CN116451527A - 拱上起柱的大跨度双曲面马鞍型空间网格钢结构施工方法 - Google Patents

拱上起柱的大跨度双曲面马鞍型空间网格钢结构施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种拱上起柱的大跨度双曲面马鞍型空间网格钢结构施工方法，该方法包括以下步骤：结构受力概念分析与方案比选、施工过程仿真模拟分析与分块选择、构件深化设计、基于BIM技术的复杂构件空间坐标转化与空间定位、马鞍型拱结构安装施工、拱上起柱及拱上框架的安装与施工、临时支撑的卸载与拆除。本发明解决了大跨度双曲面马鞍型空间网格结构与框架结构相组合的结构，施工过程中结构复杂、节点较多、构件较重、安全管控风险因素较多等，及拱上起柱由圆变方精度控制要求较高、关键过程质量控制难度大等施工难题，且技术先进可靠，在保质量、保安全、保效率、控成本上成效显著。

Description

拱上起柱的大跨度双曲面马鞍型空间网格钢结构施工方法
技术领域
本发明涉及钢结构施工技术领域，尤其涉及拱上起柱的大跨度双曲面马鞍型空间网格钢结构施工方法。
背景技术
随着经济和科技水平的提升，我国公共建筑对建筑物内部空间、外部造型均提出了更高的要求，近年来国内大跨度空间结构应用十分广泛，已经不仅用于工厂车间、试验厅、汽车研究中心等试验场所，在商场超市、体育场馆、展览馆、机场航站楼等公共建筑以及工厂车间、储煤料棚、仓库等工业建筑上也得到了普遍应用。
大跨度空间结构，通常采用空间网架结构、空间网壳结构、空间网格结构等。马鞍型网格拱上起柱的结构形式，创新性地将空间网格结构与常规框架结构相结合，不仅可以利用空间网格结构良好的受力特性与大空间适应性，也充分发挥了框架结构的规则性与稳定性。将空间网格结构作为下部展览空间，框架结构作为办公与商务会谈，完美地将“方”与“圆”相结合，展现建筑的曲线美与力学美，极具有应用前景。
但是，由于大跨度马鞍型空间网格结构的结构复杂、节点较多、构件较重、安全管控风险因素较多，拱上起柱由圆变方精度要求较高，关键过程质量控制难度大，从以往工程经验中，均是施工过程中无法解决的重大难题。因此，本申请针对该新型结构，研究了一种拱上起柱的大跨度双曲面马鞍型空间网格钢结构施工方法。
发明内容
本发明旨在解决该新型结构形式的多节点大构件的精确定位与就位安装问题、临时支撑的设置与卸荷问题、拱上起柱的定位与纠偏问题等一系列施工难题，而提供一种拱上起柱的大跨度双曲面马鞍型空间网格钢结构施工方法。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：
拱上起柱的大跨度双曲面马鞍型空间网格钢结构施工方法，其步骤如下：
S1、采用“隔离体法”将主体结构拆分为上部的框架结构和下部的马鞍型拱构结构，分别对框架结构和马鞍型拱结构进行受力概念分析，然后进行施工方案比选，初步确定施工思路；
框架结构受力概念分析：对上部框架结构看做是底部刚接、框架柱长短不一的框架结构，分别取马鞍型拱结构的中轴线的纵向、横向跨的平面，进行规定竖向力、规定水平力下的受力分析，根据概念结构力学可估算框架结构最大受力点与最大变形点。
马鞍型拱结构受力概念分析：马鞍型拱结构可以视为，由框架纵横轴分别为向、/>向平面内，/>向平面内加强环为拱肋，各拱肋之间空间网格采用拟壳法，简化薄面结构，面荷载标准值/>，其中：/>为除网架自重外的屋面荷载标准值，/>为拱肋之间的最短距离；上部荷载简化为作用到拱肋的集中力P。
S2、利用几何非线性有限元法，不考虑材料的弹塑性，假定材料为弹性的，进行荷载-位移全过程分析，基于该分析，采用非线性有限元软件和结构设计软件，进行仿真建模；
S3、基于钢结构深化设计软件，对钢结构节点进行深化设计，方便加工厂构件的加工与组拼；
S4、基于BIM技术的复杂构件空间坐标转换与空间定位，利用有限元软件、设计软件与BIM应用软件之间的软件接口，实现模型的转换，利用BIM软件特有的直观性与演示功能，通过建立虚平面与局部坐标系转化命令，在模型中使用“隐藏图元EU”命令，对目标构件进行剖析；
S5、马鞍型拱结构安装施工，包括以下步骤：
S51、临时支撑的安装；
S52、马鞍型拱结构的空间姿态转换；
S53、马鞍型拱结构的安装；
S6、拱上起柱及拱上框架的安装与施工，包括以下步骤：
S61、利用空间转换技术，测放柱脚四个角点；
S62、安装导向板；
S63、柱脚曲线放样与修整；
S64、安装钢柱，并进行垂直度校正；
S65、柱脚焊接与二层框架梁连接固定；
S66、框架结构施工；
S7、临时支撑的卸载与拆除。
特别的，S1中，方案比选分析中对高空散拼法、分条分块安装法、滑移法、整体吊装法、整体提升法、折叠展开式提升法进行比选，初步确定选用少支架的悬挑式高空散拼法拼装拱肋、分条分块安装法安装肋间网格结构的施工思路。
