武汉市天河机场交通中心工程 (见图1) 是华中地区规模最大、功能最齐全的大型交通综合体, 与现有天河机场T3航站楼相邻, 地上2层, 地下2层, 总建筑面积25.5万m², 建筑高度12.8m, 整个建筑呈扁平式, 地下设有城际铁路和地铁通过。屋面两侧为混凝土结构的种植屋面, 中部 (22) - (27) /-轴的屋面由钢结构、中空钢化夹胶玻璃、铝单板结合而成。钢屋架生根于混凝土柱顶或牛腿上的隔震支座, 沿短边有5跨, 长67.35m, 沿长边16跨, 长247.5m (见图2) 。

其中, 北侧轴到轴中庭商业区域为大型公共转换大厅, 东西长15.8m, 南北长53.7m, 钢结构有三向网格单层圆柱面网壳, 由轴沿东西方向总跨度逐步增大, 拱高逐步减小, 最高拱顶结构标高为16.300m, 其上部铺装檩条后安装三角形网壳玻璃 (见图3) 。1层楼板面结构标高-0.200m, 屋面钢梁底标高13.550~15.400m。该区域吊顶面积为1 289m², 吊顶高度较高且空间相对狭长。因此, 该吊顶必须有较高的透光性, 既美观大方又内外通透, 且耐久性好。另外, 因人流量大, 各构件的连接必须安全可靠。

钢结构网壳玻璃屋面下方属于中庭的公共转换大厅, 连通商业区, 人流密集。本身玻璃屋面的设计就是为了中庭区域能够自然采光, 以减少能源消耗, 所以该区域内的吊顶需要足够的镂空面积使自然光线通过, 并且镂空区域上空不能有传统的龙骨遮挡, 否则会影响吊顶的美观程度。因此, 如何对曲面吊顶饰面板构造和悬挂方法进行科学设计, 以及对中庭上空饰面板进行合理布置是本工程的控制难点。

天河机场交通中心工程屋面中部为双曲面超长钢结构, 中庭上空吊顶为了与钢结构造型、整体装饰效果相协调, 首先必须在钢结构上生根, 其次应以钢结构造型为基准在空间上呈流线形过渡。因此, 需重点研究饰面板与悬挂结构的连接方式, 保证饰面板位置能够在相当程度上灵活调节, 满足曲面效果的需要。

曲面吊顶由多块平面饰面板在空间上拼装而成, 施工过程中不可能对每块饰面板上的每个点进行定位控制, 饰面板的定位直接影响整个吊顶的装饰效果。因此, 如何采取有效措施对吊顶系统中各构件, 尤其是饰面板的空间位置控制是本工程的关键控制点。

吊顶工程量大, 包括各种构件的工厂化制作、现场加工和组装, 还包括机电管线的安装, 工序较多, 应充分考虑在高大空间的特殊性, 合理组织施工, 保证各工序的紧密衔接。

本工程中搭建脚手架操作平台的过程, 以及操作平台上方大量人员的施工, 安全控制, 需要高度重视。

针对中庭区域的特殊性, 综合考虑各方面功能性和安全性要求, 特别是要满足双曲面造型, 装饰面板采用正三角形镂空铝板 (见图4) , 其边缘与槽钢连接, 通过槽钢与悬挂装置连接, 连接材料采用轻钢材料。

镂空构造保证了良好的透光性, 但同时也意味着该吊顶的悬挂不能用传统的主、次龙骨, 而且吊顶悬挂对象是钢梁。另外, 天河机场交通中心工程下部有武汉地铁2号线和汉孝城铁通过, 考虑到结构振动舒适度和安全性, 在钢结构屋盖下混凝土柱顶已设置隔震橡胶支座, 为最大限度减小轨道列车与地震对吊顶装饰面功能和安全的影响, 吊顶的节点设计应采取有效减震措施。因此, 该吊顶的悬挂构造和方式必须另辟蹊径。

根据工程特点与现有吊顶施工技术, 采用一种组合式吊顶悬挂装置 (发明专利申请号为201710795656.0:一种高大曲面钢结构下的组合式吊顶悬挂装置及安装方法) (见图5) , 该装置省去了大量主、次龙骨, 其定位精确, 造型美观, 能够进行快速组装, 缩短工期, 在满足曲面吊顶整体饰面质量的同时, 能够大大提高施工效率。该装置上方托盘与钢结构主体连接, 下方通过各连接单元与饰面板连接 (见图6) 。所有构件均为铰接, 构件连接处均设置橡胶垫圈, 使悬挂装置具有一定的减振效果。

钢结构横向曲率达到0.046m^-1, 纵向曲率3.74×10^-6m^-1, 首先根据钢结构设计图纸中钢梁的布置形式、梁节点位置与空间范围利用Rhino软件进行空间建模 (见图7) , 然后依据装饰要求, 对吊顶的整体布置进行深化设计。经深化设计后, 三角形铝板需求量为420块, 整个吊顶中三角形铝板投影面积为772.08m², 吊顶透光率为40.10%。

吊顶总体施工思路为:建模排版→悬挂构件初步组装→操作平台的构建→吊点定位→悬挂主体安装→饰面板定位→饰面板安装。具体如图8所示。

组合式吊顶悬挂装置, 包括连接钢结构主体与主吊杆的托盘、连接托盘与吊盘的主吊杆 (见图9) 、连接主吊杆与多向外伸臂的吊盘、连接吊盘与连接单元的多向外伸臂 (见图10) 、连接多向外伸臂与装饰面板的连接单元 (见图11) 。上述构件均用轻质钢材料制成, 在加工车间开孔, 并涂刷优选的耐候防腐性能强的丙烯酸涂料。托盘直径100mm, 吊盘直径20mm, 多向外伸臂长250mm, 宽50mm, 一端缺口50mm, 主、次吊杆长度≤200mm。

