基于曲线美的双曲面屋顶施工技术研究

郑庆超 周恩文 奚智聪

1 双曲面屋顶施工概述

1.1 工艺原理

本文介绍的基于曲线美的双曲面屋顶施工技术，是通过放线并借助建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术将弧形三维立体结构转化为弧形面，进而转换为圆弧线，将其作为确定三维异形空间的基础。放线环节要关注交错的梁体，并设定梁底弧度，提高板弧度的精准度。此方法将弧形三维立体结构转变为平面结构，可从点出发确定线与面的具体位置，形成美观的三维异形曲面。同时，要重点关注南北向梁体的数量和位置，从挠度和刚度等方面衡量实际使用中是否会存在隐患，并根据BIM 技术提供的空间图，确定最终的刚度和挠度[1]。另外，采取弧度自两侧向中间递增的设计形式，以中间梁为基准线形成对称结构，如此可减少一半的工作量，仅需对半边梁开展放线作业即可实现精准定位。

1.2 技术难点

双曲面屋顶保持稳定性主要依靠管桁架，通过其提供的支承作用提升对上部屋面的承载能力。由于双曲面屋顶外形独特，在浇筑过程中需要满足不同的顶标高，因此在浇筑技术的选择上也有难度。对于实际项目，不同柱顶标高间的差值可达9 m，增加了管桁架的吊装难度，而且吊装对周围施工环境要求较高，要想保证施工中兼顾其他工序，就要研究施工区域交叉作业的细则，从而提升整体作业的流畅性。此外，双曲面屋顶弧度的变化具有定位难和变化范围广的缺点，在定位构件位置的过程中无法经过简单计算保证精准度，而且还需要衡量构件位置是否符合提升结构稳定性的要求，无形间增加了工作量[2]。

2 基于曲线美的双曲面屋顶施工技术应用

2.1 原材料加工

原材料加工要依照管材的特点确定具体流程。曲线型要在煨弯的基础上运用直线型管材的制作工艺。具体来讲，原材料加工中需要应用煨弯和相贯线切割贯口两项工艺。

（1）煨弯。此工艺的使用要根据管径大小而定。当管径直径不小于400 mm时要应用机械冷弯的方法，即在管材两端设置弧形支点并在支点间施加压力，通过加大压力将管材煨弯；当直径小于400 mm 时要运用加热的办法，即加热管材中间部位使其受热变弯[3]。

（2）相贯线切割贯口。此工艺的应用要借助相贯线切割机，确保切割过程的精确度。在双曲面屋顶结构中，管桁架是决定结构稳定性和美观性的关键，因此要在精准焊接管材节点的基础上及时检测管材焊接的焊口性质，从外形和相对弧度两个方面衡量管材切割的效果。实际施工中，要使用Tekla 软件继续深化设计图纸中的管材，将线条细化为型材，修正其中难以与实际要求相符的部分。然后使用计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）软件或者相贯线切割软件，按照已经深化的图纸精确切割管材。一般切割管材的操作在施工场地外完成，并以轴为单位切割打包，便于运输至施工现场后直接存放管理。

除了要制作管材外，还需要制作钢构架。依据南北梁的标高和弧度设计整体的钢构架体系，并确定体系中所需的构件数量，完成半根梁的加工作业后即可直接确定整根梁的高度。钢构架由钢筋骨架组成，制作中首先要计算其直径，以3 根为1 组制作成等腰三角形的结构形式；其次安装好固定装置，并将钢筋条置于相应位置，提升抗弯刚度；最后要开展钢筋的焊接作业。保护好钢构架结构，将其安全运输至施工位置。

2.2 焊接作业

2.2.1 胎架

基于曲线美的要求，在双曲面屋顶施工中使用胎架完成屋顶的焊接作业。制作立体受力模具，通过细化立面外形、跨度和结构标高等参数，使其更贴合管桁架结构，然后再将制作完成的模具与管桁架进行拼接，使二者在结构外形上更相似[4]。

以某双曲面屋顶施工工程为例，立杆和基座横杆结构使用的型钢采用参数：HN500 mm×200 mm×10 mm×15 mm。

此外，加固立杆的斜撑采用参数：HN200 mm×100 mm×5 mm×7 mm。为确保管桁架的施工质量，需要在胎架顶端搭建临时支点，焊点的确定要从双曲线屋面的相对高差出发，并以此作为临时支点的标高。也就是说，屋面胎架顶端临时支点的标高数值变化时，屋面线型也将随之变化。