特别的，S2中，全过程分析方法采用迭代计算，公式如下：
式中：Kt--t时刻结构的切线刚度矩阵；
--当前位移的迭代增量；
--t+△t时刻外部所施加的节点荷载向量；
--t+△t时刻相应的杆件节点内力向量。
特别的，S2中，仿真建模包括：安装过程仿真分析、卸载过程仿真分析、施工仿真核对、单元分块选择与二次模拟分析。
特别的，S3中，钢结构主要深化设计要点包括：钢拱肋分段的节点处理、网格单元块的分块与加固处理、临时支撑位置钢拱肋的构造加强处理、钢拱肋与网格单元块之间的节点处理、拱上柱与拱肋之间的固定处理。
特别的，S4中，具体施工步骤为：
建立模型与校核模型；
调整整体坐标系，确定最终状态坐标点；
构件空中定位；
构件空中坐标转换；
网格次梁连接节点优化。
特别的，S51中，临时支撑的安装包括以下步骤：
临时支撑基础埋件的设置与基础混凝土的施作；
格构式临时支撑架体的安装与垂直度控制；
临时支撑架体顶部标高的控制。
特别的，S52中，马鞍型拱结构的空间姿态转换包括以下步骤：
网格单元的空间姿态转换；
拱肋单元的空间姿态转换。
特别的，S53中，马鞍型拱结构的安装包括以下步骤：
S5301、从两侧到中间，对称安装两个次边肋CT；
S5302、从两侧到中间，对称安装两个边肋BT；
S5303、利用临时支撑，在次边肋CT和边肋BT之间，安装肋间纵向封边肋GT的对应段，并连接牢固；
S5304、利用临时支撑，在次边肋CT和边肋BT之间，安装肋间网格单元；
S5305、从两侧到中间，对称安装两个横向封边肋FT；
S5306、利用临时支撑，在边肋BT和横向封边肋FT之间，安装肋间纵向封边肋GT的对应段，并连接牢固，在次边肋CT和边肋BT之间，安装肋间纵向中间肋ZT的对应段，并连接牢固；
S5307、利用临时支撑，在边肋BT和横向封边肋FT之间，安装肋间网格单元；
S5308、利用两侧已经安装好的网格单元及中间临时支撑，在两个次边肋CT之间，安装肋间纵向封边肋GT的对应段、纵向中间肋ZT的对应段，并在纵向封边肋GT的对应段和纵向中间肋ZT的对应段之间安装横撑，并连接牢固；
S5309、利用两个次边肋CT之间的纵向封边肋GT及临时支撑，从两侧到中间，对称安装两个中间拱肋MT；
S5310、利用临时支撑，在次边肋CT与中间拱肋MT之间，分块安装肋间网格单元；
S5311、利用临时支撑，在两个中间拱肋MT之间，分块安装肋间网格单元。
本发明的有益效果是：
（1）本发明采用力学概念分析、施工过程仿真分析、基于BIM技术的空间坐标转换及空间定位、特有的双曲面马鞍型空间网格结构及拱上起柱的多方案比选与施工工艺确定，创新性地提出了“拱上起柱的大跨度双曲面马鞍型空间网格钢结构施工方法”，解决了上述施工难题，技术先进可行，经工程实践证明，在保质量、保安全、保效率控成本上成效显著。
（2）S1中的“结构受力概念分析与方案比选”，在方案设计初期，采用抽象的概念力学研究代替冗杂的计算分析，通过该步骤，多种方法进行比选，初步确定了选用少支架的悬挑式高空散拼拱肋、分条分块安装肋间网格结构的施工思路，该步骤重在利用主体结构自身的力学特性，进行施工方案的选取，节省了工作量，使得施工技术更具科学性。
（3）S2中的“施工过程模拟分析与分块选择”，在分析上同时利用“考虑时变影响（施工过程分析）”、“不考虑时变影响（设计状态分析）”，一方面，能够实现方案深化阶段的快速分析、提高分析效率的目的；另一方面，施工方案确定后，进行详细的、考虑各因素的综合分析，做到精确分析，并通过仿真分析结果应用，实现模拟分析与现场的交互，保证施工安全可靠与精准管控。
（4）S4中的“基于BIM技术的复杂构件空间坐标转换与空间定位”，最终实现利用多软件交互办公与BIM应用技术，解决构件X向的马鞍型与Y向的拱形两种双曲线的空间耦合的姿态确定，依据解析几何知识，解决空间坐标的转化工作繁琐、作业量较大的问题，最终实现异形构件的空间坐标转换与空间定位，轻量化办公，任何数据均可点击图形提取，数形结合简洁直观，极其方便耐用。
（5）S5中的“马鞍型拱结构安装施工”，能够解决复杂多变的双曲面马鞍型空间网格结构的节点较多、构件较重、安全管控风险因素多等一系列问题，通过临时支撑的安装与预变形量的预留、网格单元与拱肋构件空间姿态转换、马鞍型拱结构的施工工艺等一系列技术，实现了精确定位、安全施工，并且成型美观，成型后与设计状态达到微误差。
（6）S6中的“拱上起柱及拱上框架的安装与施工”，专门选用在拱上设置导向板的方式，既起到了导向、限位的作用，也避免了焊接过程中难以固定造成的影响，施工简便，容易操作。
（7）S7中的“临时支撑的卸载与拆除”，该卸载工艺，既确保了安全、方便施工，又遵循了设计意图，构件的力学性能与最终成型状态，均达到设计要求，保证了卸载安全与施工质量。
