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鸟巢LED网幕技术详解之钢结构篇

来源:数字音视工程网        编辑:航行150    2016-12-23 10:02:25     加入收藏

摘要:2014年APEC会议LED网幕巨幅屏幕透过鸟巢钢桁架的不规则空隙向来宾演示视频。整个网幕依附鸟巢西侧立面,呈弧形曲面,受鸟巢结构形式的限制,施工难度大...

  摘要:2014 年 APEC 会议 LED 网幕巨幅屏幕透过鸟巢钢桁架的不规则空隙向来宾演示视频。整个网幕依附鸟巢西侧立面,呈弧形曲面,受鸟巢结构形式的限制,施工难度大。作者介绍了 LED 网幕工程的施工技术,针对施工难点,对主要施工方法进行了非常详细介绍,这样难度的技术实战经验实在难得,值得留存。

  2014 年 APEC 会议 LED 网幕巨幅屏幕透过鸟巢钢桁架的不规则空隙向来宾演示视频。整个网幕依附鸟巢西侧立面,呈弧形曲面,受鸟巢结构形式的限制,施工难度大。作者介绍了 LED 网幕工程的施工技术,针对施工难点,对主要施工方法进行了非常详细介绍,这样难度的技术实战经验实在难得,值得留存。

  1  工程概况

  鸟巢 LED 网幕工程是在鸟巢西侧弧形立面外柱的内侧安装的一块巨幅屏幕,该屏幕由 LED 光源阵列形成。整个网幕呈弧形曲面,总 面 积 约13 000m2 ,施工全部为高空作业,网幕最高点距地面57.725m,最低点距地面3.000m,弧线长度约 232m,最终透过鸟巢钢桁架形成不规则空隙向外演示奇幻的视频效果。

  鸟巢外形结构主要由巨大的门式钢桁架组成,钢桁架截面 1.2m × 1.2m,钢结构屋盖长轴339.20m,短轴 291.55m,钢桁架地脚长轴327.14m,短轴 268.35m,体育场结构组件相互支撑,形成了不规则网络状构架。

  2  工程特点与难点

  该网幕由 3 步安装完成,首先将8mm 钢丝绳通过专用绑扎带及专用连接件捆绑在鸟巢西侧面外柱的内壁之上,要尽可能减少在鸟巢外立面上露出影响美观的部件,安装的所有部件颜色均采用与鸟巢相一致的银灰色。钢丝绳分垂直和水平方向设置,将钢丝绳张紧后形成间距 1. 2m×1.25m 的钢索网,然后在钢索网上安装尺寸为1.2m×2.5m,由Φ3 钢筋焊接而成的钢筋网片,网片自重约 1. 7kg /m2。最后在钢筋网片上安装LED条形光源,灯LED条 8kg /m2 。

  1) 由于不能在鸟巢原结构钢桁架上施焊、开孔,通过捆绑的方式将钢索网挂在鸟巢外柱内侧并进行适度张紧,保持稳定。

  2) 整个网面呈异形曲面,尺寸巨大,施工中需视钢桁架与网幕网格位置、斜度关系,采用多种方式分别进行捆绑、张拉、连接、紧固等操作,且操作点位繁多,网幕还需依据钢桁架的不规则走向划分单元。

  3) 所有操作均为高空作业。施工人员高空作业无法利用鸟巢自身主体结构,完全依靠外部设备形成操作平台登高作业。施工采取汽车式起重机安装操作平台、登高平台消防车、多种型号高空作业平台和剪刀式升降车等多种设备相互结合的形式来完成网幕安装。

  4) 鸟巢设施管理部门要求施工中不得损坏钢桁架表面涂层,采取措施防止损伤地面石材。

  5) 施工期间鸟巢大型商务活动、体育赛事较多,施工不得影响活动的正常开展。

  6) 鸟巢作为首都重要的游览景区,日均接待数万名游客游览参观,施工过程中要求安全、环保与文明施工。

  3主要施工方法

  3. 1 网幕施工工艺流程

  测量放线→划分施工区域及设备布置 →钢索网安装→钢筋网片安装→LED 灯条安装→调试及配合运行。

  3. 2 测量放线

  3. 2. 1 施工区域划分、控制测量,中心线测量

  1) 在鸟巢西约 200m 处、水立方东侧设观看

  LED 网幕表演的主席台。施工要求网幕竖向中心线与横向标高线垂直。原设计 LED 网幕弧长320m,高度从地面 3. 0m 向上直至鸟巢顶部。因鸟巢俯视图和侧视图均为弧形且上大下小,为便于控制安装精度,将网幕分为 15 个区( 见图 1) 。钢索网形成后,组委会决定将 LED 网幕由原弧长 320m 变更为弧长 232m,共 11 个区,南、北两侧各消减 2个区。

