網殼結構摺疊展開式整體提升施工工法

《網殼結構摺疊展開式整體提升施工工法》是浙江大學空間結構研究中心、浙江東南網架股份有限公司完成的建築類施工工法，完成人是羅堯治、董石麟、周觀根、胡寧、徐春祥，適用於單層柱面網殼、多層柱面網殼、單層折板網殼、多層折板網殼、球面網殼等易於形成直線形鉸線的空間格線結構。

《網殼結構摺疊展開式整體提升施工工法》主要的工法特點是先將靜定結構變成機動結構，整體提升到位後，再將機動結構變成靜定結構；採用液壓提升設備；質量容易控制。

2008年01月31日，《網殼結構摺疊展開式整體提升施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2005-2006年度國家一級工法。

基本介紹

• 中文名：網殼結構摺疊展開式整體提升施工工法
• 工法編號： YJGF017-2006
• 完成單位：浙江大學空間結構研究中心、浙江東南網架股份有限公司
• 主要完成人：羅堯治、董石麟、周觀根、胡寧、徐春祥
• 套用實例：河南南陽鴨河口電廠乾煤棚
• 主要榮譽：國家一級工法（2005-2006年度）

形成原因

網殼結構是曲面形空間格線結構，是21世紀以來發展最快、套用最廣的一種空間結構。這是由於它有如下的優點：

1.具有優美的建築造型，無論是建築平面、外形和形體都能給設計師以充分的創作自由。

2.受力合理，可以跨越較大的跨度，節約鋼材。

3.可以用較小的構件組成很大的空間，這些構件可以在工廠預製實現工業化生產，安裝簡便快捷，綜合經濟指標較好。

隨著輕型屋面材料的套用，網殼結構的用鋼量明顯減小，網殼結構施工費用比重卻相對越來越大。因此，如何改進施工方法，降低整體造價，充分體現網殼結構的優越性，需要科研技術人員不斷探索，研究開發新型的施工技術。

《網殼結構摺疊展開式整體提升施工工法》提出的網殼結構"摺疊展開式"整體提升施工技術，能夠很好地解決曲率較大、矢高較大的網殼施工問題。

工法特點

《網殼結構摺疊展開式整體提升施工工法》的工法特點是：

1.概念新穎。先將靜定結構變成機動結構，整體提升到位後，再將機動結構變成靜定結構，這種施工方法與傳統施工方法具有本質上的區別，概念十分新穎。

2.技術先進。"摺疊展開式"整體提升施工技術採用的主要工具是液壓提升設備。液壓提升設備採用鋼絞線承重，提升器集群，計算機控制，液壓同步整體提升新原理，集機、電、液、感測器、計算機和控制論等多學科高技術於一體，能夠完成人力和2005年前已有設備難以完成的施工任務。

3.質量容易控制。在近地面處組裝網殼，胎架剛度、強度及穩定性較好，容易控制桿件的空間位置；同時，也便於質量監管部門對質量進行監督檢查。

4.安全能夠保證。在近地面處組裝網殼，操作高度降低很多，高空作業的安全風險也得到了降低。

5.節約成本。在近地面處組裝網殼，操作架的搭設量很少，較大幅度地節約了成本。

6.縮短施工工期。在近地面處組裝網殼，包括桿件、節點、檁條和屋面板，甚至可以是馬道和燈具、音箱等設備；胎架搭設、構件吊運等所需的時間減少，從而能夠縮短施工工期。

7.施工現場文明、環保。由於"摺疊展開式"整體提升施工技術採用的主要工具是液壓提升設備，現場施工噪聲很小。

操作原理

適用範圍

《網殼結構摺疊展開式整體提升施工工法》適用於單層柱面網殼、多層柱面網殼、單層折板網殼、多層折板網殼、球面網殼等易於形成直線形鉸線的空間格線結構。

工藝原理

《網殼結構摺疊展開式整體提升施工工法》的工藝原理敘述如下：

先將網殼去掉部分桿件，使一個靜定結構變成一個可以運動的機構，這樣就可以將網殼結構在地面摺疊起來，最大限度地降低安裝高度；然後將摺疊的網殼提升到設計高度；最後補裝抽掉的桿件，機構又變成靜定的結構。因此，整個施工過程是一個由結構→機構→結構的變化過程。見圖1所示。