（8）采用钢格构式临时支撑体系，在保证临时支撑与结构受力稳定的条件下，减少了用钢量，后期可回收再利用。
附图说明
图1为本发明的主体结构的示意图；
图2为本发明的主体结构的左视示意图；
图3为本发明的主体结构的前视示意图；
图4为本发明的马鞍型拱结构的示意图；
图5为本发明的马鞍型拱结构的左视示意图；
图6为本发明的拱肋分块示意图；
图7为本发明的网格单元空间坐标转换示意图；
图8为本发明的次梁连接节点优化示意图；
图9为本发明的拱上起柱柱脚导向板示意图；
图10为本发明的临时支撑布置示意图；
以下将结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
本发明基于我公司某钢结构在施项目施工实例，为首例将马鞍型空间网格结构与框架结构相结合的大跨度钢结构，且第一次实现拱上起柱的公共建筑施工。由于大跨度马鞍型空间网格结构的结构复杂、节点较多、构件较重、安全管控风险因素较多，拱上起柱由圆变方精度要求较高，关键过程质量控制难度大，从以往工程经验中，均是施工过程中无法解决的重大难题。经实际工程应用，施工方案安全可靠，经济适用，具体方案内容如下。
如图1-图10所示，一种拱上起柱的大跨度双曲面马鞍型空间网格钢结构施工方法，包括如下步骤：
S1、采用“隔离体法”将主体结构拆分为上部的框架结构和下部的马鞍型拱构结构（双曲面马鞍型网格结构），分别对框架结构和马鞍型拱结构进行受力概念分析，然后进行施工方案比选，初步确定施工思路。
框架结构受力概念分析：对上部框架结构看做是底部刚接、框架柱长短不一的框架结构，分别取马鞍型拱结构的中轴线的纵向、横向跨的平面，进行规定竖向力、规定水平力下的受力分析，根据概念结构力学可估算框架结构最大受力点与最大变形点。
马鞍型拱结构受力概念分析：马鞍型拱结构可以视为，由框架纵横轴分别为向、/>向平面内，/>向平面内加强环为拱肋，各拱肋之间空间网格采用拟壳法，简化薄面结构，面荷载标准值/>，其中：/>为除网架自重外的屋面荷载标准值，/>为拱肋之间的最短距离；上部荷载简化为作用到拱肋的集中力P。
方案比选分析中对高空散拼法、分条分块安装法、滑移法、整体吊装法、整体提升法、折叠展开式提升法进行比选，初步确定选用少支架的悬挑式高空散拼法拼装拱肋、分条分块安装法安装肋间网格结构的施工思路。
高空散拼法，更适用于全支架非焊接型空间网格，对于焊接连接，高空焊接量较大、支架用量较多。
分条分块法，适用于分割后结构刚度和受力状态改变较小的空间网格，且受到起重设备制约。
滑移法，要设置平行滑轨，适用于跨越施工、场地狭窄等情况。
整体吊装法、整体提（顶）升法，适用于支点较少，可减少高空作业的情况。
折叠展开式提升法，在地面或接近地面的工作平台上折叠拼装，然后将折叠机构用提升设备提升到设计标高，再进行高空补足原先去掉的杆件，变机构为结构，更适用于柱面网壳结构。
综合结构受力特点，拟采用高空散拼法和分条分块安装法，鉴于高空散拼的高空焊接工作量和质量管控，分条分块安装法难以形成稳定的分割单元（分割单元刚性较差，受力状况改变较小），综合受力特点，选用少支架的悬挑式高空散拼拱肋、分条分块安装肋间网格结构的施工思路，然后再进行进一步的方案比选。
在方案设计初期，采用抽象的概念力学研究代替冗杂的计算分析，通过该步骤，对高空散拼法、分条分块安装法、滑移法、整体吊装（空中平移旋转就位）法、整体提（顶）升法、折叠展开式提升法进行比选，初步确定了选用少支架的悬挑式高空散拼拱肋、分条分块安装肋间网格结构的施工思路，进行进一步的方案比选。该步骤重在利用主体结构自身的力学特性，进行施工方案的选取，节省了工作量，使得施工技术更具科学性。
S2、利用几何非线性有限元法，不考虑材料的弹塑性，假定材料为弹性的，进行荷载-位移全过程分析，具体地，全过程分析方法采用迭代计算，公式如下：
式中：Kt--t时刻结构的切线刚度矩阵；
--当前位移的迭代增量；
--t+△t时刻外部所施加的节点荷载向量；
--t+△t时刻相应的杆件节点内力向量。
基于该分析，采用非线性有限元软件和结构设计软件，进行仿真建模，仿真建模包括：安装过程仿真分析、卸载过程仿真分析、施工仿真核对、单元分块选择与二次模拟分析；
S21、安装过程仿真分析；
S2101、按照CAD轴线，将主体结构的CAD图纸的dxf文件导入到非线性有限元软件中，杆件采用“梁单元”的曲梁进行模拟，赋予材质与截面形式属性；
S2102、荷载取值，在网格表面建立虚面单元，用于施加面荷载，面荷载取值为，杆件单元取自重/>，荷载组合形式为1.0/>+0.5/>；
S2103、将拱肋的拱脚部位采用约束支座位移与转动的全约束边界条件，分别在拱肋的二等分位置、三等分位置、四等分位置、五等分位置添加只约束Z向（竖向位移）的约束边界条件代替临时支撑体系，模拟确定支撑点的数量；
