CN116905712B - 一种花瓣状仿生钢结构屋盖 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种花瓣状仿生钢结构屋盖，其包括：多个仿生花瓣单元，其包括花瓣柱以及花瓣悬臂梁，多个仿生花瓣单元排布在一对向上的楼面外缘，并生根锚固于楼面梁上，延伸方向朝室外，形成外围护结构，与外围护结构相对的，使多个仿生花瓣单元排布在室内，并生根锚固于楼面梁上，所述内围护结构分成两排；位于外围护结构圆弧段端部与第二排内围护结构之间的桁架支撑结构，第二排内围护结构高于第一排内围护结构；位于一对向上的内围护结构之间的多排屋盖支撑柱；屋盖网架，其分块安装在外围护结构、内围护结构以及屋盖支撑柱上。本发明利于形成稳定的花瓣状仿生钢结构屋盖。

Description

一种花瓣状仿生钢结构屋盖

技术领域

本发明涉及仿生建筑领域，尤其涉及一种花瓣状仿生钢结构屋盖。

背景技术

国内火车站如火如荼地建设，仿生编织筒造型、仿生蘑菇形状、仿生花瓣造型等等火车站，越来越多的仿生建筑将应运而生。仿生花瓣造型国内相关先例少见，其建筑设计风格新颖，达到了建筑美学效果，但同时给工程建设实施带来了技术难题。

仿生建筑一般采用钢结构形式，钢结构具有强度高、重量轻、抗震性能好、施工速度快、建筑造型美观等诸多特点，与其他结构相比，钢结构造型更具有可塑性。目前在国内主要的火车站站房中，站城融合、仿生建筑逐渐呈现发展之势。仿生建筑主要通过钢结构等柔性构件组装拼装而成，其形态多变，造型奇异。将火车站外形设计成仿花瓣生物造型，给站房建筑空间及外形赋予了生动的外形，然而给工程建设却带来了极大的施工难度和挑战。

仿生建筑具有造型复杂、内含多数超静定结构的特点，仿花瓣状的钢结构造型在丰富建筑美学的同时，也给工程建设施工带来了不小难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种花瓣状仿生钢结构屋盖，其有利于形成稳定的花瓣状仿生钢结构屋盖。

为达到上述目的而采用了一种花瓣状仿生钢结构屋盖，其包括：

多个仿生花瓣单元，其包括呈弧形延伸的花瓣柱以及由所述花瓣柱延伸而出的，同样呈弧形延伸的花瓣悬臂梁，多个仿生花瓣单元排布在一对向上的楼面外缘，并生根锚固于楼面梁上，延伸方向朝室外，形成外围护结构，与外围护结构相对的，使多个仿生花瓣单元排布在室内，并生根锚固于楼面梁上，延伸方向朝室内，形成内围护结构，外围护结构与内围护结构的仿生花瓣单元间隔设置且一一对应，所述外围护结构呈圆弧段排布，所述内围护结构沿所述圆弧段圆心角对应的弦线方向排布，但始终与外围护结构间隔，设置最小间隔距离，所述内围护结构分成两排，使外围护结构圆弧段的端部也间隔对应有内围护结构；

位于外围护结构与第一排内围护结构之间的拱形支撑结构，所述拱形支撑结构拉结外围护结构的仿生花瓣单元的花瓣柱以及内围护结构的仿生花瓣单元的花瓣柱；

位于外围护结构圆弧段端部与第二排内围护结构之间的桁架支撑结构，第二排内围护结构高于第一排内围护结构，则使桁架支撑结构拉结第二排内围护结构的仿生花瓣单元的花瓣柱以及外围护结构的仿生花瓣单元的花瓣悬臂梁；

位于一对向上的内围护结构之间的多排屋盖支撑柱；

屋盖网架，其分块安装在外围护结构、内围护结构以及屋盖支撑柱上。

作为本发明进一步的改进，所述拱形支撑结构包括：

实腹拱，其两拱脚分别埋设于外围护结构的仿生花瓣单元的花瓣柱所在的楼面梁上以及第一排内围护结构的仿生花瓣单元的花瓣柱所在的楼面梁上；

上拉杆，其设置在实腹拱的顶部，其两端分别延伸至外围护结构的仿生花瓣单元的花瓣柱以及第一排内围护结构的仿生花瓣单元的花瓣柱上，并固定连接。

作为本发明进一步的改进，仿生花瓣单元采用呈弧形延伸的两榀悬挑双曲桁架以及交叉连接在两榀悬挑双曲桁架之间的系杆形成。

作为本发明进一步的改进，所述仿生花瓣单元划分为用于组成外围护结构的候车室外花瓣单元、用于组成第一排内围护结构的候车室内花瓣单元，以及用于组成第二排内围护结构的飘带花瓣单元，所述飘带花瓣单元排成一排时，顶部采用外形呈波浪起伏的桁架依次连接，以模仿“飘带”支承在仿生花瓣单元上。

