郑州新郑国际机场陆侧交通换乘中心屋面造型为一架巨型航天飞机, 屋面主结构为网架结构, 如图1所示, 由变形缝分割为3部分, 造型特异、面积巨大 (达3.68万m²) , 局部呈双曲线形式。其吊顶附着于网架底部, 工程量大、高度变化大 (6.4~17m) , 地面穿插施工工序较多, 不利于搭设满堂脚手架。并且, 由于造型需要, 整体空间尺寸变化大, 因此对吊顶的平整度、曲面部位顺滑度、板块的缝隙线在空间的视觉效果提出了极高要求。在施工过程中不仅需要考虑空间尺寸、大跨网架施加荷载后的挠度影响, 还要考虑材料下料误差、安装误差等诸多因素, 是一项复杂的系统分项工程。

主屋面天花吊顶系统由三角单元面板 (3mm厚穿孔铝板) 、三角单元龙骨 (40mm×60mm×2.5mm) 组成单个单元模块, 通过三维万向调节件进行高度及角度调节固定, 三维万向调节件与下弦网球中心点焊接排布, 构成完整空间。整个吊顶与钢结构网架和屋面形成空间的对应关系, 通过三维万向调节转接关节, 形成一个连续的大空间三维曲面立体结构, 如图2所示。

主屋面大吊顶天花由铝板组装拼接而成, 局部双曲面形式, 整个吊顶采用抱箍固定在钢结构网架下方, 安装施工难度大, 主要体现在以下几个方面。

1) 钢结构网架不仅弧度变化大、跨度大, 且钢结构下料、安装、施加荷载后的变形等因素累计影响, 导致屋面主结构网架与计算机三维放样偏差较大, 屋面主结构网架的偏差将一定程度上影响精装吊顶工作。

2) 由于该屋面为空间曲面, 导致屋面吊顶天花的三维建模任务相当复杂, 每个板块下料单均需按部位独立深化设计, 分区域单独编号, 以免混淆。

3) 对现场安装施工点位要求非常高, 每一块板材必须安装在指定点位上, 否则型材会互相影响, 甚至可能导致安装无法继续进行, 造成费料费工。

4) 由于吊顶工程面积巨大, 且净空6.4~17m, 地面穿插施工工序较多, 不利于搭设满堂脚手架, 影响施工速度。

针对工程存在的难点, 制定了基于空间定位技术的三维立体反吊顶施工方法, 从材料精选、结构调差分析、一系列工序优化三大方面入手, 逐步消除误差, 实现完美的空间曲面吊顶效果。

由于本工程吊顶造型独特, 曲面成型复杂, 旋转角度多样。为确保造型光滑完美, 在基层龙骨系统实现吊装操作后, 需用面板副龙骨按照曲面要求, 建立曲面弧形胎模基层, 用3mm厚穿孔铝板对整体曲面模型进行单元模块分割。最后根据空间曲面的曲率半径订制各种尺寸方形板, 安装在胎模基层龙骨上, 组成单块模型单元, 实现整体曲面造型。因此, 三维可调节抱箍系统、铝包钢龙骨、铝合金封边板、方形铝合金面板间是否构造合理、安全牢固、选材合理, 是确保本次大空间双曲面造型是否完美的主要指标, 也是本工程首要解决的问题, 如图3所示。

本工程屋顶结构是多根杆件按照棋盘的网格形式通过节点连接而成的双向正交斜放网架空间结构, 不允许对原主钢结构进行切割、钻孔。本系统结构设计采用三维可调节抱箍系统:115mm×115mm×6mm托板与主体焊接 (h_f≥5) 、一字外伸臂爪件、组合外伸臂、半球头螺栓、U形抱箍、半球头螺栓、球头万向节吊件、龙骨专用抱箍等。一字形爪件、球头万向节吊件、龙骨专用抱箍采用ZG275-485HQ235B铸钢整体精密铸造后机加工, 其他构件采用Q235B, 所有紧固件采用力学性能不低于SUS的铝材质。除铝材质, 所有构件均进行热镀锌处理, 需在焊接处清理焊渣, 刷2道铁红防锈漆、1道银粉漆, 如图4所示。