S2104、建立临时支撑模型，临时支撑与上述模拟确定的支撑点之间采用“线性约束”的边界条件，模拟其耦合状态；
S2105、分别根据施工的进展，依次选取对应于施工状态的工况，对不同工况下“已施工主体结构+临时支撑结构”进行单独模拟分析，确定其应力云图与应力比、位移变化情况，确定方案是否可行；
S2106、后期方案调整：对于应力比超过0.85的地方进行特殊标注并进行施工过程中应力监测；对应力超过1.05但不超过1.25的结构进行局部措施加强处理；对于应力超过1.25的情况，需进行方案变更，主要是设置隅撑或者斜向支撑、移动支撑设置位置；对位移变化超过1/300跨度的情况，需进行加设支撑或两侧支撑上部设置扁担梁进行耦联支撑；
S2107、预变形控制：鉴于施工完成后，临时支撑与主体结构会发生结构自修复变形与时变位移，通过将临时支撑点设置临时支撑模型，采用施工过程分析，进而考虑时间对结构的影响，采用“双控”手段，即85%的构件应力比不大于0.85，个别杆件应力比最大不超过1.05；位移量符合1/300跨度。此时将各支撑点的Z向（竖向位移）值，即为预变形量，提前将该预变形量考虑到竖向支撑体系上。
S22、卸载过程仿真分析；
S2201、将含临时支撑的模型，包括结构本身、荷载与组合、边界条件，迁移至卸载过程分析中，确定各节点在包络状态下的最大位移、最小位移/>、最大应力/>、最小应力/>，各杆件在包络状态下的最大位移/>、最小位移/>、最大应力/>、最小应力，临时支撑顶部的内力/>；
S2202、将不含临时支撑的模型，包括结构本身、荷载与组合、边界条件，迁移至卸载过程分析中，确定各节点在包络状态下的最大位移、最小位移/>、最大应力/>、最小应力/>，及各杆件在包络状态下的最大位移/>、最小位移/>、最大应力/>、最小应力/>；
S2203、综合考虑各节点与各杆件的最大应力比、最大应力、最大位移处，与临时支撑的顶部内力，依次选择临时支撑受力较大的点、节点与杆件应力比较大的点，进行卸落10mm模拟，即采用荷载中约束位移变化进行不考虑施工过程的模拟分析，依次选择临时支撑卸落6个支撑点，每个支撑点卸落10mm，直至所有点均卸落完毕；
S2204、分别标注各卸落点次序，进行考虑施工过程的模拟分析，对于主体结构在卸落过程中的应力与位移突变情况进行预判，如果发生突变，可将影响支撑点的卸落量调为6mm。
S23、施工仿真校对；
S2301、将有限元软件的模型导出到结构设计软件接口文件，采用设计思维，即将临时支撑与主体结构作为整体，视作设计模型，重新添加边界条件与荷载属性；
S2302、对于结构设计软件的模型进行施工过程分析，并与有限元软件计算结果进行比对，误差在15%，可以视作模型准确，计算可靠。
S24、单元分块选择与二次模拟分析；
S2401、根据起重设备与道路运输设备能力，对横向拱肋进行分段，如图6所示；
中间拱肋MT分为中间2-5米合龙段MT-T0、MT-B0，两侧拱肋各设置为1段MT-TL1、MT-TR1、MT-BL1、MT-BR1；
次边肋CT分为中间2-5米合龙段CT-T0、CT-B0，两侧拱肋根据圆弧长度各分别平分为两段CT-TL1、CT-TL2、CT-TR1、CT-TR2、CT-BL1、CT-BL2、CT-BR1、CT-BR2；
边肋BT根据圆弧长度平均分为6段，分别标注为BT-T1、BT-T2、BT-T3、BT-T4、BT-T5、BT-T6、BT-B1、BT-B2、BT-B3、BT-B4、BT-B5、BT-B6；
横向封边肋FT根据圆弧长度平均分为5段，分别标注为FT-T1、FT-T2、FT-T3、FT-T4、FT-T5、FT-B1、FT-B2、FT-B3、FT-B4、FT-B5；
S2402、根据起重设备与道路运输设备能力，对纵向向拱肋进行分段,如图6所示；
纵向中肋ZL根据节点可以分为3段，分别标注为ZT-L1、ZT-L2、ZT-L3、ZT-R1、ZT-R2、ZT-R3；
纵向封边肋GT根据节点分为5段，分别标注为GT-L1、GT-L2、GT-L3、GT-L4、GT-L5、GT-R1、GT-R2、GT-R3、GT-R4、GT-R5；
S2403、临时支撑分别设置在上述拱肋单元的两端；
S2404、马鞍型网格单元的分块，根据三角形稳定体系，每两个拱肋之间的网格单元成为网格单元块，每个网格单元块分为左上剪片、右上剪片、左下剪片、右下剪片4部分；
S2405、根据确定的分块顺序，通过在上部操作模型的施工过程分析部分，细化施工步骤，通过生死单元法，激活与钝化单元，最终确定合理的施工工艺。