2.2.2 管桁架

管桁架是双曲面屋顶结构的关键，实际施工中要做好施工流程的完善工作，确保在高效作业的基础上满足曲线美的现实要求。首先，要将已经完成焊接的材料运至施工场地并进行现场检查，必要时可进行现场二次焊接；其次，使用二氧化碳气体作为保护气体，并采取手工电弧焊的方式完成焊接任务。

图1 和图2 分别为当e ≤0.25 d 时和e=0 时的节点连接特点，均采取相贯连接的方式。施工中常见的节点类型是N型和K 型，焊接流程如下。

图1 当e ≤0.25 d 时节点连接示意图（来源：网络）

图2 当e=0 时节点连接示意图（来源：网络）

一是按照先上下弦杆，后腹杆，最后斜杆的顺序，焊接成多个独立的小单元，并以轴间节点为单位运用胎架调整控制的办法，将上下弦杆间的高度控制在相应范围内。二是完成初始焊接任务后焊接吊装块，从各组成单元管桁架的结构出发，运用胎架组合拼装的方法达到施工目的。另外，双曲面屋顶要在完成数字轴的吊装块组拼后再进入字母轴桁架的组拼作业中。数字轴组拼时要注意拼装的完整性，采用一次性作业的方式，沿着数字轴方向使用点焊固定的办法暂时焊接分块节点位置，并在需要吊装时先切开临时焊口，然后完成起吊吊装块的任务。实际焊接中，还要加入钢衬垫结构，提升焊缝底部的质量[5]。

2.2.3 其他节点

有些管桁架的节点施工较为繁琐，主要是由于节点具备多方向交汇的特点，需要将上下弦支撑、斜杆、腹杆和上下弦杆形成相贯结构，在具体施工中可能会多达11 个钢管支数，因此要更加关注焊接作业。

施工中要确定好相应的流程和顺序，一般先针对上下弦杆展开作业，然后进入腹杆的施工中。按照由大到小的顺序完成线杆支撑后再进入上下弦的支撑作业中，并按照先厚杆后薄杆的顺序，通过先里后外的流程实现焊接作业的对称要求。同时，检查焊缝是否均可焊接，防止出现隐蔽焊缝影响整体结构的情况，并检查焊接应力情况，确定是否需要释放，还要针对各个焊接节点进行编号，找出复杂节点[6]。另外，运用铸钢节点的方式一次性铸成中心球节点，其所用材料水玻璃砂模要外伸一定距离，从而避免因多次焊接中心球节点和支管而出现应力释放问题，缓解节点压力。

2.3 吊装管桁架

2.3.1 吊装方法

管桁架安装质量的控制要兼顾整体工期的要求，确保所开展的各项作业均不影响其他建筑的正常运行。由于在双曲面屋顶施工中无法统一各点标高的数值，需要借助整体分块施工的方法，采用在胎架和地面上控制线型的方式实现对曲面线型的管控。将大部分施工作业置于地面，避免出现多种不可控危害。运用整体分块吊装的方式提升安全系数，允许出现交叉施工的情况，使得施工具备整体性和流畅性特征，确保在进度、质量的约束下实现美观性目标。

2.3.2 施工流程

施工中要设定分块的具体单元，按照4 个承重柱为一单元的方式，划定管桁架下方的相邻区域为各个单元，并根据混凝土承重柱的具体数量分成多个区域完成吊装。精确计算卡环、钢丝绳和吊钩等吊具的重量，计算各单元吊装的总重量，以避免出现质量过大损坏吊具的问题[7]。

运用四点系扣的方法，使用起重机完成吊装。基于双曲面屋顶的外形特征，系扣点受标高影响无法保持在同一平面，因此要设计控制平衡的具体方法。

首先，要根据系扣点的实际位置设置强度较高的柔性吊带，一般以字母轴和数字轴的相交位置作为缠绕的作用点，同时要确保缠绕的吊带可承受结构的总体重量。底部硬性焊接球与柔性吊带实现紧密接触，降低了焊接球与钢丝绳在应力作用下结构破坏发生的概率，提升焊接球的完整度。