在吊盘中心开丝孔, 大小同托盘;多向外伸臂为6向, 因此在吊盘沿径向开两圈万向孔、万向孔孔中心连线将吊盘6等分, 孔长为10倍螺杆直径;在多向外伸臂对应位置开2个螺杆孔, 并沿通长方向开5个调节孔, 孔长为10倍次吊杆直径。

1) 将吊盘通过螺栓与多向外伸臂连接, 万向孔内的螺母可不拧紧, 以便后续多向外伸臂位置的调整。

2) 将吊件通过螺母连接于次吊杆的下方, 再将马鞍形吊件通过螺栓安装在吊件的下方, U型卡槽与相应的螺母穿入次吊杆中, 使之在与多向外伸臂连接时可灵活固定。

3) 将连接单元通过U型卡槽和螺母与多向外伸臂连接, 使连接单元在多向外伸臂的下方, 调节孔内螺母可不拧紧, 以便后续次吊杆位置的调整。

4) 将吊盘通过螺母连接于主吊杆, 螺母可不拧紧, 便于后续吊盘标高的调整。

5) 悬挂主体与托盘的连接:悬挂构件完成组装, 形成悬挂主体后, 将主吊杆拧入托盘, 并用螺母固定牢固。依次完成对悬挂主体与托盘的连接, 如此可初步形成整个吊顶的悬挂系统。

根据深化设计图纸和已完成的钢结构主体, 通过现场控制点, 用全站仪对设计悬挂点位进行精确放线, 依次编号做好记录并用红漆做好标记, 为后续饰面板的安装提供依据。

曲面吊顶中任意一点标高不尽相同, 每块饰面板处于空间倾斜状态, 因此饰面板的定位精确与否直接关系到曲面吊顶的造型效果。每块饰面板的3个角点均连接于悬挂装置, 每个悬挂装置连接6块饰面板角点 (见图12) 。因此, 本工法采用的三角形专用饰面板的定位采用节点控制法, 主要是对以下两点的控制:每个吊点的平面位置、饰面板角点的标高。上文提到, 吊点平面位置可通过全站仪精确得到。

饰面板角点标高主要通过以下操作控制。

1) 将现场标高控制点引至操作平台上500mm处, 在吊顶区域四周的结构位置做好标记, 并弹线形成标高控制线。

2) 将吊点轴线引至标高控制线位置, 在两端拉通线, 如此可在标高控制面形成吊点轴线。

3) 根据设计图纸中的饰面板角点位置, 计算出标高控制线距饰面板角点的距离 (见图13) 。

4) 将饰面板通过螺杆与各连接单元连接时, 用钢卷尺量测饰面板与控制标高线的距离, 同时调节所有未拧紧螺母标高和调节孔、万向孔中吊杆位置, 使装饰面板位置和标高严格满足设计要求。

根据空间操作要求, 设计并搭设满堂脚手架 (见图14) , 立杆纵横距为0.9m, 横杆步距1.8m, 沿两端转角处起四周连续设置剪刀撑, 且由上而下连续设置。内杆每隔2排立杆沿纵向设1道剪刀撑, 1道剪刀撑为4跨。将架体与已有结构主体有效连接固定, 保证架体整体稳定性。

顶面满铺脚手板作为工人行走和作业的操作平台, 使操作平台面距钢结构底面保持1~2m高操作空间。平台四周设置高1.2m防护栏杆, 沿操作平台四周设高度≥200mm横杆, 将踢脚板用铁丝与横杆、立杆绑扎牢固, 并满布铁丝网和密目安全网。

在脚手架搭设区域两端设置临时楼梯, 楼梯与2层楼面连接, 便于垂直方向材料的运输和工人上下操作平台。

1) 由于天河机场交通中心采用的是全新的悬挂方式和饰面板构造, 而且在空间上的三维形状是独一无二的, 因此对吊顶的质量指标控制均由软件三维模拟和现场实测试验总结而来, 若实际操作中超过允许误差值, 便会出现吊顶平面上明显起坎、饰面板线条不平滑甚至其他饰面板无法安装等问题, 严重影响吊顶的美学功能。具体如表1所示。

2) 吊点和饰面板角点均应预先编号, 吊点严格按已建立模型中的位置定位, 现场拉线的控制轴网应做好有效保护, 饰面板角点标高必须控制在设计值的允许误差范围内。

采用可调节的组合式构件, 使得吊顶无论是在空间精准定位上还是在装饰面板的尺寸和形状上都有着很强的适用性, 从而保证了吊顶的曲面效果, 成型视觉效果好 (见图15) 。应用一个吊点连接多个装饰面板的施工方法, 最大限度地保留了钢结构的流线形造型, 使得施工位置相对集中, 提高了施工效率。通过设置可调节的多向连接臂, 无需大量主、次龙骨, 大大减少人工组装量, 既加快了施工进度, 又有效地节省了钢材用量, 经济效果十分显著。在构件连接节点处设置柔性橡胶垫圈, 在一定程度上减弱了下部轨道列车振动带来的不利影响。通过对饰面板的特殊镂空设计, 满足了建筑物自然采光要求。前期策划过程中, 利用Rhino软件进行可视化三维模拟是检验悬挂方法和吊顶排布效果不可或缺的环节。

在本案例施工过程中, 对吊顶悬挂方法和构造进行了深化设计, 提出了合理的施工顺序和控制要点, 通过Rhino软件科学策划, 达到了施工过程中的质量、安全目标, 有效保证了吊顶的工期和美观性要求, 为类似空间下有自然采光要求的曲面吊顶应用提供了参考。