圖1 “摺疊展開式”整體提升過程示意圖

施工工藝

工藝流程

《網殼結構摺疊展開式整體提升施工工法》的工藝流程見圖2所示。

圖2 工藝流程圖

操作要點

使用《網殼結構摺疊展開式整體提升施工工法》需要注意的施工要點有：

一、在結構適當位置設定多道鉸線，將結構分成多個區域，各個區域之間的部分構件暫時不安裝，區域之間用單向活動鉸相連，支座也使用單向活動鉸支座。鉸線方向為沿柱面的母線方向，鉸線將柱面網殼跨度方向分成若干塊，鉸線上布置若干可轉動鉸接點，可轉動節點將相鄰網殼聯繫在一起，每塊網殼在提升過程中作剛體運動。鉸線的數量通常可以選擇6條，這樣網殼分成了5塊，鉸線的位置確定宜以分解後每塊網殼儘可能貼近地面為原則。鉸線上鉸接點數可以根據網殼結構縱向長度確定，長度長則需要多設定鉸接點，在保證鉸接處構件強度的基礎上，儘量減少鉸接點的數目，因為鉸節點數量少易於結構整體活動。通常一條鉸線上的鉸節點可以設定3~5個。見圖3所示。

圖3 餃線和餃節點布設原理圖

二、鉸線位置確定後，應對機構進行施工階段驗算，驗算內容包括：

1.勻速提升狀態機構受力分析；

2.衝擊荷載作用下機構動力回響分析；

3.提升過程中瞬變結構的受力分析及其預防措施；

4.機構運動一維自由度控制的構造措施；

5.活動鉸節點設計。

通過驗算，確保機構在施工過程中處於安全狀態。驗算時，計算模型按圖4所示圖形採用，即將整個連續的提升過程劃分為有限的幾個階段，分別計算各個階段結構的內力、變形及支座反力，從結構在有限的幾個階段中作用效應變化情況歸納出結構在整個提升過程中的作用效應變化，然後進行設計。

圖4 結構摺疊展開整體提升過程圖示

三、單曲率網殼結構變成一個機構時，具有豎向和跨度水平向兩個方向的自由度。但是在施工過程中要採取措施使機構只在豎直方向做一維運動，不可以前後左右移動。

四、網殼結構由多條鉸線分成多個區域，而每條鉸線又包含多個活動鉸。在單曲率網殼的安裝過程中應保證各條餃線互相平行，一條鉸線上的各個鉸節點在一條直線上，否則將阻礙機構的運動並產生較大的附加力。所以該施工方法對於安裝精度要求較高。

五、對於某些網殼結構，在提升過程中可能會出現瞬變現象。此時應添加臨時支撐或臨時拉索，保證結構不發生瞬變。

六、將網殼結構分成幾段後，每—部分都是一個拱形結構。若拱的跨度比較大，在拱的端部會產生較大的水平推力和水平位移。此時應在拱的兩端之間設定拉索或採取其他措施來保證不會產生較大的水平推力和位移。

七、由於提升結構具有大噸位、高空施工的特點，就使得承重系統不但要有足夠大的承載能力，而且要有足夠長的承重索具，一般採用抗拉強度大、單根製作長度長的柔性鋼絞線作為承重索具。而採用承載能力大、自重輕、結構緊湊的液壓提升器作為提升機具。承重系統可按一定的方式組合使用鋼絞線和提升器集群，使得承重系統的提升重量及高度不受限制。