1.jpg

  图 1 原设计方案鸟巢施工分区

  2) 控制测量方案 以水立方东广场地板砖轴向为依据验测鸟巢长轴、短轴平面数据。验测无误后以鸟巢西侧椭圆底层外 2 圈 P9 菱形柱作为网幕中心,按鸟巢原设计图找出向南、北两侧 P1 ~ P13菱形柱处 1 圈 X 柱形外柱脚,相邻两个外柱脚连线,相邻两个内柱脚连线,各内外柱脚连线的角垂直平分线向四周延伸与西部基准线交点作为各区的竖向中心线控制点,绘制 CAD 图形( 见图 2) ,各区竖向中心控制线平面图形状呈向四周放射形,互不平行,各区竖向中心线立面图形状呈矩形,宽度上下相等,互相平行,因下部向圆心收敛从感观上呈扇形。

2.jpg

  图 2 各区竖向中心控制线平面( 单位: m)

  3) 基准线测设 在观礼主席台中心与鸟巢短轴方向线上,距鸟巢钢柱西外侧 93m 处定一基准线中心点,在中心点安置经纬仪以观礼主席台中心为后视向北方设 90°,采用正倒镜法一测回取中、距离300m 定基北,再以基北为后视向南采用正倒镜法一测回取中、距离 300m 定基南。按 CAD 图解垂直平分线与基准线中心线交点数据,在基北、基南线上定线量距分别定出北 1 至北7、南 1 至南 7,作为各区竖向中心线控制点,编号绘图。

  4) 竖向中心线测设 将经纬仪安置于南、北各基线点上,后视较远的基南或基北向鸟巢西侧钢柱方向转相应角度,校核各脚连线中点无误后,在钢柱东侧面,前方测量人员站在施工车或施工平台上用吊线坠法,依据观测者指挥标定出竖向中心线、贴红色胶条作为标记,每个工作面竖向中心线应确保有 2 条。

  3.2. 2  水准测量

  1) 高程控制 在鸟巢西侧用水准仪 + 水准尺实测地面标高,取地面标高平均值,作为鸟巢 LED网幕工程水准点。

  2) 标高基准线测设 标高基准线测设采用换人 2 次仪器高法,2 次仪器高必须 > 100mm。在鸟巢西侧钢柱东面依次测出 3. 25m 标高基准线贴红色胶条作为标记,然后换人再次架设仪器逐个检查第 1 遍测设的标高基准线误差 < 5mm 方可使用,否则应改正。

  3) 鸟巢上部标高控制线测设 上部标高测设与普通标高测法不同,因鸟巢立面周圈为椭圆形且上宽下窄,网幕是斜面所以不是测垂直高差而是测斜高。因此要事先计算出 10,20,30,40m 标高控制线的斜长然后采用两次仪器高 + 调钢尺法,先安置水准仪,前方测量人员站在施工车或施工平台上,在鸟巢西侧的钢柱东面( 或南北面) 上部需测设标高位置,竖向垂下钢尺 0 点在上,用仪器观测、上下摆动钢尺到事先计算好的控制线应读数后,让上部的操作人员在钢尺 0 点做出红色胶条标记,待上部所需测设标高全部完成,然后换人再次架设仪器逐个垂下钢尺检查第 1 遍测设的标高误差 < 5mm 方可使用,否则应改正,标高基准线、控制线如图 3所示。

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  图 3  标高基准线、控制线立面

  3. 3 区域施工单元划分及设备布置

  1) 按照钢桁架的位置、斜度将整个网幕划分为上、中、下部 3 个层次,结合 11 个分区将工程分为南、北两大施工区域。安装时精确到每根钢丝绳、每个绑扎带连接件的具体位置。施工过程中利用该图编制每天的施工进度计划,进度控制细化到每个单元的完成时间,做到直观准确。同时,在该图上将施工人员标注在所施工的区域内,实现每个区域可追溯性,提高施工人员的责任意识。