作为本发明进一步的改进，所述候车室内花瓣单元与飘带花瓣单元的花瓣柱下端设置钢结构基础固定埋设在楼面梁中。

作为本发明进一步的改进，屋盖支撑柱与屋盖网架之间固定设置主桁架梁，沿楼面外缘的一侧屋盖网架采用外形呈波浪起伏的桁架依次连接，以模仿“飘带”支承在楼面外缘上方。

作为本发明进一步的改进，部分仿生花瓣单元下设滑动支座。

作为本发明进一步的改进，所述上拉杆与所述花瓣柱采用插板焊接。

作为本发明进一步的改进，所述上拉杆在横向上采用刚性环梁连接在一起。

作为本发明进一步的改进，所述仿生花瓣单元拆分为2～3块安装，拆分位置取在受剪力最小处，并选择在此位置的内部杆件数量最小处。

本发明采用分块吊装+临时支撑的安装方式，在地面或工场分段拼装花瓣结构，并分块空中吊装，减少高空焊接工程量，同时设置临时支撑，有利于与光谷拱快速形成“局部分段自稳体系、整体自稳体系”，此安装方式可解决安装精度和自稳问题，同时经济性较好。

附图说明

图1为屋盖结构整体示意图。

图2为仿生花瓣钢构示意图。

图3为花瓣状钢构整体布置图。

图4a为仿生花瓣钢构示意图。

图4b为仿生花瓣钢构细部示意图。

图5a为仿生花瓣钢构安装方向示意图。

图5b为仿生花瓣钢构安装示意图。

图6为临时支撑布置图。

图7a为花瓣结构支撑侧立面图。

图7b为花瓣结构支撑效果图。

图8a为独立钢管支撑形式结构示意图。

图8b为提升支架支撑形式结构示意图。

图9a为候车室内花瓣分段处支撑结构示意图。

图9b为外花瓣分段处支撑结构示意图。

图10为光谷拱支撑体系示意图。

图11为法兰连接大样图。

图12a为候车室内花瓣示意图。

图12b为外花瓣分段示意图。

图13为飘带花瓣分段示意图。

图14为光谷拱分段示意图。

图15a为室内花瓣汽车吊工况吊装模拟示意图。

图15b为外花瓣汽车吊工况吊装模拟示意图。

图15c为光谷拱汽车吊工况吊装模拟示意图。

图16a为候车室花瓣履带吊工况吊装模拟示意图。

图16b为外花瓣履带吊工况吊装模拟示意图。

图17为吊装通道加固示意图。

图18为临时支撑分条割除法卸载示意图。

图19为临时支撑结构卸载监测示意图。

图20为花瓣监测点布置示意图。

图21为光谷拱下段焊接钢爬梯通道结构示意图。

图22为在花瓣结构上段固定钢跳板结构示意图。

附图标记：100、仿生花瓣单元；101、花瓣柱；102、花瓣悬臂梁；103、系杆；104、悬挑双曲桁架；105、候车室外花瓣单元；106、候车室内花瓣单元；107、飘带花瓣单元；108、桁架杆件；109、钢结构基础；200、外围护结构；300、内围护结构；400、拱形支撑结构；401、实腹拱；402、上拉杆；500、桁架支撑结构；600、屋盖支撑柱；700、屋盖网架；800、临时支撑结构；801、独立钢管支撑；802、转换钢梁；803、钢平台；804、格构支撑；805、提升支架；806、埋件；807、钢爬梯；808、胎架模板支撑；809、胎架模板；810、钢丝绳；900、路基箱；1000、回顶钢管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1-图22所示，一种花瓣状仿生钢结构屋盖，其包括：多个仿生花瓣单元100，其包括呈弧形延伸的花瓣柱101以及由所述花瓣柱101延伸而出的，同样呈弧形延伸的花瓣悬臂梁102，多个仿生花瓣单元100排布在一对向上的楼面外缘，并生根锚固于楼面梁上，延伸方向朝室外，形成外围护结构200，与外围护结构200相对的，使多个仿生花瓣单元100排布在室内，并生根锚固于楼面梁上，延伸方向朝室内，形成内围护结构300，外围护结构200与内围护结构300的仿生花瓣单元100间隔设置且一一对应，所述外围护结构200呈圆弧段排布，所述内围护结构300沿所述圆弧段圆心角对应的弦线方向排布，但始终与外围护结构间隔，设置最小间隔距离，所述内围护结构300分成两排，使外围护结构200圆弧段的端部也间隔对应有内围护结构300；

位于外围护结构200与第一排内围护结构300之间的拱形支撑结构400，所述拱形支撑结构400拉结外围护结构200的仿生花瓣单元100的花瓣柱101以及内围护结构300的仿生花瓣单元100的花瓣柱101；

位于外围护结构200圆弧段端部与第二排内围护结构300之间的桁架支撑结构500，第二排内围护结构300高于第一排内围护结构300，则使桁架支撑结构500拉结第二排内围护结构300的仿生花瓣单元100的花瓣柱101以及外围护结构200的仿生花瓣单元100的花瓣悬臂梁102；