综上，通过“安装过程分析”、“卸载过程分析”、“施工仿真校对”，在分析上同时利用“考虑时变影响（施工过程分析）”、“不考虑时变影响（设计状态分析）”，一方面，能够实现方案深化阶段的快速分析、提高分析效率的目的；另一方面，施工方案确定后，可进行详细的、考虑各因素的综合分析，做到精确分析，并通过仿真分析结果应用，实现模拟分析与现场的交互，保证施工安全可靠与精准管控。
S3、基于钢结构深化设计软件，对钢结构节点进行深化设计，方便加工厂构件的加工与组拼；具体地，钢结构主要深化设计要点包括：钢拱肋分段的节点处理、网格单元块的分块与加固处理、临时支撑位置钢拱肋的构造加强处理、钢拱肋与网格单元块之间的节点处理、拱上柱与拱肋之间的固定处理。
S4、基于BIM技术的复杂构件空间坐标转换与空间定位，利用有限元软件、设计软件与BIM应用软件之间的软件接口，实现模型的转换，利用BIM软件特有的直观性与演示功能，通过建立虚平面与局部坐标系转化命令，在模型中使用“隐藏图元EU”命令，对目标构件进行剖析；
具体施工步骤为：
S41、建立模型与校核模型；
将有限元模型与深化设计模型分别导出接口文件，在BIM软件中分别导入模型，进行比对分析，确定模型的准确性；基于深化设计模型导入的模型，可以精确到下料要求，并且与构件进场状态相符，为所选用模型；
S42、调整整体坐标系，确定最终状态坐标点，如图7所示；
以拱肋两端端点为Y轴，以两侧拱的内心连线为X轴，以竖向高度为Z轴；并以场地基准点标高为标高0点，即z=0平面；以拱肋两端端点中心为Y轴0点，即y=0平面；以两侧拱肋内心连线的中心为X轴0点，即x=0点，确定为该模型最终状态的坐标，即整体坐标系（GCS-XYZ体系）。在该坐标系下，可以直接生成在整体坐标系下各构件两端及中间3个截面的坐标点，每个矩形或梯形截面可以有4个端点和1个轴心的坐标（），也可以生成临时支撑底部各控制点（/>）；
S43、构件空中定位；
通过全站仪，将棱镜架在固定点，分别对已知点1、已知点2设置棱镜，分别输入两个已知点的坐标，全站仪可自动根据距离和角度确定全站仪位置，输入整体坐标系下i点坐标（），挪动棱镜即可获得该点方位（/>），其中，/>为考虑施工过程分析的预变形量；
S44、构件空中坐标转换；
将拆分出来的网格单元块的三角单元，使用“隐藏图元EU”命令分别激活，旋转该三角单元使其凸面向下，将其3个角部最外侧杆件内侧节点的凸面侧中心三点相连，确定一个平面，将该平面向下平移0.5m建立一个虚平面，在该平面内建立X-Y直角坐标系，以垂直该平面向上为Z轴，形成局部坐标系（UCS-XYZ体系）；在该平面内确定各节点凸面侧两个端点与凸面侧中间点的空间坐标（），该坐标体系可用于网格三角单元的胎架制作与胎架组拼，如图7所示；
S45、网格次梁连接节点优化，如图8所示；
马鞍形网格结构次梁为相贯焊接，由于网格结构为空间异形斜交形式，各个节点在空间定位、交接角度、截面尺寸均不相同，考虑到加工精度、施加应力后的结构变形、焊接偏差问题，运用BIM技术进行详细节点深化，将网格次梁连接处节点优化为圆钢管节点对接方式以替代原设计的相贯焊接节点。
优化后网格次梁不同方向均通过圆管连接，解决了原网格次梁连接节点同截面不同角度、位置交接，易出现构件对接处次梁无法准确对接的问题。大幅降低了钢结构加工精度要求，提高了焊接质量，确保次网格结构整体受力稳定的同时又能保证网格的曲线外观。
通过利用多软件交互办公与BIM应用技术，解决构件X向的马鞍型与Y向的拱形两种双曲线的空间耦合的姿态确定，依据解析几何知识，解决空间坐标的转化工作繁琐、作业量较大的问题，最终实现异形构件的空间坐标转换与空间定位，轻量化办公，任何数据均可点击图形提取，数形结合简洁直观，极其方便耐用。
S5、马鞍型拱结构安装施工，包括以下步骤：
S51、临时支撑的安装；
S5101、临时支撑基础埋件的设置与基础混凝土的施作；
沿着临时支撑中心点四周均匀布置地脚螺栓，将地脚螺栓通过点焊的形式固定在方形埋板上，并在地脚螺栓底部外侧设置一道环箍，将地脚螺栓与埋板校正后，采取点焊形式固定在环箍上；浇筑混凝土底部混凝土，达到设计强度的80%后，即可安装临时支撑；
S5102、格构式临时支撑架体的安装与垂直度控制；
采用起重机，依次将格构式临时支撑的四个分肢吊装到位，基于十字交会法采用经纬仪控制每个分肢的垂直度满足要求后，在底部地脚螺栓各拧双螺母固定，对于底部存在缝隙的情况，采用灌浆快硬水泥灌浆；依次焊接格构柱的各分肢与缀条，使之形成连续的桁架整体；
S5103、临时支撑架体顶部标高的控制；
在临时支撑顶部设置临时支撑平台，并与临时支撑顶部的封头板采用螺栓连接牢固，如果四个分肢顶部标高不统一，则以标高最高的分肢为参照点，对另外三个分肢顶部，采用不同厚度钢板（或型钢+塞焊）作为垫板，使之达到一致。在平台顶部设置千斤顶，便于标高的控制，使千斤顶部标高达到S4中的“”。