1) 结构设计考虑要容纳建筑结构导致的所有运动, 无论这些运动怎样综合在一起, 爪件系统能保持不变形、不破损或降低性能。

2) 固定装置和支撑结构应能容纳抵抗施加运动所要求的所有公差, 同时保持完整性。

3) 系统所用的材质性能应能容纳由于建筑物内温度变化导致的部件尺寸和形状变化, 不会降低性能。

1) 根据设计排版图与现场主体结构结合, 以相邻的4个下弦球点作为1个吊装单元, 每组龙骨独立吊装, 因此, 必须考虑对结构球的尺寸偏差进行反向补偿, 而且还需安装、调整方便。为此在每组龙骨的4个角上通过调节抱箍任意调节高度和水平位置。通过调节抱箍的左右前后滑动、螺杆的上下调整, 可以补偿结构球出现的尺寸偏差, 在各项要求调整完毕后, 通过螺栓、螺母的紧固限位, 让设计尺寸与现场实际尺寸完美结合。

2) 每组龙骨采用钢铝组合龙骨, 并在工厂定型加工, 确保每组单元龙骨的尺寸精度和焊接质量, 同时也缩短安装时间。

3) 面板采用专用吊件 (见图4b) 与铝板钢架龙骨连接, 面板与专用吊件通过M6×30不锈钢螺栓连接, 确保面板在共振及正负风压作用下不出现位移、滑落现象。

4) 专用吊件开长孔, 面板安装时可以微调从而校正单元龙骨安装时造成的误差, 吊顶铝板尺寸比较大, 在铝板背面植3支U形加强筋确保面板安装平滑、顺直。

1) 测量准备根据每个安装区域大小, 确定一定数量控制基准线, 用全站仪测量控制基准线上网架球的三维坐标, 然后和设计坐标相比较, 记录两者高程差, 在制作吊顶吊杆时对误差部分进行反向补偿。

2) 安装一字爪件, 实现基层吊装固定根据钢架结构焊接115mm×115mm×8mm托板, 连接十字爪件。

3) 由于大厅为钢结构球节点, 面板具有曲面变化和角度变化的特点, 无法满足吊顶龙骨的吊装要求, 故在三维调节件的安装位置, 把主龙骨安装在一字爪件上, 且螺栓安装调节至理论位置后紧固。

4) 安装钢铝组合副龙骨单元副龙骨单元根据三维模型提取尺寸, 在地面工装组焊、装配、校核完毕, 通过半球头螺栓、U形抱箍、球头万向节吊件、龙骨专用抱箍组合吊装, 实现副龙骨单元的严格准确定位, 如图5所示。

5) 吊顶安装的具体步骤如图6所示, 首先在桁架底部主龙骨下部安装副龙骨, 并在副龙骨位置初步确定抱箍位置;然后在地面组装吊顶单元, 并分单元用滑轮组吊至安装位置;最后, 连接抱箍至副龙骨, 进行精细调差, 与其他单元对接。

6) 依靠幕墙四周弧形曲面变化, 拟合曲面基层依据副龙骨三维控制坐标, 在上人操作平台上安装弧形副龙骨, 并在地面平台利用全站仪全程监控副龙骨安装的三维坐标控制点。借助副龙骨吊件作测量标点记号, 调节副龙骨x, y, z轴位置;严格定位弧形副龙骨, 并调整至理论位置, 使之形成顺滑的曲面基层。

7) 安装面板, 完成曲面造型 (1) 副龙骨单元安装完毕后, 以每单元中线作为安装基准线, 安装面板挂件; (2) 把穿孔弧形面板挂件在面板上调节固定, 并调整相应板缝间隙至面板圆弧顺滑; (3) 安装铝合金穿孔板:确定天花安装轴线, 并从轴线开始依照相应的次序安装。不同单元需要调整板面缝隙, 做到平滑, 顺直。

8) 校正、调平单元模块吊顶根据设计图纸与地面控制线采用全站仪在已安装的龙骨上测点, 然后通线校正单元模块吊顶, 紧固螺栓。

基于三维精准定位及反吊施工法的大吊顶施工技术, 在保证快速施工及提高工程质量的前提下, 通过精选材料、结构调差分析处理、施工工艺优化等方法, 逐渐消除各种因素积累起来的误差, 最后形成完美的空间曲面吊顶效果。该系统方法在一定程度上提高了施工速度、缩短了工期, 很好地满足了施工对吊顶安装的质量要求。