位于一对向上的内围护结构300之间的多排屋盖支撑柱600；

屋盖网架700，其分块安装在外围护结构200、内围护结构300以及屋盖支撑柱600上。

所述拱形支撑结构400包括：

实腹拱401，其两拱脚分别埋设于外围护结构200的仿生花瓣单元100的花瓣柱101所在的楼面梁上以及第一排内围护结构300的仿生花瓣单元100的花瓣柱101所在的楼面梁上；

上拉杆402，其设置在实腹拱401的顶部，其两端分别延伸至外围护结构200的仿生花瓣单元100的花瓣柱101以及第一排内围护结构300的仿生花瓣单元100的花瓣柱101上，并固定连接。

在本实施例中，仿生花瓣单元100采用呈弧形延伸的两榀悬挑双曲桁架104以及交叉连接在两榀悬挑双曲桁架104之间的系杆103形成。

在本实施例中，所述仿生花瓣单元100划分为用于组成外围护结构200的候车室外花瓣单元105、用于组成第一排内围护结构300的候车室内花瓣单元106，以及用于组成第二排内围护结构300的飘带花瓣单元107，所述飘带花瓣单元107排成一排时，顶部采用外形呈波浪起伏的桁架依次连接，以模仿“飘带”支承在仿生花瓣单元100上。

在本实施例中，所述候车室内花瓣单元106与飘带花瓣单元107的花瓣柱101下端设置钢结构基础109固定埋设在楼面梁中。

在本实施例中，屋盖支撑柱600与屋盖网架700之间固定设置主桁架梁，沿楼面外缘的一侧屋盖网架采用外形呈波浪起伏的桁架依次连接，以模仿“飘带”支承在楼面外缘上方。

在本实施例中，部分仿生花瓣单元100下设滑动支座。

在本实施例中，所述上拉杆402与所述花瓣柱101采用插板焊接。

在本实施例中，所述上拉杆在横向上采用刚性环梁连接在一起。

在本实施例中，所述仿生花瓣单元100拆分为2～3块安装，拆分位置取在受剪力最小处，并选择在此位置的内部杆件数量最小处。

实施例2

如图1-图22所示，一种花瓣状仿生钢结构屋盖施工方法，其具体包括如下步骤：

S1：采用分段分块吊装和临时支撑的安装方式，在地面或工场分段拼装仿生花瓣单元100，并分块空中吊装，临时支撑结构800设置在仿生花瓣单元100下侧，采用分段分块吊装和临时支撑的方式安装拱形支撑结构400；在拱形支撑结构400所处位置设置吊装及运输通道并加固处理，通道两侧的仿生花瓣单元100成对安装，吊装顺序由中间向两侧展开施工，拱形支撑结构400吊装完成后补装通道上方分块的屋盖网架700；仿生花瓣单元100沿楼面一对向外缘安装以形成两头圆弧段的外围护结构200，与外围护结构200相间隔的，仿生花瓣单元100沿圆弧段的圆心角对应的弦线安装形成第一排内围护结构300，外围护结构200与第一排内围护结构300之间则为所述拱形支撑结构400；

S2：在一对向上的内围护结构300之间设置多排屋盖支撑柱600；

S3：在外围护结构200、内围护结构300以及屋盖支撑柱600上分块安装屋盖网架700；

S4：卸载临时支撑结构800。

在本实施例中，所述S1中，临时支撑结构800包括设置在仿生花瓣单元100分段处的独立钢管支撑801，其设置在本层楼面以及下层楼面上；独立钢管支撑801下端设置转换钢梁802垫在楼面上，独立钢管支撑801上端设置钢平台803，支撑时，使分段的仿生花瓣单元100重心位于两根独立钢管支撑801之间；临时支撑结构800还包括用于分块提升所述屋盖网架700的格构支撑804，格构支撑804采用3个为一组设置，分别设置在三角形式的转换钢梁802的角位上，以形成提升支架805，转换钢梁802焊接在预埋于楼面梁的埋件806上；临时支撑结构800还包括胎架模板支撑808，以及位于两个胎架模板支撑808之间的胎架模板809，所述胎架模板809中间具有弧形缺口以贴合仿生花瓣单元100的桁架杆件108。

在本实施例中，沿所述独立钢管支撑801上下分布有钢爬梯807。

在本实施例中，当用于支撑一个仿生花瓣单元100的两根独立钢管支撑801之间的距离小于预设距离时，在两根独立钢管支撑801之间安装联系型钢，并作为水平施工通道。

在本实施例中，所述拱形支撑结构400分段吊装时，其临时支撑体系采用线性拉结体系，将拱形支撑结构400分两侧拱脚段和中间拱顶段，先将两侧拱脚段下部固定连接于仿生花瓣单元100所在楼面梁上，再采用钢丝绳810拉结拱脚段和仿生花瓣单元100的花瓣柱101，当拱脚段稳定后，再吊装中间拱顶段。