  2) 网幕安装最高处 57. 725m,施工中采用多种高空作业设备,保证施工绝对安全。工程高峰投入各类高空作业设备 20 台,其中 28 ~ 43m 直臂式高空施工平台车 10 台,60m 登高平台消防车 2 台,16m 剪式升降车 4 台,130t 汽车式起重机 4 台。在现场有限的区域内根据设备作业高度范围合理布局设备站位,形成有序的流水交替作业。按照施工进度要求以及施工区域高度,将设备分成 3 个施工高度范围,25m 以下采用剪式升降车和 28m 高空作业平台; 25 ~ 38m 采用 32,43m 高空作业平台; 38m至顶部采用 130t 汽车式起重机安装施工平台和60m 登高平台消防车。

  3. 4 钢索网安装

  3. 4. 1 上部区域

  1) 绑扎带连接件安装  鸟巢钢结构桁架不允许焊接、开孔作业。按防火、颜色和绑扎形式定制了特殊绑扎带,专用连接件与绑扎带接触位置做倒角处理,并设计定制了橡胶护垫,实现了对钢桁架的有效保护。连接件的绑扎形成了可靠的连接固定点,同时又利用连接件的高度,使钢索网与钢桁架保留一定距离方便 LED 灯条安装。通过连接件实现了柔性连接与刚性连接的完美过渡。连接件结构形式如图 4 所示。为获取绑扎带和连接件受力后的变化情况,进行了横向、竖向拉力试验,记录不同力矩条件下连接件的位移、倾斜变化情况,通过试验确定将连接件安装在钢桁架靠近外侧 1 /3 范围内,此时绑扎带对连接件的作用力最大,连接件不易产生位移和倾斜。

4.jpg

  图 4 连接件结构形式

  根据不同受力情况,应用 2 种规格型号的绑扎带及连接件,一种是作为 Φ20mm 钢丝绳钢索连接点,绑扎带破断拉力为 80kN; 另一种是作为 Φ8mm水平钢丝绳连接点,绑扎带破断拉力为 50kN。登高平台消防车或 130t 汽车式起重机安装施工平台分别就位在相邻钢桁架立柱旁,2 台设备为 1组配合施工。按照单元图中绑扎带的位置逐一进行安装。依据测量给定的连接件标高水平方向每隔 1. 25m 设置 1 处,将绑扎带缠绕钢桁架一周,挂好索扣转动索紧手柄使绑扎带轻微受力,此时将绑扎带上的护角( 8mm 橡胶垫板) 就位在钢桁架四角,将连接件就位在钢桁架内侧,然后反复提拉手柄将绑扎带索紧,安装完成后对紧固、护角、连接节点情况进行检查确认,将绑扎带索紧手柄锁住。

  2) Φ20mm 钢丝绳钢索安装  钢索网顶端与屋面膜片相邻位置采用  Φ20mm 钢丝绳作为上钢索,先将  Φ20mm 钢丝绳一端与绑扎带上的连接件使用3 个钢丝绳夹连接,另一端绳头拉到相邻连接件位置,使用钢丝绳拉紧器将钢丝绳张紧,调紧拉力约5kN 为宜。将绳头穿过连接点上的花篮调节螺栓吊环( 花篮螺栓型号为 3 /4 × 12,最大调节行程304mm,额定荷载 23. 6kN) ,用 3 个钢丝绳夹将钢丝绳端头夹紧,之后拆掉拉紧器,利用花篮调节螺栓将钢丝绳绷紧。钢丝绳张紧方法如图 5 所示。

  在钢丝绳跨度较大处利用膜片排水檐沟下方的加劲钢板原有圆孔悬挂  Φ14mm 钢丝绳与  Φ20mm钢丝绳连接( 见图 6) ,防止钢丝绳受力过大产生下挠。根据钢丝绳倾斜角度,按水平距离 1. 2m 对应位置在钢丝绳上施划标记。

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  图 5 钢丝绳张紧方法示意

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  图 6 上钢索20mm 钢丝绳加固示意

  3) 水平钢丝绳安装   水平钢丝绳采用 Φ8mm钢丝绳,依据测量给定的标高连接件每间隔 1. 25m设置 1 根,相邻钢桁架之间连接件保持水平一致。钢丝绳一端与边缘钢丝绳使用 3 个钢丝绳夹连接固定,保证 1. 25m 间隔,另一端绳头穿过连接件上的花篮调节螺栓吊环,再用钢丝绳拉紧器将钢丝绳拉紧,调紧拉力约 1kN,卡紧钢丝绳夹、调紧花篮调节螺栓然后拆掉拉紧器。由于 Φ20mm 钢丝绳与钢桁架角度相同,故水平钢丝绳安装分 2 种形式,一种是一端与连接件连接,另一端与 Φ20mm 钢丝绳连接;另一种为两侧均与连接件固定,两种连接方式如图7 所示。

