硅宝科技：大跨度空间网壳结构设计与施工及幕墙防水体系的探讨

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作者：中建深圳装饰有限公司刘辉、陈伟皇、李泽军、范航

【概括】

本文论述了大跨度空间网壳的结构设计分析、深加工、装配式施工及安装，以及装饰外墙的防水系统设计、骨架系统设计、面板设计等深入思路。皮肤。

【关键词】

钢网外壳设计与施工、幕墙防水设计、骨架连接设计、蜂窝铝板优化设计

1 简介

航空轮胎大科学中心项目部的宗旨是实现我国民用航空轮胎技术自主可控，解决航空轮胎核心技术问题，并以高性能军用航空轮胎为突破口，实现我国民用航空轮胎技术的自主化。军民技术相互支撑、相互促进、资源共享的大科学。安装;建成世界一流的航空轮胎研发创新基地。

该项目位于天然山坡上，北侧有湖，依山傍水。规划充分尊重自然地形，提出“耦合城市”规划理念，将公园打造成为山水与城市兼容并蓄的创新型城市自然界面。

图1 航空轮胎科学中心效果图

2 项目概况

航空轮胎科学中心幕墙工程位于广州市黄埔区知识城永龙大道以东、华观高速以南（永龙隧道入口处）。其中，动力科普装置以当代航空轮胎为设计切入点，深入探究航空轮胎的特性。科技元素。基于扁平轮胎和垂直轮胎的建模意图，并符合大型装置工艺的12米净高和24米净高要求，本文重点对垂直轮胎进行设计和分析。动态大型科学装置的轮胎。

幕墙设计使用寿命为25年，基本风压为0.5kN/m2，地面粗糙度类别为B级，抗震设防烈度为7度，最大水平地震影响系数为0.08，设计基本地震加速度为0.10g。其中，动力科学中心的垂直轮胎最高海拔为52米。

本工程主要包括屋面立缝+外装饰蜂窝铝板系统、墙体防水铝板+外装饰蜂窝铝板系统、大跨度焊接矩形钢系统、框架玻璃幕墙系统、采光玻璃幕墙系统等。

3、大型悬臂钢结构网壳体系设计、深加工及预制安装

3.1 重点难点分析

动力科学装置主体结构为钢结构（图2），幕墙与钢结构之间设置一层钢网壳支撑幕墙系统（图3）。其中，水平轮胎主体钢结构顶部标高20米，幕墙竣工面标高23.45米，直径90米。水平轮胎幕墙竣工面与主体高差3.45米（图4）；立胎主体钢结构顶部标高直径49.2米，直径72米。幕墙竣工面标高52米。幕墙竣工面与主体结构最大悬挑距离达到2.8米（图5）。主体结构竖向轮胎位于空间网架结构体系30米标高以上。海拔30米以下，有钢架系统；幕墙形状为双曲面形状。设计之初，主体设计单位没有考虑外幕墙的支撑结构，这就需要进行幕墙单元的设计。

图2 动力科学装置钢结构BIM效果

图3 动力科学装置钢结构BIM效果

图4 横向轮胎幕墙与主体关系

图5 竖向轮胎幕墙与主体关系

3.2 立式轮胎钢网壳结构体系设计分析

在设计立胎支撑钢网壳时，为了简化设计方案，考虑将立胎外防护钢架分为钢结构系统五个部分：外环空间钢网壳、内环玻璃幕墙平面钢架、内环钢网壳、内环钢网壳。圆形平面钢架、圆形空间钢架和圆形玻璃幕墙钢架（图6）。钢结构体系与中央环形玻璃幕墙钢架对称，分为东西两侧两部分。重点分析西侧外环空间钢网壳的设计。

图6 立胎西侧钢结构体系划分模型图

西外环空间钢格壳结构安全分析：立胎主体结构设计时，仅根据常规幕墙反力考虑幕墙荷载，悬臂钢结构荷载未考虑幕墙结构。幕墙超出结构主体的最大悬挑面为2.8米。如果采用常规设计，单杆悬臂2.8米，钢网壳支撑的反力必然过大，主钢梁和次钢梁将无法承受该反力。部分支持；杆件设计必须过大，主体结构无法承受次要结构的反作用力。

由于主体结构30米以上区域采用钢网架结构体系，幕墙支撑只能设置在网架节点位置。为了解决顶部幕墙结构悬挑2.8米的问题，考虑将顶部钢支撑系统设计为垂直桁架和水平桁架，将钢网壳的支撑反力传递到节点网架的轴力通过桁架的形式，减小弯矩，分散轴力，满足主体结构的受力要求。结构计算时，对30多米的主体钢结构网架和幕墙支撑网壳进行整体建模（图7），真实反映了主体结构构件和幕墙结构构件的受力和变形情况。