在本实施例中，所述独立钢管支撑801采用横向封板焊接连接的方式或法兰连接的方式进行接长。

在本实施例中，当通道下方存在地铁通道时，应对地铁通道进行加固，加固方式采用在地铁通道顶板上放置转换钢梁，并高出楼面预设距离，并沿框架梁铺设，再在转换钢梁上放置路基箱900，在框架梁中跨位置设置回顶钢管1000。

在本实施例中，在S4中，仿生花瓣单元100在卸载过程中，需要实时监测位移，以及对胎架模板809采用分条割除的方式，并在割除过程中监测桁架杆件108的位移，根据支撑位置卸载位移量控制每次割除的高度△H，直至桁架杆件108不再产生向下的位移后，再拆除临时支撑结构800。

在本实施例中，在卸载过程中，对桁架杆件108进行变形观测，观测点布置在桁架杆件108下表面以及施工关键节点处，竖向变形参考值为钢结构挠度值。

在本实施例中，在S1-S3中，要对焊接应力应变进行控制，具体的控制方法如下：

收缩量大于预设收缩量的先焊；

在焊缝数量大于预设数量的组装条件下时，收缩量大于预设收缩量的先焊，收缩量小于预设收缩量的后焊；拘束度大于预设拘束度的先焊，拘束度小于预设拘束度而自由收缩的后焊；

箱形接头的焊缝，先同时对称焊两侧的腹板，再焊接下翼缘，而后焊接上翼缘；

当使用厚度大于预设厚度的厚板时，轮换对称焊接腹板、翼缘板；

采用锤击法减小焊接残余应力，对特殊节点在每层焊道焊完后立即用圆头敲渣小锤或电动捶击工具均匀敲击焊缝金属，使其产生塑性延伸变形，并抵消焊缝冷却后承受的局部应力；

但根部焊道、坡口内及盖面层与母材坡口的两侧焊道避免捶击出现熔合线和近缝区的硬化及裂纹；

对现场所有坡口对接位置须采用多层多道焊接；

对称焊接，采用两名焊接速度在预设范围内的焊工同时从两个对称面开始焊接，直到该焊缝焊接完成，减小焊接结构因不对称焊接而发生的变形。

实施例3

1.花瓣仿生钢结构的概况

1.1花瓣状钢结构特征

某火车站地下1层，地上2层，分别为出站层、站台层及高架层，上部屋盖为三维曲面造型，钢屋盖由中央候车室屋盖(由分块的屋盖网架700拼接而成)、南北侧波浪形“飘带”(由波浪起伏形式的屋盖网架700拼接而成)、四角位置的桁架支撑结构500、东西侧光谷“花瓣”(由仿生花瓣单元100形成)组成；东西侧“光谷”(由拱形支撑结构400形成)采用实腹悬臂梁+刚性环梁+实腹拱组合形式。东西侧光谷“花瓣”共计104个，含外花瓣(即候车室外花瓣单元105)50个，内花瓣(即候车室内花瓣单元106)30个，飘带花瓣(即飘带花瓣单元107)24个。站房屋面投影面积为95224m²，平面投影最大尺寸为252.5mx412m，最大跨度64m，最大建筑高度36m。钢结构整体工程量约18000t。屋盖整体构型如图1所示。

1.2花瓣状钢构的参数

东西侧光谷结构主要包括悬臂花瓣结构及光谷拱。每个花瓣结构由两榀悬挑双曲桁架及其间的系杆组成，双曲桁架为传力构件，生根锚固于16.4m层楼面或9.8m层楼面。部分花瓣结构底设置滑动支座，花瓣悬臂桁架最大悬挑28m。两花瓣结构之间由水平杆件和桁架连接成一整体，根据花瓣结构设置部位分成飘带花瓣结构、候车室花瓣结构和外花瓣结构三种，其区域位置分布如图3所示。候车室花瓣结构和外花瓣结构之间设置光谷拱结构，光谷拱为箱型结构，拱下端固接于高架候车层楼面梁，拱顶端设置上拉杆，与花瓣结构结构杆件采用插板焊接连接，如图2、图4a、图4b所示。花瓣结构规格D400x20～D450x30，花瓣主要支撑规格D168x8～D325x20，材质均为Q390B。

2.施工技术分析

仿生结构造型复杂，呈现“花瓣状”、“拱状”，花瓣外放双曲，整体造型奇异，其采用空间桁架结构且大悬挑结构，悬臂最大悬挑28m，其次其两侧边有受力主弧度桁架中有交叉连接的系杆，呈现弧形交织，相交杆件焊缝每片花瓣多达2000条，其施工弧度精度、构型精度控制为极为重要的关键性问题。

悬挑花瓣结构的设计完全属于超静定体系，单一的悬挑花瓣结构无法形成自我稳定体系，其与光谷拱共同形成自稳体系。光谷拱的系杆有效连接外花瓣和内花瓣，利用内外花瓣的外扩受力相互制衡，使花瓣瓣尖结构达到平衡状态。同为解决花瓣结构脚稳定性问题，引入光谷拱半圆形拱杆冲抵柱脚受力。从整体上看花瓣结构、横向系杆、拱结构三者共同构成此仿生结构的自稳定体系，则在施工次序上存在难以协调的问题，施工时需兼顾独立实施与三者的协调自稳。此为影响结构安全及制约快速安装实施的另一关键性问题。