7.jpg

  图 7 水平钢丝绳固定形式示意

  4) 垂直钢丝绳安装 垂直钢丝绳采用 Φ8mm钢丝绳,按照在 Φ20mm 钢丝绳水平方向上距离1.2m 做的标记,将垂直钢丝绳上端头利用钢丝绳夹与 Φ20mm 钢丝绳连接,钢丝绳接头处使用 3 个绳夹夹紧。垂直钢丝绳下端头与钢桁架梁捆扎点做连接( 该项作业需在钢桁架梁捆扎点安装后才具备条件) ,将花篮调节螺栓一端吊环与捆扎点钢丝绳连接,另一端与垂直钢丝绳下端头连接,操作人员向上提拉钢丝绳下端头,钢丝绳绷紧,此时使用 3 个钢丝绳夹夹紧,之后利用花篮调节螺栓将垂直钢丝绳张紧( 见图 8) 。

8.jpg

  图 8 垂直钢丝绳安装示意

  5) 钢丝绳十字交叉点安装 水平与垂直钢丝绳十字交叉位置使用定制加工的夹子卡紧,夹子紧固螺栓朝向内侧,从而形成 1. 2m × 1. 25m 钢索网。钢索网要做到横平竖直、间距一致,绷紧力度适中。

  6) 汽车式起重机臂头安装支架式重力调平施工平台完成高空施工。

  因网幕有大量高度在 45m 以上安装区域,采用常规作业平台无法达到此高度,因此采用在汽车式起重机臂头部位安装专用施工平台的方式完成。调平施工平台包括连接在汽车式起重机伸缩臂上的吊架及连接在该吊架上的调平架,吊架为 U 形,U形吊架的两端通过轴与调平架活动连接,汽车式起重机的副臂上有 2 个安装孔,在 U 形吊架的横柄上设有位置调节装置,吊架与调平架在该连接处均通过制动装置以任一角度固定。该平台可以自动调平,360°旋转固定,前后变幅,方便灵活,提高了工作效率和安全性。

  本项目选用徐工 QY100K 型 130t 汽车式起重机作为施工平台的起升机构,起重机主臂 48m,副臂18. 1m,施工平台通过销轴固定在副臂端头。通过起重机的变幅、回转、起落和臂杆伸缩的动作对施工平台进行控制,实现施工平台在空间的移动,贴近作业位置。因鸟巢钢桁架的截面尺寸为 1. 2m × 1. 2m,绑扎钢索网需要在桁架四角操作,因此每个作业面由 2 部施工平台配合完成,每部平台内设置2 人作业。

  3.4. 2  中部区域

  1) 中部区域主要利用 23m 和 43m 高空作业平台配合施工,该区域除垂直钢丝绳安装方式与上部有所区别外,其他施工方法相同。

  2) 垂直钢丝绳安装  中部垂直钢丝绳安装根据钢桁架位置不同分 2 种形式,一种形式为上端与 Φ20mm 钢丝绳钢索连接,下端与钢桁架捆扎点连接,方法同上部区域; 另一种形式为上端在钢桁架上直接捆扎( 见图 9) 。垂直钢丝绳直接捆扎对于钢桁架四角涂层和钢丝绳的保护是需要解决的问题,既要起到保护作用又不能影响整体效果,设计制作了半圆管外侧焊接圆环、内侧加装橡胶垫的专用护角。将垂直钢丝绳绕钢桁架 1 周,钢桁架与钢丝绳接触的 4 个角使用专用护角进行保护。将钢丝绳上端头安装 3 个钢丝绳夹布置在钢桁架内侧,使用卸扣把上端头与钢丝绳连接作为垂直绳,下端安装花篮调节螺栓与  Φ20mm 钢丝绳下钢索连接。

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  图 9  中部垂直钢丝绳安装示意

  3. 4. 3 下部区域

  下部区域采用 28m 高空作业平台车和剪式升降机配合施工,每 2 台为 1 组,整个钢索网距地面3m,最下端钢索采用  Φ20mm 钢丝绳,通过绑扎带将连接件固定后 钢丝绳与连接件使用钢丝绳夹连接( 见图 10) 。 Φ8mm 垂直钢丝绳安装下端依然使用花篮调节螺栓调紧,其他方法同上。

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  图 10  下部垂直钢丝绳安装示意

  3. 4. 4 特殊节点安装

  1) 因鸟巢钢桁架不规则,施工中多处钢桁架柱结构节点位置不具备安装绑扎带连接件的条件,因此利用该节点上下安装好的绑扎带连接件,再安装1 根  Φ14mm 钢丝绳并张紧,形成用于安装水平钢丝绳的钢索( 见图 11) 。