荷载设计分析：风荷载、活荷载、自重均按规范取值；在钢结构的计算分析中，钢结构为焊接结构。考虑到温度对结构变形的影响，结构的实际温度按照20℃升降温进行拟合。动作对杆的影响。在抗震设计中，由于本工程为附属结构，仅采用反应谱函数法是不准确的。因此，根据响应谱函数的包络线和幕墙规范方法进行结构设计。

对于结构控制指标

(1)变形极限

竖向挠度：桁架跨中挠度极限[L/250]，L为屋面跨度；

悬伸端的最大弹性位移角为[l/125]，其中l为悬伸长度。

(2) 部件设计

杆件长细比：重要构件的长细比限值为120，其他构件的长细比限值为150；

杆件应力比：不大于0.9f（f为强度设计值）。

应力比分析：杆件最大应力比为0.8836，满足规范要求（图8、图9）。

扰动位移分析：

测点1最大位移为13mm，杆长为3.7m，最大挠度跨比为1/285，小于允许值1/250。

测点2最大位移为37mm，杆长10m，最大挠度跨比为1/270，小于允许值1/250。

结构变形满足规范要求（图8）。

图7 东西向外环钢结构SAP计算模型

图8 计算模型应力比

图9 杆应力比条形图

图10 竖向位移计算模型

3.3 钢网壳结构深加工

在进行钢结构结构设计分析时，所有二级钢结构构件均采用折线构件，各构件连接节点均采用焊接，各构件需切割二面角。工艺复杂，焊接点较多。高空焊接多为对焊，量身定做焊接施工难度大。对焊要求焊缝质量高；每个杆都需要空间定位，测量工作量大。出于工期、施工技术等综合考虑，在深加工过程中采用了以下技术，以提前整体工期。

（1）利用BIM建模，通过BIM模拟检查碰撞问题，避免传统多张图纸中的错误和遗漏，提高对图纸的理解。通过BIM下单生产加工，根据成品龙骨料号现场安装，缩短加工周期。通过BIM模拟和现场施工团队协调，简化绘图方法，提高安装效率，减少安全隐患。

（二）优化支撑结构体系。计算立式轮胎侧支撑钢架结构时，内支撑钢架与外网壳结构共面（图11），杆件之间相互作用，导致外侧完整的钢网结构被破坏。开放式，大大增加了钢格板的加工和组装难度；深化时，将内支撑钢架后移200mm（图12），用拉杆将原来的交点与钢架连接起来，保证钢格栅的稳定性。为了完整性，对外壳钢壳进行了规范化，并减少了杆规格。

图11 支撑钢桁架与钢网壳平齐

图12 30米以上支撑桁架系统

(3)装配配置技术的应用采用地面装配吊装方案。组装、安装同时进行；钢结构分为内支撑桁架系统和外钢格壳系统两种，分别吊装和安装。预制式也不断深化。从以下几个方面进行了优化。

1）所有原材料均按固定长度9米订购；

2）所有周向龙骨均按应力模型沿周向拉伸、弯曲，减少拼接点数量；

3）减少棒材的种类和规格，采用高强度钢材；

4）分割时尽量使各个钢架整齐统一，一起加工，减少测量、定位的工作量。

3.4 钢网壳结构预制安装

外环钢网壳施工时，采用两侧同时吊装施工。左右钢架呈对称关系。地面分支处理完毕后，吊装至安装区域。钢结构吊装前，必须加强钢网壳本身的吊装强度。及干涉均经过验证（图13、图14），满足结构安全。起重钢架底部采用钢芯套管与地面连接（图15）。钢架吊装后，根据BIM模型的点坐标，通过全站仪测量定位点。每一块钢材都需要通过三点坐标来控制钢架。定位，底部钢架和上部钢架用钢芯连接（图16）。第二个钢架测量、铺设完毕后，先将钢架临时固定，再用高空车载人。座点全焊，插接位全焊，然后进行防腐处理并监督验收。整体钢格栅施工偏差控制在20mm以内，保证外子龙骨的安装精度（图17）。

图13 钢架应力比：0.142

图14 最大位移：2.411mm

图15 底部钢格栅安装

图16 钢格栅插入式安装

图17 钢结构吊装整体外观

4 幕墙防水与外饰面板框架连接设计

4.1 幕墙防水设计

由于动力科学装置外立面形状特殊，内部没有刚性防水层。因此，整个工程的防水依赖于外幕墙系统。外墙防水系统的质量直接影响整个建筑的功能，防水设计的质量直接决定工程的成败。

(1)屋顶防水设计。考虑到本工程的重要性，设计以一级防水屋面设计为基础，采用二级防水设计。环形屋顶由玻璃采光屋顶系统和蜂窝铝板双层幕墙系统组成。玻璃幕墙设计时，玻璃幕墙采用双层胶缝设计（图18）；使用蜂窝铝板双层幕墙系统时，采用两套防水系统。第一层采用1mm厚的铝镁锰板作为屋顶的外表面。防水层，第二防水层采用1.5MM厚的TPO作为防水层（图19）。