花瓣钢结构悬臂最大悬挑28m，主要重量全部集中在柱脚，同时悬挑结构物理中心汇交于空中，此类花瓣结构的安装存在极大的难度。安装方式的合理选择同时决定着施工精度的控制。传统整体花瓣吊装方式和空中散支散拼的方式均存在操作性不强的问题。

3.关键施工技术

3.1安装施工总思路

考虑到花瓣结构、横向系杆、拱结构三者的自稳和施工弧度精度、构型精度控制两个关键性问题，选择科学合理的方案尤为重要。

传统整体花瓣吊装方式，整个单一花瓣重量大约120t，并且为弧形构件，在吊装机械选择和吊装点设计上存在不经济性的问题。

高空吊装散支散拼的方式，单个花瓣及光谷拱细分杆件共计约80件，逐个散装散拼焊接工效慢且空中焊接质量难以保障。

新型桅杆提升式安装方案，通过在内外花瓣之间设置桅杆，地面拼装花瓣，最后通过桅杆上的提升装置旋转提升花瓣就位，并同时形成自稳，经过受力分析和验算，此安装方式可行，桅杆承受主要的受力，则需专门设计重型大直径桅杆，同时桅杆位置与光谷拱位置存在物理上的冲突，使得花瓣结构与光谷拱结构无法快速形成自稳体系。分段分块吊装+临时支撑的安装方式，在地面或工场分段拼装花瓣结构，并分块空中吊装，减少高空焊接工程量，同时设置临时支撑，有利于与光谷拱快速形成“局部分段自稳体系、整体自稳体系”，此安装方式可解决安装精度和自稳问题，同时经济性较好。

根据仿生结构的特点和施工的难度与难点，仿生花瓣和光谷拱钢结构采用设置临时支撑架+大型履带吊分块分段吊装的安装方式，单个花瓣造型柱分块重量最大达11t左右，选用2台180t履带吊负责安装。在10m候车层靠光谷带一侧设置吊装及运输通道并加固处理。光谷带两侧花瓣造型柱成对安装，吊装顺序由中间向两侧展开施工。光谷带吊装完成后补装通道上方屋盖网架分块。施工方式如图5a、图5b所示。

3.2临时支撑设计施工关键技术

1)临时支撑整体布局设计

由于花瓣结构采用分段或分块安装，分段处需设置临时支撑以便分段就位。为保证结构、构件在吊装过程中的强度、变形、自我稳定满足相关规范、规程、规定要求，根据仿生花瓣钢结构特点及受力分析计算设置必要的临时安装支撑，使安装过程中的结构能独立构成空间稳定的结构体系。花瓣结构临时支撑采用格构柱体系，每片花瓣均设置临时支撑，根据花瓣的弧度和悬挑长度，结合分片分段的划分，沿花瓣尖设置2～3排，临时支撑布置如下图6、图7a、图7b所示。

2)临时支撑构造设计

根据选定的安装方案，为满足支撑结构的受力和刚度，花瓣临时支撑采用大截面独立钢管支撑，独立钢管支撑截面为Φ609×10mm。支撑上端口设置钢平台，钢平台采用H200*200*8*12以上的H型钢焊接而成；支撑底部设置转换钢梁，将施工荷载传递给楼板框架梁，转换钢梁为双拼HM390×300×10×16及以上规格的H型钢。临时支撑构造形式如下图8a、图8b所示。

同时，花瓣结构在其分块分段位置设置大截面钢管支撑，支撑花瓣结构桁架的两根下弦，如图9a、图9b所示，若相邻两根支撑距离较近，可在两支撑顶部安装一联系型钢，并作为水平施工通道；最外侧分段，可根据下方对应楼层结构局部调整支撑位置，但需使分段的重心位于临时支撑之内。

光谷拱施工时，其与花瓣结构为交叉施工安装，其临时支撑体系设计应综合考虑光谷拱本身自稳问题，以及花瓣结构临时支撑的影响。由于光谷拱结构标高约27m，距离下方出站层结构约40m，若设置临时支持，则其单个支撑达40m，其长细比不满足要求，同时临时支撑的安全稳定得不到保障。考虑其施工过程稳定安全性，光谷拱临时支撑体系采用线性拉结体系。光谷拱梁分段1和分段2安装完毕下部与基础固定连接，上端口采用2根12mm钢丝绳进行拉结，另一端与对应花瓣结构进行固定连接。待光谷拱结构整体安装完毕形成稳定框架结构后拆除相应加固钢丝绳。光谷拱分段及临时拉结体系见图10。

3)临时支撑拼装安装拆除

临时支撑的拼装，临时支撑由下部转换梁、独立钢管、上部操作平台、钢爬梯组成。材料进场后，需先根据对应模型进行临时支撑的安装高度放样，确定独立钢管长度及顶部胎架高度。支撑高度较高的需由2～3根钢管接长，钢管接长对接部位采用加横向封板焊接连接的方式或法兰连接的方式。法兰连接样式如图11所示。

