鋼結構技術(shù)論文
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
摘要：合肥國際創(chuàng )新展示館棚罩鋼結構屬于一種空間網(wǎng)格管結構，由于極度無(wú)序的外觀(guān)形狀而被稱(chēng)“合肥鳥(niǎo)巢”。本文全面介紹了這一無(wú)序空間網(wǎng)格管結構的概念設計與施工，包括結構組成、桿件截面和節點(diǎn)形式、節點(diǎn)工法、節點(diǎn)構造、深化設計、加工安裝等。重點(diǎn)介紹了等徑管相貫節點(diǎn)的變換技術(shù)、多枝空間異型節點(diǎn)的構造設計，以弘揚復雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化的設計理念。
關(guān)鍵詞：棚罩 管結構 多分枝空間異型節點(diǎn) 等徑管相貫 焊接節點(diǎn) 相切節點(diǎn)
1. 工程概況
合肥國際創(chuàng )新展示館（圖1、圖2）位于合肥市濱湖新區，建筑面積1.4萬(wàn)?，設計新穎、獨特，由長(cháng)短不一的金屬桿件空間無(wú)序交叉桿組成棚罩。建筑設計理念來(lái)自于兒童積木游戲棒，由其外觀(guān)聯(lián)想而被稱(chēng)“合肥鳥(niǎo)巢”。展館鋼結構平面近似形成一個(gè)不規則六角形（圖3），高約28m，由346根鋼管架設而成。桿件分布復雜，最多處有8根桿件交匯于一點(diǎn)。
圖1 合肥鳥(niǎo)巢建筑實(shí)景照片
圖2 合肥鳥(niǎo)巢建筑夜景照片
2. 結構設計
2.1 結構組成
該工程鋼結構棚罩桿件布置由建筑效果確定。
棚罩桿件大致分為五級：
一級桿件38根，每組三根,空間交叉相貫搭建，且每根落地；二級桿件43根，相貫搭建于一級桿件上，為一級桿件提供支撐，部分桿件直接落地；三級桿件140根，結合一二級桿件相貫搭建,形成圍護折面；一二三級桿件不規則分布，共同組成棚罩鋼結構，屬于“無(wú)序空間網(wǎng)格管結構”。
圖3 合肥鳥(niǎo)巢平面圖
四級桿件93根、五級桿件32根，系為豐富建筑物形體所設置的裝飾桿件，與一二三級桿件相切搭接。
2.2 桿件截面與節點(diǎn)形式
建筑效果要求，整個(gè)工程的所有桿件一律采用直徑d700mm的鋼管，節點(diǎn)形式為相貫、相切、咬合三種。
其中，多管“相貫節點(diǎn)”數量最多，約有上百處，用于一二三級桿件，即結構桿件之間的連接節點(diǎn)，稱(chēng)作“主節點(diǎn)。”四五級裝飾桿件與主管為“相切節點(diǎn)”或“銷(xiāo)貫節點(diǎn)”。由于建筑效果的特別選擇，極少數節點(diǎn)自然形成“咬合節點(diǎn)”。相切節點(diǎn)和咬合節點(diǎn)稱(chēng)作“次節點(diǎn)”。
2.3 結構設計
該結構設計考慮的荷載除自重、恒載、檢修活荷載、風(fēng)、地震外，更重要的是要考慮積雪、結冰、裹冰荷載，以及溫度應力。
由建筑確定布置的桿件較密，空間雜亂交叉。這種雜亂，極度的無(wú)序，實(shí)際上形成了自然的“勻稱(chēng)”，“自然界的相對均勻布置”。無(wú)限相象，可以認為“雜亂的極限趨于均勻”。試想想，鳥(niǎo)筑之巢，桿件密實(shí)，基本勻稱(chēng)，屬于無(wú)序中又些許有序的“編織網(wǎng)殼”。但不存在一般網(wǎng)殼的穩定問(wèn)題，受力變形性能尚可。
據此概念分析和多年的工程設計經(jīng)驗判斷，在建筑要求的結構組成、桿件截面和節點(diǎn)形式等技術(shù)條件下，荷載作用下的結構桿件受力變性性能應該相對次要，安全可靠度容易滿(mǎn)足，主要是構造問(wèn)題，核心問(wèn)題是節點(diǎn)構造。設計應該著(zhù)力最大限度地改善加工安裝技術(shù)條件，盡可能地做到經(jīng)濟、合理。