垂直轮胎车顶直立锁定区域环径为71.6米，采用FLEX-LOK65系列400宽版本。 1.0mm厚的铝镁锰直立锁板在此位置可以自然形成弧线；施工、排水、吊装、安装等应考虑 由于多种因素的影响，直立锁面板采用搭接方式（圆形布置）。面板长度7.8米（两块蜂窝铝板长度+面板搭接距离）。搭接长度不小于300mm，且搭接必须是双层的。用丁基密封胶密封，重叠位置的筋需要切割并重叠，以确保连续性。第二层防水是TPO防水卷材。防水层采用热风焊接使其成为一个整体。

图18 玻璃照明顶部节点图

图19 屋顶蜂巢防水节点图

(2)墙体的防水设计，墙体具有双曲圆面形状。设计时，除了考虑防水外，还必须考虑施工和安装。如果全部采用直立锁板，施工措施、安装、排水方向将不符合要求。设计时，为了简化施工安装，采用2mm厚的铝单板作为墙面防水的防水层。设计时考虑到钢结构的变形，防水铝板的接缝设置为20mm，以满足板材和结构变形的问题。

图20 墙面防水节点图

4.2 蜂窝铝板支撑架设计

(1)立缝位置蜂窝铝板骨架连接设计：深化轮胎立缝位置外装饰蜂窝铝板设计时，将蜂窝板优化为平板(即周向为平板)。形成环形的平板），而内立缝板为弧形，蜂窝板表面与弧形立缝板肋的距离在136~185mm范围内变化（图21） ，而铝梁底部与立缝板的距离为10-60mm，最小点基本与筋平齐，原来的大面连接方式在该位置不能满足要求，且周向尺寸蜂窝铝板的厚度为3768mm。如果环向龙骨仅在横向网格位置连接，中间没有连接点，则铝合金连接龙骨的计算长度达到3688mm，结构计算梁无法满足要求；由于净空限制，也无法增加横向龙骨作为环向龙骨的连接点（图22）。深化设计时，加大龙骨与板面的距离。立边锁板中部放置铝合金抱箍龙骨，增加其可调节空间。其次，为了保证龙骨的受力满足计算要求，在板肋之间增加了传递钢件来支撑周向蜂窝铝板框架，并在1/3和2/3处增加了两个支撑点。各蜂窝板的划分（图23、图24），使龙骨满足结构要求。 U型件与钢板可上下左右调节30mm，实现支架的三维可调连接。

图21 直立锁紧弧形板与蜂窝铝板关系图

图22 铝合金龙骨连接网格处节点

图23 铝合金龙骨连接中间节点

图24 铝合金龙骨连接中间节点

(2)墙体蜂窝铝板骨架设计：优化时，外层蜂窝板优化为梯形板，因此龙骨可能出现折线；设计龙骨时，以环型长边为主龙骨，短边以不同角度连接角码与长边龙骨连接，长边龙骨与T型龙骨连接通过U形件固定在二级钢架上。框架的三维调节是通过U形件实现的（图25、图26）。

图25 蜂窝板U型连接器

图26 蜂窝铝板防水板副框安装照片

4.3 蜂窝铝板的优化设计

大型动态科学装置是一座轮胎驱动的双驱动建筑，具有弧形立面。为了保证立面效果，采用Rhino GH切割深化，将非立面与屋顶交叉位置的蜂窝板全部优化为平板。 ，将原来的弧形边缘优化为折线，简化了施工工艺，减少了型材的弯曲工序。蜂窝铝板边缘设计有全长铝合金连接框架。蜂窝板与框架采用铝合金压块连接。压块通过六角头不锈钢螺栓与铝合金龙骨连接，确保安装方便。蜂窝铝板底边设置两个角码作为承重支撑。蜂窝铝板的边框是有角的，蜂窝铝板与边框之间的缝隙需要用密封胶密封（图27），以保证开口的蜂窝铝板的外侧密封，防止水蒸气进入。进入蜂窝芯层，导致表皮脱落、鼓起、变形。等等问题。

图27 蜂窝铝板铝板外密封处理

图28 Rhino GH切割模型

图29 已竣工的航空轮胎科学中心

5 结论

近年来，建筑业的外部环境也发生了重大变化。面对疫情肆虐、国际政治动荡、房地产销售疲软，建筑师对建筑外观的要求越来越高。相反，建设成本不断降低，企业之间的竞争日益激烈。大，留给幕墙设计师的空间越来越小，而对幕墙设计师的要求也越来越高。我们在设计时要综合考虑安全、美观、施工方便等多重因素。本文概述了该项目钢格壳的设计和安装思路以及外幕墙系统的设计，希望能为类似项目提供一些参考和帮助。