临时支撑拼装场地设置在高架候车层楼面，采用25t汽车吊进行拼装，拼装完成后需将钢爬梯焊接固定在支撑上。临时支撑螺栓连接节点螺栓需拧紧；临时支撑的上下转换节等结构焊缝的焊脚不小于8mm。

临时支撑的安装，临时支撑拼装完成后根据其使用部位选择其对应的合适机械进行安装，主要采用汽车吊、履带吊。临时支撑安装完成后应及时安装其上部结构，并保证连接可靠。支撑吊装就位时应严格控制临时支撑架的垂直度要求，并通过全站仪进行测量控制，并通过揽风绳进行调节。临时支撑架安装完成后，应对支撑架完成情况进行验收。

临时支撑的拆除，当全部花瓣结构和整体大屋盖结构安装完成并卸载后，方可启动拆除花瓣结构临时支撑，必须等待花瓣结构与光谷拱结构全部形成自稳结构体系，同时花瓣结构与大整体建筑大屋盖结构形成整体稳定体系方可拆除临时支撑。临时支撑拆除时同时需满足钢结构变形扰度的控制要求。拆除时仍然采用25t汽车吊在高架候车层楼面拆除临时支撑。

3.3构件拆分关键技术

仿生花瓣结构主要有3种类型：候车室内花瓣、外花瓣和飘带花瓣。根据施工方式，花瓣结构主要以履带吊及汽车吊机械进行吊装安装。根据吊装机械起重性能，如花瓣结构分块重量满足吊装起重性能则分块吊装，若分块重量超重则花瓣桁架与联系杆件分别单独吊装。按照以上吊装方式和施工方式，此类仿生结构的构件的拆分需精细控制，提前模拟。

花瓣结构的构件拆分既要满足起重吊装机械的吊重性能要求，也同时需要考虑自身结构的稳定性。花瓣结构应主要在受剪力最小处进行分段分块拆分，拆分的每一块每一段均需是稳定的单元块。按照此类原则，花瓣结构根据其特点和类型，主要拆分为2～3块，分块处主要集中在花瓣1/3剪力最小处以及内部杆件较少处，有利于分段分块在高空拼接的快速嵌补连接，形成整体稳定结构。花瓣分段分块示意见图12a、图12b和图13。

光谷拱的分段则相对较为简单，基于与花瓣结构为共生自稳性的特点，重点考虑与花瓣结构的连接分段、与花瓣结构柱脚关系分段、光谷圆拱与水平系梁杆件连接的因素。基于此，光谷拱可分5段，见图14所示，其中主要的分段为中间分段，其分段基于圆拱与水平系杆相连接的特点，需于工厂整体铸造加工。光谷拱最重分段约13.5t，安装高度约40m，采用80t汽车吊即可在地面吊装。

3.4吊装安装关键技术

花瓣结构以260t履带吊吊装为主，其吊装半径以外的花瓣结构，则采用80t汽车吊在高架层楼面就近吊装，并依次进行花瓣结构的安装。

1)汽车吊工况分析

飘带花瓣最大分块约17t，80t汽车吊在高架层加固通道，采用33.8m主臂，作业半径14m范围内起重能力达23.5t，可满足吊重要求。

候车室花瓣最大分块约26t，80t汽车吊在高架层加固通道，采用33.8m主臂，作业半径10m范围内起重能力达32.7t，可满足吊重要求。

室外花瓣最大分块约23.5t，80t汽车吊在高架层加固通道，采用42.2m主臂，作业半径12m范围内起重能力达28.1t，可满足吊重要求。如图15a、图15b、图15c所示。

2)履带吊工况分析

室外花瓣最大分块约23.5t，最大安装高度约46m，260t履带吊地面通道选用塔臂工况48m主臂+45m副臂，主臂85°仰角，作业半径32m范围内起重能力达26.2t，可满足吊重要求。吊装工况模拟如图16a、图16b。

3)吊装通道规划与补强

根据高架层楼板受力性能，需对80t汽车吊楼面通道作业进行相应规划；并根据计算应对高架层楼板上80t汽车吊通道进行相应的楼面板增设转换钢梁补强。同时因高架层楼面结构无法行走大型履带吊，考虑到光谷位置为大型洞口，同时由于光谷部位区域地下贯穿地铁通道，而履带吊需跨地铁作业，故亦需要对地铁结构进行加固。在其下地铁顶板放置转换钢梁并高出楼面10mm，再在转换钢梁上铺设路基箱，使得施工过程中，施工荷载通过路基箱只传递给框架梁，而不传递给楼板；由于地铁顶板跨度较大，则需在跨中设置回顶措施以分摊荷载，每块路基箱回顶处采用2根钢管(D609*10,Q235B)支撑，如图17所示。