S52、马鞍型拱结构的空间姿态转换；马鞍型拱结构由于进场构件均为平置状态，其安装之前，需要先进行构件或者单元的空间姿态转换。由于空间姿态调整过程中，容易出现局部（单杆悬臂）受力或者姿态调整前后受力状态拉压反转，构件或单元分空间姿态转变至关重要。
S5201、网格单元的空间姿态转换；
施工顺序为：
（1）在胎架拼装时，对三角形网格单元的角部部位，用钢板做成条状，将最角部构件与旁边内侧杆件拉结连系加固；
（2）分别用吊绳绑扎网格单元的三个角部节点，拆除胎架与网格单元之间的临时支撑；
（3）用起重设备提升网格单元，使其与胎架脱离至胎架上部500mm高的位置；
（4）调整吊绳与倒链，使其直立后，将网格单元的一边落在起吊架上，再缓慢落钩30mm，落钩过程中，向另一侧推动网格单元的上部角点，即可使网格单元完成空间姿态转换；
（5）再次调整吊绳，提升后即可吊装至设计位置。
S5202、拱肋单元的空间姿态转换；
施工顺序为：
（1）在拱肋单元两端的侧面设置吊装耳板；
（2）在耳板上分别拉设吊绳，满足构件的45°斜立状态；
（3）起重设备提升吊绳，使构件一端着地，一端缓慢提起，直至达到45°，构件离开地面。
S53、马鞍型拱结构的安装；
S5301、从两侧到中间，对称安装两个次边肋CT；
施工顺序为：拱脚段（CT-TL2、CT-TR2、CT-BL2、CT-BR2）→次跨段（CT-TL1、CT-TR1、CT-BL1、CT-BR1）→合龙段（CT-T0、CT-B0）；
S5302、从两侧到中间，对称安装两个边肋BT；
施工顺序为：拱脚段（BT-T1、BT-T6、BT-B1、BT-B6）→次跨段（BT-T2、BT-T5、BT-B2、BT-B5）→跨中段（BT-T3、BT-T4、BT-B3、BT-B4）；
S5303、利用临时支撑，在次边肋CT和边肋BT之间，安装肋间纵向封边肋GT的对应段（GT-L2、GT-R2、GT-L4、GT-R4），并连接牢固；
S5304、利用临时支撑，在次边肋CT和边肋BT之间，安装肋间网格单元；
施工顺序为：对称安装左右两侧上剪片→对称安装左右两侧下剪片→上剪片与下剪片之间的补杆填裆与固定连接→拆除网格单元的加强杆；
S5305、从两侧到中间，对称安装两个横向封边肋FT；
施工顺序为：拱脚段（FT-T1、FT-T5、FT-B1、FT-B5）→次跨段（FT-T2、FT-T4、FT-B2、FT-B4）→合龙段（FT-T3、FT-B3）；
S5306、利用临时支撑，在边肋BT和横向封边肋FT之间，安装肋间纵向封边肋GT的对应段，并连接牢固，在次边肋CT和边肋BT之间，安装肋间纵向中间肋ZT的对应段，并连接牢固；
施工顺序为：纵向封边肋GT（GT-L1、GT-R1、GT-L5、GT-R5），并连接牢固→纵向中肋ZT（ZT-L1、ZT-R1、ZT-L3、ZT-R3），并连接牢固；
S5307、利用临时支撑，在边肋BT和横向封边肋FT之间，安装肋间网格单元；
施工顺序为：对称安装左右两侧上剪片→对称安装左右两侧下剪片→上剪片与下剪片之间的补杆填裆与固定连接→拆除网格单元的加强杆；
S5308、利用两侧已经安装好的网格单元及中间临时支撑，在两个次边肋CT之间，安装肋间纵向封边肋GT的对应段、纵向中间肋ZT的对应段，并在纵向封边肋GT的对应段和纵向中间肋ZT的对应段之间安装横撑，并连接牢固；
施工顺序为：纵向封边肋GT（GT-L3、GT-R3），并连接固定→纵向中肋ZT（ZT-L2、ZT-R2），临时固定→连接纵向封边肋GT与纵向中肋ZT之间的最长横撑，并对纵向中肋ZT进行连接固定→连接纵向封边肋GT与纵向中肋ZT之间的其余横撑；
S5309、利用两个次边肋CT之间的纵向封边肋GT及临时支撑，从两侧到中间，对称安装两个中间拱肋MT；
施工顺序为：拱脚段（MT-TL1、MT-TR1、MT-BL1、MT-BR1）→合龙段（MT-T0、MT-B0）；
S5310、利用临时支撑，在次边肋CT与中间拱肋MT之间，分块安装肋间网格单元；
施工顺序为：对称安装左右两侧上剪片→对称安装左右两侧下剪片→上剪片与下剪片之间的补杆填裆与固定连接→拆除网格单元的加强杆；
S5311、利用临时支撑，在两个中间拱肋MT之间，分块安装肋间网格单元。
施工顺序为：对称安装左右两侧上剪片→对称安装左右两侧下剪片→上剪片与下剪片之间的补杆填裆与固定连接→拆除网格单元的加强杆。
利用上述步骤，能够解决复杂多变的双曲面马鞍型空间网格结构的节点较多、构件较重、安全管控风险因素多等一系列问题，通过临时支撑的安装与预变形量的预留、网格单元与拱肋构件空间姿态转换、马鞍型拱结构的施工工艺等一系列技术，实现了精确定位、安全施工，并且成型美观，成型后与设计状态达到微误差。