八、在整體提升的過程中應使用計算機對所有液壓千斤頂進行控制，確保所有液壓千斤頂能夠同步動作，使網殼始終保持合適的姿態。同步提升控制採用液壓同步提升技術設備系統，它主要由柔性鋼鉸線承重系統、電液比例液壓控制系統、計算機控制系統及感測器檢測系統組成，如圖5所示。同步提升主要控制要素是吊點的提升力和測控點高度偏差。這種系統能夠實現液壓提升器集群的同步協調動作，包括集群聯動、局部聯動、單點單動等。按施工工藝規定的作業流程進行連續提升施工，並能自動改半自動地根據不同工況修正作業流程，將提升過程中測控點高度偏差限制在設計允許的範圍內。在吊點分布不均勻、吊點負載差異很大、液壓系統採用多規格不同組合配置時，進行吊點負載的均衡控制。

圖5 液壓同步提升系統工作原理圖

九、提升前，應先將網殼試提升100毫米，檢查吊點標高是否相同，鉸點是否轉動自如，網殼有否水平移動，當有異常現象時應查明原因並整改。在整個提升過程中應嚴格監控機構變化，及時調整不同千斤頂的進度，確保整個機構按設計要求運動，確保提升過程的安全性。

十、該方法的核心思想是機構運動，而機構運動的關鍵就是可動鉸的構造。可動鉸由一個銷軸連線兩塊鋼板而成。兩邊的弦桿和腹桿焊接在一塊鋼板上，這塊鋼板再與節點板交叉焊接連線。應保證可動鉸節點可以在豎向方向自由轉動。製作時應考慮安裝誤差等不利因素，插板連線以及銷軸與節點板之間應留有一定的間隙，在間隙處加塗潤滑油，要確保節點的自由轉動。同時，為了防止在不利情況下的突然大幅度翻轉轉動，應在節點板的適當位置加設限位裝置，以便限制節點的轉動範圍。見圖6、圖7所示。

圖6 活動鉸節點實物圖

圖7 活動鉸節點示意

十一、還應對提升塔進行設計，確保提升塔具有足夠的強度、剛度及穩定性。同時液壓提升系統的塔柱位置，也應嚴格模擬計算確定，確保在整個吊裝過程中機構不與塔柱發生碰撞。

十二、使用液壓提升設備將網殼提升到設計高度，然後進行少量構件的補缺工作。應確定合理的桿件補缺方案，儘量使需補缺的桿件數量最少。補缺時應先補缺各區域之間的桿件，然後使液壓裝置卸載並拆除塔柱，最後安裝塔柱位置的補缺桿件。

整體提升過程中機構運動分析

《網殼結構摺疊展開式整體提升施工工法》在整體提升過程中機構運動分析有：

一、機構運動簡化模型的建立

六道鉸線將網殼分割成五個部分，每個部分相對於相鄰的兩道鉸線可認為是固定不動的，即將網殼機構五個部分的運動視為剛體運動，因此，浙江大學空間結構研究中心、浙江東南網架股份有限公司將網殼的運動模型簡化成五連桿的運動模型，見圖8所示。只要掌握了五連桿機構的運動規律，也就了解整個網殼提升過程中的運動特性。

圖8 五連桿機構示意圖

二、五連桿機構運動分析

五連桿機構由五根桿和六個平面活動鉸組成，其中兩個鉸點固定，在提升運動過程中，C、D兩點沿Y方向作直線運動，A、F兩點固定不動，B、E兩點分別以A、F兩點做圓周運動。考慮五連桿機構的對稱性，將其簡化為圖9所示。所要求的就是當C點上升D點時B點的坐標。

圖9 五連桿機構簡化示意圖

根據AB段和BC段長度不變條件建立二元二次方程組有：

，

求解方程組，捨去不合理的根，得：

，

其中：，。

以河南鴨河口電廠乾煤棚柱面網殼為例，計算不同提升高度時的鉸點坐標。將該柱面網殼簡化為五連桿模型時，L₁=20.705米、L₂=13.555米。鉸點坐標如表1所示。

表1 鉸點坐標值

吊點標高（米）	XB（米）	YB（米）	Xc（米）	Yc（米）
2.0767	0.9795	13.5198	18.2355	2.0767
5	-0.6264	13.5408	18.2355	5
10	-2.1927	13.3767	18.2355	10
15	-2.4033	13.3405	18.2355	15
20	-1.4169	13.4810	18.2355	20
25	1.0054	13.5179	18.2355	25
28	4.0203	12.9453	18.2355	28
28.9899	6.8330	11.7071	18.2355	28.9899

