铝合金单层网壳结构在大跨度建筑中的应用_毕辉.pdf

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1、铝合金单层网壳结构在大跨度建筑中的应用 毕辉 欧阳元文尹 建 上海通用金属结构工程有限公司，上海 上海通正铝业工程技术有 限公司 ，上海 摘 要 铝合金单层网壳结 构，是铝合金空间 网格结构的典型代表 形式 ，国外常称为铝合金穹顶 结 构或 铝合金薄壳结 构。其节点 为板节点体系，承重结构的杆件断面形式主要为工字铝合 金 。该结构形式主要特征为： 材 料耐腐蚀性能好 、结构 自重轻 、 工厂高精度预制标 准 化 、 全装配式施工 工艺简单快速、 防渗漏性能优越、承重结构与维护结 构二合 一 、单层 结构空 间占用少、多功能 一体化 、材 料回收率高等 。其主要技术 难点在于设计下料、材料加工质

2、 量控制 、安装方式的选择 及安装措施的应用。 铝合金单层网壳结构早期主要应用在民用公 共建筑中 （比如体育场馆 、科技馆、温室展览馆等 ） 。随着铝合金材料热挤压技术及数控 加工工艺的不 断提高， 材料成本逐步下降 ，建筑 性价比日渐提高 ， 铝合金单层网壳结构 也 开始应用在工业领 域。包括石油储罐拱顶、大 型储煤场建筑屋盖。本文主要从铝合金单层 网壳结 构的特点、技术难点、应用实例等几方面进行分析，可为铝合金单 层网壳结构的应 用提供参考。 关键词 铝合金结构 ；单层网壳； 大跨度；应用 概述 铭合金材料 铝合金材料在建筑业中的应用已有 多年的历史。通常作为建筑围护、辅助材料 ，如铝合金

3、门窗 外框、玻璃幕墙支撑体系、铝合金幕墙维护体系等。欧美国家在 世纪 年代开始研究在建筑承重结 构中应用铝合金材料。不同合金的铝合金材料有余种之多，应用在铝合金单层网壳结构中的承重杆 件通常采用 系形变铝合金材料 。成品材料主要通过热挤压成型。 铝合金结构的 发展史 年加拿大在河上建造了总长为 的铝合金拱形公路桥 ， 双曲拱的跨度 高度，重量，若采用钢结构大约需要 ， 整个桥梁三个半月建成 。类似的铝合金桥梁还 有年德国的吕嫩运河桥、年英国建造的开启式桥梁、日本兵库县的金庆桥、英国桑德兰双叶 吊桥以及近年的中 国上海徐家汇商业区漕溪北路的人行天桥等。这是铝合金材料在桥梁结构上的早期应 用及发展

4、。 年英国建成的伦敦机场的特大型机库，长 ，宽度三跨共 年英国建造了 另 一个 的机库，均采用了铝合金材料作为承重结构。 网壳是铝合金结构最典型的屋盖形式，年在莫斯科萨克尼利卡公园内为美国博览会建造了 一 座直径高的网壳 ，整个结构耗铝合金材料约 。年比利时建成的商业仓库 铝合金结构屋盖 ，均是铝合金结构的早期代表作。 年由美国人富勒先生首创了短线程球面设计模型 ，这是铝合金结构建筑一个划时代的创举。 钢结构住宅和钢结构公共建筑新技术与应用 此时铝合金结构大跨度建筑在美国开始被广泛使用。从北极雪地到太平洋热带岛屿 ， 至今在全世界共有 多个项目在安全运行。 年建设的上海长 宁体操中心采用了铝合

5、金单层网壳结构形式 ，这是中国第 一个铝合金金单层网壳 结构在大跨度公共建筑中的应用，该建筑是 一个跨度为 的标准网壳 ，见图 。之后 ， 铝合金结构在中 国开始被逐步接受和应用。最近建成的 一个比较有代表意义的 铝合金结构大跨度公共建筑是位于成都的中 国顾拜旦现代五项游泳击剑馆，这是 一个游泳击剑 两馆合 一的建筑 ，最大跨度达 ，见图 。 图上海长宁体操中心图中 国顾拜旦现代五项游泳击剑馆 主要应用领域 铝合金单层网壳结构是理想的大跨度空间结构形式 ，铝合金自重轻的特性对大跨度空间结构非常有 利 ，按目前的技术水平，理论上可以做到跨度超过 的建筑。铝合金结构发展早期 ，因为铝型材热 挤压机

