采用PTFE网格膜，膜的使用寿命为25年。由于膜材的安装精度要求与钢结构允许偏差不一致，下料前需要对钢结构桁架的安装尺寸进行复测，并按实际情况对膜单元及其二次结构加工尺寸进行调整。 3.1 ETFE膜结构施工 上弦采用ETFE透明膜制成气枕，一方面起防雨作用，同时又保证天幕街区采光不受影响。ETFE标准单元长8.4m，宽4.2m，共计292个。气枕采用双层膜片热熔焊接而成。 1)膜片裁剪根据边界条件、膜材徐变和预张力的要求确定膜结构的初始形态，预张力值保证在长期荷载组合作用下所有膜构件均处于受拉状态，并满足建筑造型和使用功能的要求。膜结构裁剪分析建立在初步平衡曲面的基础上，在空间曲面上确定膜片间的裁剪线，裁剪线采用测地线(空间曲面内任意两点最短曲线)，以获得与空间膜片最接近的平面展开膜面。 2)焊接采用专用设备进行焊接熔合。焊接加工前，根据膜材特点、对接方式、对接宽度等进行试验，确定相关参数，以保证焊接部位的膜材拉伸强度不低于 母材强度。 3)气枕安装气枕设计有边框，充气后可以实现自平衡。气枕边框通过连接件安装于天幕上弦，相邻气枕连续安装，并且边安装边充气，防止中途有积水。ETFE气枕在LED主要设备安装结束后进行安装，这样一方面减少相关施工对气枕的破坏，一方面使下弦设备的安装空间得到保证。 3.2 PTFE膜结构施工 PTFE网格膜水平投影面积约8 670m2，展开面积约10 000m2。PTFE膜结构主要有装饰、作为LED屏的承力载体两种作用，LED灯条安装后受力?3kN/m。膜单元的间距约为4.2m，采用可张拉调节式节点，单元之间的间距为30cm左右。沿纵向布置150个膜单元，为保证PTFE膜安装位置准确，专门设计联系桁架用以辅助定位。膜的挠度?12cm，以满足LED施工的技术要求。 考虑膜材长时间受力后会由于徐变逐渐松弛，在给膜材施加完预张力后2年内需进行二次张拉。考虑膜材二次张拉的要求，将膜边界设计为可调边界，可通过调节张拉螺栓给膜逐步施加预张力，并可在维护保养时期消除膜的松弛。节点如图4所示。 图4 PTFE单元节点示意 Fig.4 PTFE element node 1)膜单元预张拉由于每个膜单元各边都有设计补偿值和热合收缩量，膜单元在地面展开且检查合格后，用专用工具将膜单元周边尺寸预拉到设计长度。 2)膜单元附件组装将膜夹板、张拉螺杆按设计图纸要求与膜单元连接部位组装。 3)膜单元提升吊点挂设在膜单元与上吊点相同的位置将吊点工装固定在膜单元四周夹板上，并与提升吊绳相连。沿膜单元索网四周每3m左右设一个提升吊点，吊点绳扣采用尼龙带， 通过滑轮进行膜吊装。 4)膜张拉PTFE膜通过连接件与桁架相连，吊装就位后，初步固定，然后进行张拉。每个膜单元施加张力时，应先边角、后中部、先短边、后长边对称张拉。膜 5)PTFE盖口膜安装为满足总体建筑效果和膜的装饰效果要求，在二区和一区、四区的异形部位必须设置盖口膜。由于盖口位置在膜下方，焊接十分困难，采用盖口黏接方式安装，基本满足PTFE膜材在上述部位的装饰要求。 4 LED施工 1)灯条结构 显示屏LED安装在PTFE网格膜上，PTFE的结构特点决定该显示屏在设计时必须考虑重量、可安装性、可靠度、可维修性及防水防尘等因素。经过反复试验，灯条采用轻质铝合金外壳配合PC罩结构，在保证灯条材质稳定性及耐候性的前提下减轻灯条的重量。灯条采用两层防护，达到IP65防护等级要求，轻质铝合金外壳做第1层防护，防止大量的水及灰尘进入外壳;通过PC罩配合密封胶将PCBA密封住，达到第2层防护的目的。为有效解决变形及热胀冷缩问题，设计1.05m灯条1节，4节灯条串联成4.2m长的灯条，整根4.2m灯 条只有一根进线，线材直接通过桥架接控制盒，有效解决防水及使用连接器接触不良和外观问题。 