三、確定網殼上任意一點在運動中的坐標

設網殼中任意一點的起始坐標是（x₀，y₀，z₀），z軸是母線方向。在單曲率網殼中，當機動運動時，網殼內沿母線方向沒有運動，只是在與母線垂直的平面內運動。下面分別分析網殼中段和邊上四段的運動。

由於網殼的中段只在豎直方向做平動，所以當提升距離為d時，中段任意一點的新坐標為（x₀，y₀+d，z₀）。

對於邊上四段上的任意點則根據坐標變換求得新坐標。以BC段上任意一點P為例。以BC為x軸建立局部坐標系（圖10），則局部坐標系與整體坐標系的轉換矩陣為：

，

式中l₁，l₂，m₁，m₂——局部坐標系與整體坐標系的方向餘弦，設P點在起始時刻整體坐標系下的坐標為（x₀，y₀，z₀），則P點在局部坐標系下的坐標為

，

在網殼運動了一段距離後，P點相對於B、C兩點並沒有相對位移，即P點的局部坐標值不變，而坐標轉換矩陣T發生變化，設此時的坐標轉換矩陣為T₁，P點在整體坐標系下的新坐標為（x₁，y₁，z₁），則。

圖10 活動鉸節點示意圖

參考資料：

四、雙曲率網殼的坐標轉換

柱面網殼是單曲率網殼，研究其運動的五連桿模型是建立在垂直於母線的坐標平面內的，網殼上點的z方向坐標在運動中不變，而對於雙曲面網殼如球面網殼，五連桿模型所在平面並不一定總與總體坐標系保持一致，所以需要進行坐標變換。

設整體坐標係為XYZ，局部坐標係為zyz，坐標變換矩陣為，

式中l₁，l₂，l₃，m₁，m₂，m₃，n₁，n₂，n₃為局部坐標系與整體坐標系的方向餘弦，運動分析時先從整體坐標系變換到局部坐標系，即，

在局部坐標系下進行運動分析得到新坐標，再轉換回整體坐標系，

除了坐標轉化外，雙曲率網殼與單曲率網殼的運動分析相同。

五、運動過程中的瞬變現象

研究五連桿機構發現，隨著提升高度的變化，兩桿夾角α隨之改變。當達到一定提升高度時，α=180°，方程組式的解為重根，體現在幾何上就是兩個圓只有一個交點。此時會發生瞬變現象，見圖11所示，整個機構的受力、變形將會發生很大的變化。事實上角接近180°時就會發生瞬變。因此，應該採取合理措施防止瞬變的發生。首先，在設計階段就應綜合考慮施工問題，合理調整網殼曲率，避免出現在整體提升時發生瞬變問題。對於已有的設計，在施工方案中應合理選擇鉸點位置，避免出現瞬變。如果由於結構體型先天不足無法避免瞬變的發生時，應該採取足夠安全的措施保證結構安全。

圖11 五連桿瞬變示意圖

材料設備

《網殼結構摺疊展開式整體提升施工工法》所需的主要設備及工器具詳見表2所示。

質量控制

《網殼結構摺疊展開式整體提升施工工法》需遵循《鋼結構工程施工質量驗收規範》GB 50205—2001及《空間格線結構技術規程》的要求，重點指出網殼安裝過程和完成後應保證如下要求：