S6、拱上起柱及拱上框架的安装与施工，由于拱上起柱，拱的圆弧表面上施工矩形柱，拱肋与柱的耦合存在极大的技术难题。进行方案比选，一种是采用将柱与拱肋交汇点，进行节点深化，设计为铸钢异形节点，但由于节点与拱肋交接处较多，此作法极易破坏拱肋的整体性，且节点就位精度要求极高；另一种方法为，直接在拱上焊接矩形柱，此时柱与拱的角度难以调整，拱柱交接处焊缝厚度难以控制。因此，实际施工中，采用在拱上设置导向板的方式，既起到了导向、限位的作用，也避免了焊接过程中难以固定的问题。
如图9所示，具体包括以下步骤：
S61、利用空间转换技术，测放柱脚四个角点；
拱肋安装完成后，利用前述空间坐标转换技术，确定出柱在拱上的四个角点，并利用全站仪在拱肋上进行放样，四个角点进行连接形成柱在拱上的投影，并标注在拱上。
S62、安装导向板；在拱肋上的柱投影的两个三等分点，退后2mm，设置具有双倒角（上倒角、下倒角）的肋板，作为导向板，上侧倒角位置便于柱子进入柱与拱圆弧处，下侧倒角便于拱柱结合处焊缝的焊接。
S63、柱脚曲线放样与修整；
在柱脚，鉴于柱与拱肋的放样曲线，对柱脚进行修边，一方面保证柱与拱肋的完美吻合，另一方面保证焊缝的厚度。
S64、安装钢柱，并进行垂直度校正；
利用起重设备将柱吊装至拱肋上，由于导向板的设置犹如喇叭口状，从导向板的上侧缓慢落钩，使钢柱在重力下沿着导向板进入指定位置，用经纬仪对钢柱进行十字交会法的垂直度测量，如出现偏斜情况，由于导向板与柱间存在2mm的缝隙，可以进行微调，微调完成后，将导向板与柱子之间采用点焊固定。
S65、柱脚焊接与二层框架梁连接固定；
沿着柱与拱肋交接位置的焊口，进行焊接，焊接时应从柱的长边中心对称向两侧焊接，保证焊接的对称性，在柱上进行二层外圈框架梁的吊装与连接，形成稳定固定。
S66、框架结构施工；
施工顺序为：一层框架梁→二层内圈框架梁→三层框架柱→三层框架梁。
S7、临时支撑的卸载与拆除；临时支撑体系的卸载过程，不仅是拆除临时支撑，卸载过程中存在结构体系逐步转换，结构本身的杆件内力和临时支撑的受力均会产生变化。卸载时，既要确保安全、方便施工，又不能改变设计意图，对构件的力学性能产生较大的影响。如图10所示，具体施工布置为：
S71、从中间到两边，逐次对称卸落临时支撑，每次卸落量为10mm；
（1）中间拱肋MT之间的临时支撑（LS-11、LS-12），卸落10mm；
（2）次边肋CT中部临时支撑(LS-22、LS-23、LS-22a、LS-23a)，卸落10mm；
（3）次边肋CT两端临时支撑(LS-21、LS-24、LS-21a、LS-24a)，卸落10mm；
（4）边肋BT中部临时支撑(LS-32、LS-33，LS-32a、LS-33a)，卸落10mm；
（5）边肋BT两端临时支撑(LS-31、LS-34、LS-31a、LS-34a)，卸落10mm；
（6）横向封边肋FT中部临时支撑（LS-42、LS-43、LS-42a、LS-43a）的临时支撑，卸落10mm，观察10min后，卸落10mm；
（7）横向封边肋FT两端临时支撑（LS-41、LS-44、LS-41a、LS-44a）的临时支撑，卸落10mm，观察10min后，卸落10mm。
S72、对于主体结构与临时支撑未分离，以8mm为单次卸落量，实现全部脱离；所有仍与主体拱肋连接的临时支撑均以8mm为一个卸落量，实现主体结构与临时支撑的脱离。
S73、从两端向中间，依次拆除临时支撑，依次从两边拆除临时支撑，并运出场地，拆除顺序为：封边横向肋FT底临时支支撑→边肋BT底临时支撑→次边肋CT底临时支撑→中间拱肋MT之间临时支撑。
采用钢格构式临时支撑体系，在保证临时支撑与结构受力稳定的条件下，减少了用钢量，后期可回收再利用。
本发明解决了大跨度双曲面马鞍型空间网格结构与框架结构相组合的结构，施工过程中结构复杂、节点较多、构件较重、安全管控风险因素较多等，及拱上起柱由圆变方精度控制要求较高、关键过程质量控制难度大等施工难题。本发明包括结构受力概念分析与方案比选、施工过程仿真模拟分析与分块选择、构件深化设计、基于BIM技术的复杂构件空间坐标转化与空间定位、马鞍型拱结构安装施工、拱上起柱及拱上框架的安装与施工、临时支撑的卸载与拆除等创新技术，技术先进可靠，在保质量、保安全、保效率、控成本上成效显著。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.拱上起柱的大跨度双曲面马鞍型空间网格钢结构施工方法，其特征在于，其步骤如下：
S1、采用“隔离体法”将主体结构拆分为上部的框架结构和下部的马鞍型拱构结构，分别对框架结构和马鞍型拱结构进行受力概念分析，然后进行施工方案比选，初步确定施工思路；
S2、利用几何非线性有限元法，不考虑材料的弹塑性，假定材料为弹性的，进行荷载-位移全过程分析，基于该分析，采用非线性有限元软件和结构设计软件，进行仿真建模；