6、吨位限 （ 一般在 吨位） ，挤压成本高，高额的数控精加工费用也是主要成本组成，与 钢结构相比 ，铝合金结构总体造价较高 。 因此主要应用在 一些要求较高的 民用大跨度公共建筑中 。近 年 ， 一方 面铝型材热挤压机吨位不断提高（吨位），挤压工艺不断成熟，挤压成本有所下 降。数控精加工技术也获得提高和普遍，成本下降 。与钢结构相比 ，铝合金结构的性价比优势越来越明 显。因此 ， 除了民用公共建筑领域 ，铝合金结构也发展应用到工业领域。应用比较广泛的工业建筑领域 有大型煤炭堆场顶盖、石油储罐拱顶。 特点 材料耐腐蚀性能好 本文所介绍的铝合金单层网壳结构其主要材料采用 系铝合金材料。其结构用材表面

7、 一般 为轧制亮度即可，不需做特殊表面处理即可达到建筑防腐要求，可终生免维护。如果需要比较特殊的建 筑质感或色彩 ， 表面可进行阳极氧化 、烤漆等工艺处理。此种铝合金材料非常适合高温高湿 、 海边污染 环境下使用 ， 甚至可用于酸性污染环境下而不被腐蚀。因此在游泳馆 、温室展览建筑、石化行业、煤炭 储备堆场、海边环境等领域的使用具有明显优势，包括应用在杆件外露的建筑中。 结构自重轻 此种 系铝合金材料的密度在 ，但抗拉强度却达到了近。加上结构是 完全自支撑体系，因此形成了 一个大跨度 自重轻的结构。在同等体型同样跨度的建筑中 ，对于结构自重 进行实际计算值的对比分析，铝合金结构 一般 是钢结构

8、的 左右。以中国成都顾拜旦游泳击剑馆工程 为例。最大跨度 左右 ，而且整个壳体置于 一个高差近 的混凝土圈梁上 ，壳体结构受力和稳定 处于较为不利的状态 。最后建成 ， 铝合金结构用量在 。如果主结构采用钢结构管桁架 ， 钢结构 用量在左右 。通过对比可以看出 ，铝合金结构自重明显减轻。铝合金结构用铝型材强度 指标详见表 。 第二部分 钢结构公共建筑 结构常用铝合金管材、型材力学性能标准值表 规定非比例 抗拉强度 伸长率 直径壁 厚 合金牌号产品类型 状态 ，、 伸长应力 彡 挤压棒 彡 挤压管、挤压型材 所有 挤压管、挤压型材 所有 工厂 高精度预制标准化 铝合金结构的结构型材 、节点板、面

9、板所有材料均为工厂预制产品 ，而且大部分工艺环节必须采用 数控加工 ，以保障加工精度 ，达到安装的效果 。工厂预制包括两个主要环节。 一个是铝 型材的热挤压、 辊轧工艺 。 一般工业铝 型材的热挤压、辊轧均参照工业用铝及铝合金热挤压型材 。按此标准挤压轧制出的铝合金型材外观质量不能满足铝合金单层网壳结构的精度要求 ， 必须进行 精整工艺。 二是成品素材进行的二次数控精加工。主要包括数控冲 、钻、铣、切 割、折弯等工艺。所有 构配件 ，因为规格的多样性、复杂性，无法替用 ，所以必须全部编号区分。 成品材料的节点板预制弧度、孔心距等尺寸误差要求均应控制在 以内。所有材料均是在 工厂加工完成品，而且

10、所有结构用构配件均是标准化产品，成套组合使用，不能任意改变其配套要求 。 标准化、高精度的加工工艺 ， 保证了建筑结构的精确化 、 标准化 。加工状态见图 。 全装配式施工工艺简单快速 承前所述 ，所有构配件均为工厂标准化制作。施工现场几乎没有任何冷加工，也基本无需焊接工 艺。现场全部采用螺栓铆接工艺 ，标准化程度极高。主体结构、面板等全部采用装配式安装 ， 制作时均 作了模块式处理。 结构安装也基本是散装方式 ，不需要大型机械辅助，安装场地半径小，地面道路要求低。这都形成 了比较简单的安装方式。而且，全装配式安装节约了大量工期 ， 一般是 钢结构安装工期的 一半 。 一个 的单层网壳结构 ，

11、结构全部安装完成大概在 周左右。安装现场状况见图。 ：，： 、 图 材料加工状态图 安装现场状况 防渗漏性能优越 构配件全部工厂标准化制作 ，全装配式的安装方式，保证了建筑的精密性，这为建筑防水提供了 一 道有力保证 。 同时铝合金单层网壳结构也采用了先进的防水体系 。首先防水体系的所有措施配件全部是 开模制作 ， 标准化 、精密度很高 。其次防水采用的是公母扣压紧式方式 ，结构、面板、防水胶 条 一 体 钢结构住宅和钢结构公共建筑新技术与应用 化 ，面板参与结构受力， 让防水胶条与面板精密结合 ，牢固可靠。防水构 造参见图。 承重结构与维护结构二合 一 铝合金单层网壳结构的另 一 个最大特点