一、在網殼安裝過程中

1.在網殼整體提升過程中網殼的間隙的偏差不超過設計位置的1～2厘米；

2.東西和南北兩個方向垂直度偏差分別為不大於±10毫米和不大於±20毫米。

二、網殼安裝完成後，構件及網殼的安裝精度應滿足表3。

安全措施

採用《網殼結構摺疊展開式整體提升施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

一、勞動組織

（一）勞動組織分工

1.網殼安裝組：總體負責網殼拼裝，包括在提升前把網殼拼裝成型，再提升完成後完成整體網殼的合攏高空拼裝；

2.液壓提升組：負責將拼裝成形後的網殼提升到位；

3.測量小組：負責在網殼提升和安裝完成後的測量工作；

4.配合小組：進行塔柱的搭設和拆除工作，並配合現場其他小組施工；

5.安全小組：現場巡邏，及時發現安全隱患並提出處理對策。

（二）勞動組織組成

勞動組織組成見表4。

二、安全措施

（一）要求施工過程中嚴格執行國家《安全生產法》、《建築施工安全檢查標準》及有關部門、地區頒發的安全規程，執行三合一管理體系要求。

（二）在網殼提升的過程中，必須做到以下幾點以保證安全：

1.網殼兩側各設定4根臨時拉索，以防止網殼發生水平位移和網殼瞬變的發生；

2.在網殼提升過程中必須保持兩塔柱位置鉸之間保持空間相互平行；

3.在網殼必須做到緩慢提升，提升速度不大於0.1米/分鐘。

（三）"摺疊展開式"整體提升施工技術的大部分安裝工作都是在近地面處完成，減少了事故發生的機率，較大程度上保障了施工人員安全，較好地從技術上解決了安全生產的問題。

（四）對於少量需高空作業的部分，安裝前必須鋪好安全網，安裝工人在安裝時需戴好安全帽、系好安全帶才能施工；注意安全用電，注意"三寶"使用，做好安全技術交底，以及應急防範措施。

環保措施

《網殼結構摺疊展開式整體提升施工工法》安裝速度快，不需要占用大量場地，施工時液壓提升設備噪聲很小，不會對周圍環境造成不良影響。

效益分析

《網殼結構摺疊展開式整體提升施工工法》的經濟效益主要體現在節省腳手架的費用和加快施工速度帶來的經濟效益，下面就該方法從與普通的腳手架高空散裝和與類似工程的安裝兩方面進行比較。

一、與普通的腳手架高空散裝法的比較

河南省鴨河口電廠乾煤棚工程採用腳手架高空散裝方案和"摺疊展開式"整體提升方案的經濟指標評價如表5。

表5 與普通的腳手架高空散裝法的比較

評價內容	腳手架高空散裝法	"摺疊展開式"整體提升法
腳手架工程量	需用鋼管1500噸，搭設費用約136萬元	搭設費用12萬元
提升裝置	無	50萬元
節點處理	無	5萬元
技術及安全措施	5萬元	8萬元
材料垂直提升費用	6萬元	2萬元
工期效益（直接）	0	-20萬元（下降）
工期效益（間接）	0	雨季前完成，確保電廠正常生產
合計	147萬元	57萬元

二、與類似工程的比較

嘉興電廠乾煤棚與鴨河口電廠乾煤棚具有相似體型，大小基本相等，具有可比性。兩個工程的經濟指標比較見表6。

表6 與類似工程的比較

評價內容	南陽鴨河口電廠（採用"摺疊展開式"整體提升法）	嘉興電廠（腳手架高空散裝法）
幾何尺寸	108米×90米	103.5米×88米
腳手架費用	12萬元	128萬元
提升費用	55萬元	無
材料提升費用	2萬元	6萬元
安裝工期	80天	120天

綜上所述，"摺疊展開式"整體提升的施工方法帶來了經濟和工期效益。

註：施工費用以2005-2006年施工材料價格計算

套用實例

《網殼結構摺疊展開式整體提升施工工法》的套用實例如下：

河南南陽鴨河口電廠乾煤棚網殼設計跨度108米，長度90米，矢高38.766米，採用正放四角錐三心圓柱面雙層網殼形式，是2005年前亞洲跨度最大的三心圓柱面煤棚結構，結構跨度大，矢高高，施工難度較大。工程採用"摺疊展開式"整體施工方法，產生了較好的社會及經濟效益（圖12~圖18）。

榮譽表彰

2008年01月31日，中華人民共和國住房和城鄉建設部發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》建質[2008]22號，《網殼結構摺疊展開式整體提升施工工法》被評定為2005-2006年度國家一級工法。