3.5卸载关键技术

1)临时支撑结构卸载控制

在卸载前，应进行施工模拟，并根据模拟结果确定卸载顺序和时间。花瓣钢结构在卸载过程中严格按照要求对支撑顶部的胎架模板分条割除的办法进行卸载，根据支撑位置卸载位移量控制每次割除的高度△H(每次割除控制在10mm左右)，直至割除后的钢结构不再产生向下的位移后拆除支撑，如图18所示。

2)卸载变形控制观测

为了保证安全有序地卸载，根据理论分析计算结果，在卸载过程中需要对卸载桁架杆件进行变形观测，观测点布置在变形较大区域的靠近下线杆件外表面及施工关键节点处，其竖向变形为钢结构挠度值。施工监测点布置如19～20图所示。

3.6焊接控制及安全控制关键技术

此类仿生类钢结构，焊缝多，且精度要求高，多数弧形构件及屈曲杆件的应采取相关控制措施，对焊接应力应变进行控制。收缩量大的先焊，在焊缝较多的组装条件下焊接时，采取先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量小的焊缝；先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度小而自由收缩的焊缝。箱形接头的焊缝，宜先同时对称焊两侧的腹板，再焊接下翼缘，而后焊接上翼缘。当使用厚板时，须轮换对称焊接腹板、翼缘板；锤击法减小焊接残余应力，对特殊节点必要时在每层焊道焊完后立即用圆头敲渣小锤或电动捶击工具均匀敲击焊缝金属，使其产生塑性延伸变形，并抵消焊缝冷却后承受的局部应力。但根部焊道、坡口内及盖面层与母材坡口的两侧焊道不宜捶击，以免出现熔合线和近缝区的硬化及裂纹；多层多道焊，在焊缝填充量相同的条件下，多层多道焊接能很好地防止焊接变形，因此对现场所有坡口对接位置须采用多层多道焊接；对称焊接，采用两名焊接速度基本相同的焊工同时从两个对称面开始焊接，直到该焊缝焊接完成，减小焊接结构因不对称焊接而发生的变形。

在花瓣结构及光谷拱构件安装过程中，施工人员需到达分段对接或嵌补杆件安装位置进行构件安装或焊接等作业，由于花瓣结构和光谷拱构件都为拱形，因此安全措施分别针对下段弧度大、上段较平缓的特点采用相应措施。下段采用在构件上或临时支撑上固定爬梯的防护措施，上段采用钢跳板通道，同时在侧面设置立面防护安全绳，在光谷拱下段焊接钢爬梯通道，两侧设置立面维护安全绳；在花瓣结构上段固定钢跳板，立面设置安全绳，以保证嵌补构件焊接的安全。如图21～22所示。

本实施例通过花瓣状仿生钢结构安装的关键难题分析，提出了相应的合理的安装方式，可为类似仿生建筑的建设实施提供经验参考。

本实施例针对仿花瓣状钢结构的施工安装分析了相关技术难题难点，同时结合仿生结构特点提出“桅杆安装”、“花瓣与拱结构协调安装”等施工方式，并进行综合分析比较论证，对此类仿生花瓣结构提出较为合理的施工方式。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种花瓣状仿生钢结构屋盖的施工方法，其特征在于其中花瓣状仿生钢结构屋盖包括：

多个仿生花瓣单元(100)，其包括呈弧形延伸的花瓣柱(101)以及由所述花瓣柱(101)延伸而出的，同样呈弧形延伸的花瓣悬臂梁(102)，多个仿生花瓣单元(100)排布在一对向上的楼面外缘，并生根锚固于楼面梁上，延伸方向朝室外，形成外围护结构(200)，与外围护结构(200)相对的，使多个仿生花瓣单元(100)排布在室内，并生根锚固于楼面梁上，延伸方向朝室内，形成内围护结构(300)，外围护结构(200)与内围护结构(300)的仿生花瓣单元(100)间隔设置且一一对应，所述外围护结构(200)呈圆弧段排布，所述内围护结构(300)沿所述圆弧段圆心角对应的弦线方向排布，但始终与外围护结构间隔，所述内围护结构(300)分成两排，使外围护结构(200)圆弧段的端部也间隔对应有内围护结构(300)；

位于外围护结构(200)与第一排内围护结构(300)之间的拱形支撑结构(400)，所述拱形支撑结构(400)拉结外围护结构(200)的仿生花瓣单元(100)的花瓣柱(101)以及内围护结构(300)的仿生花瓣单元(100)的花瓣柱(101)；

位于外围护结构(200)圆弧段端部与第二排内围护结构(300)之间的桁架支撑结构(500)，第二排内围护结构(300)高于第一排内围护结构(300)，则使桁架支撑结构(500)拉结第二排内围护结构(300)的仿生花瓣单元(100)的花瓣柱(101)以及外围护结构(200)的仿生花瓣单元(100)的花瓣悬臂梁(102)；