其次，将钢丝绳与手扳葫芦紧密连接并吊挂于履带吊钩上，与柔性吊带形成整体结构，通过调整柔性吊带的长短调平吊装块。最后，缓慢升起吊钩，收紧钢丝绳，根据吊点在高程上的差异调整手扳葫芦的长短，使得吊装块更加平衡，符合施工需要。

实际施工中要注意以下几点。第一，采取由中间向两边的施工形式，减少焊接变形和施工误差，并设置单独吊装块，将北侧悬挑部分作为独立吊装结构。施工前设计拱度预留的具体细节，一般将顶标高数值增加10 mm 作为悬挑作用点，充分满足双曲面结构切割贯口的参数特征。第二，设置预定位置作为落钩的作用点，结合双曲面特征，通过焊接方式完成抗震底座和吊装块的固定作业。另外，检查焊接效果，符合施工要求后可摘除吊钩。第三，落钩过程中要按照一定的顺序卸力，吊装块焊接作业完成后要维持相应的荷载，降低应力释放的影响。第四，临时支撑可不作为吊装中固定抗震支座和承重柱顶部的必要结构，只需确保焊接质量即可。

2.4 安装檩条

在遇到风雪天气时要设计传力构件，檩条是常见的传力构件，安装此构件时要确定使用的根数和间距。由于大型双曲面屋顶工程中需要安装大量檩条，容易出现影响管桁架结构的情况，因此要有防范措施。采用螺栓连接的方法将檩托板焊接在上弦杆顶端，借助螺栓孔连接檩条。完成底部管桁架的安装作业后，进行外形参数和屋面标高的复核作业，参照设计图纸上的具体数值，若发现存在较大差距的情况则应参考标准及时调整檩托板的标高直至满足要求。同时，要关注金属屋面连接件是否与屋面双曲面的参数特性相符，在不满足的情况下及时予以调整。

2.5 浇筑混凝土

施工中要根据结构特点充分考虑混凝土的坍落度，设计科学的配合比，经过多次试验并结合坡型工程的施工经验，确定浇筑双曲面屋顶的混凝土坍落度，一般将预拌混凝土的坍落度控制在90 ～110 mm 能够满足基本需要。

运用分层浇筑的工艺，先完成梁结构的浇筑作业。采取自下而上的形式将混凝土浇筑于梁结构上，如此可将曲面屋顶划分为多个可作用的板面，使得整体符合阶梯状的特点。基于曲面坡度变化较大的特征，倾斜结构在不同区域坡度存在差异，因此要在浇筑的混凝土上覆盖塑料薄膜以增加阻力，维持混凝土的基础形状。

此种方式更适用于屋面坡度较小的区域，对于坡度较大的区域无法提供较大的阻力。对于坡度较大的位置可设置钢丝网片（见图3），采用分隔方法阻挡以梁为分割线的各个小区域，以达到类似于分段施工的作业效果。另外，钢丝网片的网格大小根据混凝土原料的粒径平均值确定。选择完成后将其固定在钢筋上，通过绑扎的方式提升钢丝网片的阻挡能力，避免出现混凝土自上而下流动的情况。

图3 钢丝网片隔阻示意图（来源：网络）

2.6 变形监测

管桁架的吊装作业结束后，要针对整体结构实施相应的监测，防止出现结构变形的问题。监测的重点应放在支座和悬挑部位，实时关注是否发生中心线偏移或者沉降的情况。监测前要计算沉降变形量的极限值和中心偏移的极限值，并在获取计算数据后对比监测收集的数据，确定沉降变形量是否符合变形的具体要求以及悬挑部位是否满足中心线的偏移要求。在钢构架安装偏差的允许范围内，可适当调节上部檩托板的标高，从而满足规范要求。

3 结语

在房屋建筑工程建设中，屋顶作为其基础构件，能够抵抗风沙、雨雪、日晒等外界环境的侵袭，对于保障建筑的使用性能和安全性能极为重要。基于曲线美的双曲面屋顶施工技术已经逐渐成熟，在实际施工中要从技术应用的难点出发，重视放线、原材料加工、焊接和浇筑过程，以提高结构的稳定性及美观性。