S3、基于钢结构深化设计软件，对钢结构节点进行深化设计，方便加工厂构件的加工与组拼；
S4、基于BIM技术的复杂构件空间坐标转换与空间定位，利用有限元软件、设计软件与BIM应用软件之间的软件接口，实现模型的转换，利用BIM软件特有的直观性与演示功能，通过建立虚平面与局部坐标系转化命令，在模型中使用“隐藏图元EU”命令，对目标构件进行剖析；
S5、马鞍型拱结构安装施工，包括以下步骤：
S51、临时支撑的安装；
S52、马鞍型拱结构的空间姿态转换；
S53、马鞍型拱结构的安装；
S6、拱上起柱及拱上框架的安装与施工，包括以下步骤：
S61、利用空间转换技术，测放柱脚四个角点；
S62、安装导向板；
S63、柱脚曲线放样与修整；
S64、安装钢柱，并进行垂直度校正；
S65、柱脚焊接与二层框架梁连接固定；
S66、框架结构施工；
S7、临时支撑的卸载与拆除。
2.根据权利要求1所述的拱上起柱的大跨度双曲面马鞍型空间网格钢结构施工方法，其特征在于，S1中，方案比选分析中对高空散拼法、分条分块安装法、滑移法、整体吊装法、整体提升法、折叠展开式提升法进行比选，初步确定选用少支架的悬挑式高空散拼法拼装拱肋、分条分块安装法安装肋间网格结构的施工思路。
3.根据权利要求2所述的拱上起柱的大跨度双曲面马鞍型空间网格钢结构施工方法，其特征在于，S2中，全过程分析方法采用迭代计算，公式如下：
；式中：Kt--t时刻结构的切线刚度矩阵；
--当前位移的迭代增量；
--t+△t时刻外部所施加的节点荷载向量；
--t+△t时刻相应的杆件节点内力向量。
4.根据权利要求3所述的拱上起柱的大跨度双曲面马鞍型空间网格钢结构施工方法，其特征在于，S2中，仿真建模包括：安装过程仿真分析、卸载过程仿真分析、施工仿真核对、单元分块选择与二次模拟分析。
5.根据权利要求4所述的拱上起柱的大跨度双曲面马鞍型空间网格钢结构施工方法，其特征在于，S3中，钢结构主要深化设计要点包括：钢拱肋分段的节点处理、网格单元块的分块与加固处理、临时支撑位置钢拱肋的构造加强处理、钢拱肋与网格单元块之间的节点处理、拱上柱与拱肋之间的固定处理。
6.根据权利要求5所述的拱上起柱的大跨度双曲面马鞍型空间网格钢结构施工方法，其特征在于，S4中，具体施工步骤为：
建立模型与校核模型；
调整整体坐标系，确定最终状态坐标点；
构件空中定位；
构件空中坐标转换；
网格次梁连接节点优化。
7.根据权利要求6所述的拱上起柱的大跨度双曲面马鞍型空间网格钢结构施工方法，其特征在于，S51中，临时支撑的安装包括以下步骤：
临时支撑基础埋件的设置与基础混凝土的施作；
格构式临时支撑架体的安装与垂直度控制；
临时支撑架体顶部标高的控制。
8.根据权利要求7所述的拱上起柱的大跨度双曲面马鞍型空间网格钢结构施工方法，其特征在于，S52中，马鞍型拱结构的空间姿态转换包括以下步骤：
网格单元的空间姿态转换；
拱肋单元的空间姿态转换。
9.根据权利要求8所述的拱上起柱的大跨度双曲面马鞍型空间网格钢结构施工方法，其特征在于，S53中，马鞍型拱结构的安装包括以下步骤：
S5301、从两侧到中间，对称安装两个次边肋CT；
S5302、从两侧到中间，对称安装两个边肋BT；
S5303、利用临时支撑，在次边肋CT和边肋BT之间，安装肋间纵向封边肋GT的对应段，并连接牢固；
S5304、利用临时支撑，在次边肋CT和边肋BT之间，安装肋间网格单元；
S5305、从两侧到中间，对称安装两个横向封边肋FT；
S5306、利用临时支撑，在边肋BT和横向封边肋FT之间，安装肋间纵向封边肋GT的对应段，并连接牢固，在次边肋CT和边肋BT之间，安装肋间纵向中间肋ZT的对应段，并连接牢固；
S5307、利用临时支撑，在边肋BT和横向封边肋FT之间，安装肋间网格单元；
S5308、利用两侧已经安装好的网格单元及中间临时支撑，在两个次边肋CT之间，安装肋间纵向封边肋GT的对应段、纵向中间肋ZT的对应段，并在纵向封边肋GT的对应段和纵向中间肋ZT的对应段之间安装横撑，并连接牢固；
S5309、利用两个次边肋CT之间的纵向封边肋GT及临时支撑，从两侧到中间，对称安装两个中间拱肋MT；
S5310、利用临时支撑，在次边肋CT与中间拱肋MT之间，分块安装肋间网格单元；
S5311、利用临时支撑，在两个中间拱肋MT之间，分块安装肋间网格单元。
10.根据权利要求9所述的拱上起柱的大跨度双曲面马鞍型空间网格钢结构施工方法，其特征在于，S7中，临时支撑的卸载与拆除，包括以下步骤：
S71、从中间到两边，逐次对称卸落临时支撑，每次卸落量为10mm；
S72、对于主体结构与临时支撑未分离，以8mm为单次卸落量，实现全部脱离；
S73、从两端向中间，依次拆除临时支撑。
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