2)灯条分布式结构排列 根据PTFE膜网格及钢架结构单元长度，标准灯条定为4.2m长(120PIX);异形灯条定在3.57,4.165m(102,119PIX)。采用树状结构的分配，当单根灯条有IC意外损坏时，不会影响到其余灯条。同时该分布式结构也使得方便安装比较长的灯条。 3)灯条不规则排列解决方案 由于LED屏幕为弧形结构，转变部位因曲率不同会有不同的分辨率要求，为了保证显示效果，采用等距离不等点的规则来完成不规则画面的排布。等距离是指屏幕上任意2颗LED间的距离相等;不等点是指由于屏幕异形，采用不同LED点数来使得画面能完美展现在屏幕上。此外要让视频信号的形状与屏幕相吻合，画面正确显示在屏幕上，需对视频信号进行处理。 4)灯条安装 灯条设计为主体与上盖两部分，通过卡槽扣配后直接旋转一定角度即可完成组装。灯条通过3mm拉钉固定在PTFE网格膜上，安装中不能破坏膜结构，为防止拉钉滑脱，在网格膜与拉钉之间放置穿孔铝片，不仅使网格膜受力均匀，而且能有效地避免破坏膜结构，使灯条与膜结构结合牢固可靠。灯条安装如图6所示。灯条安装时地面分段搭设满堂脚手架，膜上面铺设脚手板，通过上下协作完成灯条安装。 5)灯条调节 灯条通过自身及调整夹具可完成上下左右无级调节。灯条纵向LED颗粒按设计间距嵌 固在铝框上，灯条自身可在网格内做左右微调。调整夹具固定在钢构加劲板上，通过螺丝调 整夹具高度，达到上下调整灯条的目的。 5结语 1)主钢结构设计时，PTFE和ETFE膜以及LED安装方案尚未最终确定，二次构件和附加荷 载通过估算确定，给钢结构设计和施工带来一定困难。后期通过控制LED灯条重量，优化 安装方案，根据LED屏幕的安装要求对PTFE网格膜安装进行深化设计，将相关二次结构 荷载提交给钢结构设计单位进行复核，确保钢结构安全。 2)工程控制重点为PTFE网格膜和LED屏的成像效果，LED安装后网格膜的下挠及松弛对 屏幕的整体效果影响较大，因此PTFE膜的固定采用可调夹具形式，满足了后期的二次张拉 要求。 参考文献: ,1,中国钢结构协会.建筑钢结构施工,M,.北京:中国出版社，2005. China Steel Construction Society.Construction handbook forbuilding steel structure ,M,.Beijing:China Planning Press，2005.(in Chinese) ,2,冶金工业部建筑研究总院.GB50205-2001钢结构工程施工质量验收规范,S,.北京:中 国计划出版社，2002.Building Research Institute of Ministry of Metallurgical Industry.GB50205-2001 Code for acceptance of construction quality ofsteel structures ,S,.Beijing:China Planning Press，2002.(in Chinese) ,3,李章珍，卜娜蕊，毕全超.秦皇岛市奥林匹克体育中心索膜结构的施工工艺,J,.建筑 技术，2009，40(8).Li Zhangzhen，Bu Narui，Bi Quanchao.Engineering practice ofmembrane structure at construction of Qinhuangdao OlympicsCenter’s new facility,J,.Architecture Technology，2009，40(8).(in Chinese)