12、在于 ， 主体承重结构与维护结构二合 一 。主体承重结构的杆 件为热挤压成型 ，断面可塑性强 。在设计热挤压模具时 ，就考虑了维护结构的构造措施 。 因此主体承重 结构杆件也是维护结构支撑杆件 。这种构造措施 ， 在建筑构造上是非常优秀的 ，它比通常建筑与结构分 层构造的方式有明显优越性在于：首先减少了 中间转换次龙骨 （檩条等），减少了次结构的用量 ；其次 ， 减少了施工环节 ，避免交叉施工，缩短施工周 期 ；再次 ，主体结构与维护结构 一体化 ， 一种材料 ，热胀 冷缩引起的建筑变形非常小 ，减少建筑表面的破坏 。最后 ，主体承重结构与维护结构二合 一也降 低 了网 壳的总体构造厚度 ，

13、节约了空间 。 单层结构空间占用少 本文介绍的铝合金网壳均指单层结构 ，主结构杆件基本为工字形和矩形 。工字形铝合金型材上下两 块翼板通过上下两块节点板连接 ，所有连接均用定制铆钉铆接，形成单层稳定的结构形态 。这种结构形 态十分轻巧。以成 都顾拜旦现代五项游泳击剑馆为例，单层结构的总体厚度（包 括 维护结构）在 左右。如果采用 钢结构管桁架，结构高度可能达 以上。减少 左右的结构 高度， 一 带来了视觉上的轻盈感 ， 二节约了结构空间占用量 ，增加建筑空间使用量。因为结构降低减少建筑空间 浪费 ， 在室内空调 、灯光的配置上 ， 也降低了配置指标 ， 减少了设备投入量 ，节 约了日常营运费用

14、的投 入。因此 ，单层结构的采用既带来了建筑视觉上轻巧通透的美感， 又降低了建筑成本的投人。从图可 明显感受到这种铝合金单层网壳结构的建筑美感。 酬職 图防水构造图 湖南省政府中庭 多功能 一体化 本文所介绍的铝合金单层网壳结构 ，其实是 一个多功 能 一体化组 合屋盖。在民用公共建筑中 ，整个 网壳聚合了结构 、建筑、防水、保温、吸声、内装饰、通风、采光、 吊挂 、检修、清洗等全部功能。而 且整个网壳的功能集成都是 一体化的 ，全部安装也是 一 步到位的 。 这就避免了 以往传统建筑中 ，结构 一 个专业、外围护是 一个专业 、内装饰是 一个专 业、附属功能又分多个专业的弊病。专业 一多 ，

15、施工就复 杂 ，程序麻烦 。多功能组合屋盖对提高建筑效能大有帮助。 材料回收率高 铝合金材料易回收，再处理成本低，再利用率髙 ，回收价值高 。相对于钢材 ，铝合金材料的回收率 提高了近。这 一点 决定了铝合金材料是节能环保的材料。 技术难点 设计 铝合金单层网壳结构的设计可分为两个层次， 一个是结构设计 。结构设计方面重点及难点是结构稳 定性分析 。这个问题在其它论文中已有详细介绍，在此不赘述。 另 一个设计便是模具及加工安装 图设 第二部分钢结构公共建筑 计。模具的设计要根据结构计算的结果所决定的杆件规格、断面形式进行 ，每个工程都不 一样 。同 一个 工程不同部位不同的杆件需要不同的模具。

16、模具设计的误差十分重要，将直接影响 到构配件的加工精 度 ，而且模具的误差到构配件的误差将有扩大效应。模具误差超出标准，将会严重影响精加工、安装 、 使用的质量。加工安装图设计是直接指导工厂标准化制作和现场拼装的标准文件。从建成的铝合金结构 建筑来看 ， 一般为 了追求建筑造型的美感和差异化，网壳曲面都富于变化，造型丰富。这样决定了铝合 金单层网壳结构杆件、节点板的多样性及复杂性。以上海辰山植物园温室展览馆为例 ，基本没有相同的 杆件、相同的节点板。所以加工安装图的设计十分繁琐复杂 ，而且是用于指导加工和安转，尺寸方位标 注均需要清晰、可靠。 材料加工质量控制 铝合金单层网壳结构因为是工厂预制 ，现场全拼装，对材料的加工质量要求严格。加工分为两大 块 ： 一是原材料的热挤压加工 。 一般工业铝 型材的热挤压 、辊轧均参照工业用铝及铝合金热挤压成 型 。按此标准挤压轧制出的铝合金型材外观尺寸误差不能满足铝合金单层网壳结构 的精度要求 ，必须在此基础上提高要求 。提高原材料的精度 ， 一方面要改进工艺 ， 同时要更换部分环节 的设备。这些