位于一对向上的内围护结构(300)之间的多排屋盖支撑柱(600)；

屋盖网架(700)，其分块安装在外围护结构(200)、内围护结构(300)以及屋盖支撑柱(600)上；

所述拱形支撑结构(400)包括：

实腹拱(401)，其两拱脚分别埋设于外围护结构(200)的仿生花瓣单元(100)的花瓣柱(101)所在的楼面梁上以及第一排内围护结构(300)的仿生花瓣单元(100)的花瓣柱(101)所在的楼面梁上；

上拉杆(402)，其设置在实腹拱(401)的顶部，其两端分别延伸至外围护结构(200)的仿生花瓣单元(100)的花瓣柱(101)以及第一排内围护结构(300)的仿生花瓣单元(100)的花瓣柱(101)上，并固定连接；

仿生花瓣单元(100)采用呈弧形延伸的两榀悬挑双曲桁架(104)以及交叉连接在两榀悬挑双曲桁架(104)之间的系杆(103)形成；

所述仿生花瓣单元(100)划分为用于组成外围护结构(200)的候车室外花瓣单元(105)、用于组成第一排内围护结构(300)的候车室内花瓣单元(106)，以及用于组成第二排内围护结构(300)的飘带花瓣单元(107)，所述飘带花瓣单元(107)排成一排时，顶部采用外形呈波浪起伏的桁架依次连接，支承在仿生花瓣单元(100)上；

所述候车室内花瓣单元(106)与飘带花瓣单元(107)的花瓣柱(101)下端设置钢结构基础(109)固定埋设在楼面梁中；

屋盖支撑柱(600)与屋盖网架(700)之间固定设置主桁架梁，沿楼面外缘的一侧屋盖网架采用外形呈波浪起伏的桁架依次连接，支承在楼面外缘上方；

部分仿生花瓣单元(100)下设滑动支座；

上拉杆(402)与所述花瓣柱(101)采用插板焊接；

上拉杆在横向上采用刚性环梁连接在一起；

所述仿生花瓣单元(100)拆分为2～3块安装，拆分位置取在受剪力最小处，并选择在此位置的内部杆件数量最小处；

其中，施工方法具体包括如下步骤：

S1：采用分段分块吊装和临时支撑的安装方式，在地面或工场分段拼装仿生花瓣单元(100)，并分块空中吊装，临时支撑结构(800)设置在仿生花瓣单元(100)下侧，采用分段分块吊装和临时支撑的方式安装拱形支撑结构(400)；在拱形支撑结构(400)所处位置设置吊装及运输通道并加固处理，通道两侧的仿生花瓣单元(100)成对安装，吊装顺序由中间向两侧展开施工，拱形支撑结构(400)吊装完成后补装通道上方分块的屋盖网架(700)；仿生花瓣单元(100)沿楼面一对向外缘安装以形成两头圆弧段的外围护结构(200)，与外围护结构(200)相间隔的，仿生花瓣单元(100)沿圆弧段的圆心角对应的弦线安装形成第一排内围护结构(300)，外围护结构(200)与第一排内围护结构(300)之间则为所述拱形支撑结构(400)；

S2：在一对向上的内围护结构(300)之间设置多排屋盖支撑柱(600)；

S3：在外围护结构(200)、内围护结构(300)以及屋盖支撑柱(600)上分块安装屋盖网架(700)；

S4：卸载临时支撑结构(800)；

所述S1中，临时支撑结构(800)包括设置在仿生花瓣单元(100)分段处的独立钢管支撑(801)，其设置在本层楼面以及下层楼面上；独立钢管支撑(801)下端设置转换钢梁(802)垫在楼面上，独立钢管支撑(801)上端设置钢平台(803)，支撑时，使分段的仿生花瓣单元(100)重心位于两根独立钢管支撑(801)之间；临时支撑结构(800)还包括用于分块提升所述屋盖网架(700)的格构支撑(804)，格构支撑(804)采用3个为一组设置，分别设置在三角形式的转换钢梁(802)的角位上，以形成提升支架(805)，转换钢梁(802)焊接在预埋于楼面梁的埋件(806)上；临时支撑结构(800)还包括胎架模板支撑(808)，以及位于两个胎架模板支撑(808)之间的胎架模板(809)，所述胎架模板(809)中间具有弧形缺口以贴合仿生花瓣单元(100)的桁架杆件(108)；

沿所述独立钢管支撑(801)上下分布有钢爬梯(807)；

当用于支撑一个仿生花瓣单元(100)的两根独立钢管支撑(801)之间的距离小于预设距离时，在两根独立钢管支撑(801)之间安装联系型钢，并作为水平施工通道；

所述拱形支撑结构(400)分段吊装时，其临时支撑体系采用线性拉结体系，将拱形支撑结构(400)分两侧拱脚段和中间拱顶段，先将两侧拱脚段下部固定连接于仿生花瓣单元(100)所在楼面梁上，再采用钢丝绳(810)拉结拱脚段和仿生花瓣单元(100)的花瓣柱(101)，当拱脚段稳定后，再吊装中间拱顶段；

所述独立钢管支撑(801)采用横向封板焊接连接的方式或法兰连接的方式进行接长。