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  图 11  钢桁架特殊位置钢丝绳连接

  2) 钢桁架外柱支撑节点。钢桁架内、外柱支撑节点处,多根钢桁架与外柱连接,造成外柱节点处无法安装绑扎带,垂直钢丝绳也无法贯通,为解决钢丝绳连接问题,采用  Φ14mm 钢丝绳将整个节点处进行捆绑,然后利用花篮调节螺栓张紧钢丝绳,钢丝绳与钢桁架接触的边角使用专用护角进行保护。水平钢丝绳与捆绑在节点位置的钢丝绳连接( 见图 12) 。

12.jpg

  图12  内、外柱节点处钢丝绳链接

  3. 5  钢筋网片安装

  1) 钢筋网片采用  Φ3 钢筋焊接而成,每片规格为 1. 2m × 2. 5m,钢筋竖向间距为 150mm,水平间距为 250mm,自重约为 1. 7kg /m2 。

  2) 钢筋网片作为最后安装灯条的位置依据,要求较高的安装精度,因此网片安装 11 个区域独立进行,每个区域均以垂直中心线向两侧展开,水平方向按照测量给定的 10m 标高线为依据。

  3) 20m 以下范围采用在已安装完成的水平钢丝绳上挂滑轮用棕绳提升到安装高度的方式进行。20m 以上范围使用高空作业平台、130t 汽车式起重机安装施工平台或 60m 登高平台消防车安装,考虑平台的承载能力范围,将钢筋网片一同运到作业位置再逐一进行安装。遇到每个区域的边缘,依据钢桁架柱、梁及梯道位置使用钢丝钳将网片掐断。

  4)钢筋网片使用绑线与钢索网可靠连接,绑扎点不得少于6个/ m2,且均匀分布。

  3.6 LED灯条安装

  1)网片完成安装后,开始在钢筋网片外侧安装LED灯条。38m以下使用28、32和43m高空作业平台配合安装,超过38m位置使用汽车式起重机安装施工平台或60m登高平台消防车进行施工。每2台设备为1组,上、下配合进行安装。

  2)由LED厂家进行地面组装测试,在地面组装成1.2m×10m标准单元,或根据桁架的不规则形状而形成异形单元或单条双根等形式,组装过程不能影响安装进度。

  3)结合鸟巢结构形式按11个区域,首先在每个区域内垂直于中心线位置安装单根LED灯条,作为该区域的垂直中心控制线,以中心线向两边安装1.2m×10m标准单元,使用异形单元把垂直方向的不规则消灭在每个区域的桁架柱边缘;在水平方向每隔10m设置1条水平线,把水平方向的不规则消灭在桁架梁边缘或梯道上下,采用“归零原则”保证屏幕各个方向实现“全”成像。在横向出现异形时,在分区的竖向桁架柱后进行重新归位;在竖向出现倾斜时,安装到10m断层处重新归位,防止产生大面积偏差。LED视频控制器统一安装在10m水平线位置。

  4)40m以下范围采用高空作业平台将施工人员连同灯条单元运送到作业位置,40m以上范围采用在水平钢丝绳上挂滑轮用棕绳提升到安装高度。

  5)LED灯条绑扎。使用绑线将LED灯条与钢筋网片进行绑扎,每根LED灯条距两端300mm处和间距1m处进行绑扎,每个标准单元绑扎大于30个点。遇到斜梁的位置无法按本办法绑扎时,在斜梁两端必须进行双点绑扎加固。施工人员利用设备分别从上、下两端向中间进行绑扎。

  3.7 网幕加固

  待LED灯条完成安装后,因部分水平和垂直钢丝绳跨度较大,使用绑扎带对中间有钢桁架的钢丝绳网幕进行加固,绑扎带直接将钢丝绳及灯条和钢桁架捆绑在一起,防止刮风造成网幕大幅摆动。

  3.8 调试及运行

  按单元将钢筋网和LED全部与钢丝绳连接形成网幕,对绑扎带、吊挂点、钢筋网片与钢索网的连接情况进行全面检查。调试、运行阶段高空作业平台、剪式升降车、汽车式起重机随时配合处理各类情况。绘制运行保障定岗、定位、定责方案,对可能出现的情况编制应急技术方案,全面配合指挥中心演练及演出。

  来源:施工技术

  作者:李庭祥,韩大江,田鹏飞,怀雨楠

  北京首钢建设集团有限公司

  

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