管壁厚度在滿(mǎn)足加工焊接基本構造要求的前提下，盡可能的薄，以求經(jīng)濟。設計采用d700X10、d700X8直縫鋼管，低碳鋼Q235B。結構受力變形分析結果（另文）驗證了結構設計師初期的概念分析判斷。
2.4 節點(diǎn)工法選擇
節點(diǎn)設計可采用焊接節點(diǎn)，也可選用鑄鋼節點(diǎn)。
鑄鋼節點(diǎn)屬于新技術(shù)，但已成熟，只要構造倒角滿(mǎn)足澆鑄工藝要求，節點(diǎn)應力分析清楚，況且本工程受力相對次要，為此，采用鑄鋼節點(diǎn)，設計最為簡(jiǎn)單。但鑄鋼節點(diǎn)造價(jià)較高，尤其是本工程幾百個(gè)節點(diǎn)，沒(méi)有一個(gè)重復的，如果采用鑄鋼，則勢必一點(diǎn)一開(kāi)模?？峙旅總€(gè)節點(diǎn)的澆鑄工藝必須適應千變萬(wàn)化的分叉交角、倒角的不同條件，技術(shù)難度也不小。致使鑄鋼節點(diǎn)的造價(jià)必定相當昂貴，工期較長(cháng)。
作者秉承“復雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化”的理念，將“復雜建筑簡(jiǎn)單結構，復雜結構簡(jiǎn)單加工安裝”作為結構設計的最高境界。設法運用最簡(jiǎn)單的傳統工法與技術(shù)，將幾何上為相貫、相切、咬合的三種節點(diǎn)全部設計為普通的焊接節點(diǎn)。
2.5 主節點(diǎn)設計
主節點(diǎn)為相貫節點(diǎn)，在整個(gè)工程中有幾百多個(gè)，建筑師追求“等徑”桿件平滑相貫效果。如直接相貫焊接，相貫線(xiàn)切割出的管壁相貫邊口倒角尖銳，無(wú)法保證受力焊縫的焊縫質(zhì)量與焊接外觀(guān)效果。設計采用了“等徑管變徑轉換相貫技術(shù)”，巧妙的選取節點(diǎn)處的一根，尤其是落地管，作為主管，保持d700mm直徑不變；將其它桿件變徑為d400mm，再與主管相貫焊接（圖4）。相貫焊接完成后，再將變徑部分用薄鋼板外包，與直通桿件等徑。
圖4 合肥鳥(niǎo)巢等徑管變徑轉換相貫節點(diǎn)
圖5 合肥鳥(niǎo)巢相切銷(xiāo)貫節點(diǎn)
鋼管縮徑轉換的方法可以多種多樣?？刹捎铆h(huán)布徑向加勁肋將兩個(gè)不等徑管貼角焊，焊縫以受剪為主，構造簡(jiǎn)單，強度可靠。也可采用變徑錐管轉換，等強對接焊接。具體宜結合加工安裝單位技術(shù)條件和經(jīng)驗選用。本工程采用前者。
等徑管變換后，采用的一般主次管（不等徑管）相貫焊接節點(diǎn)，可按照規范[1][2]并參考有關(guān)文獻[3]-[8]進(jìn)行構造設計和承載力驗算。
2.6 次節點(diǎn)
相切節點(diǎn)，用于四五級裝飾桿件與主管的連接，屬于非結構桿件節點(diǎn)，相對次要。設計采用小徑管同時(shí)穿銷(xiāo)兩個(gè)相切主管，與兩個(gè)相切主管相貫焊接（圖5）。桿件管在小徑銷(xiāo)管端部的相貫缺口面，即在桿件管上切下的管片，待銷(xiāo)貫焊接后，復原修復焊接，封堵銷(xiāo)管端頭。相切節點(diǎn)的管軸錯位一個(gè)管徑，銷(xiāo)管有受扭作用，設計注意驗算其抗扭強度。
咬合節點(diǎn)，即等徑管管軸錯位小于管徑，交叉形成管管咬合相貫，屬于建筑效果中特殊選擇的極少數，直接采用咬合相貫焊接。
2.7 設計小結
對于本工程無(wú)序空間網(wǎng)格管結構，除了結構桿件一律等徑d700mm的特殊要求外，由于所有節點(diǎn)交角千變萬(wàn)化，沒(méi)有一個(gè)重復的，有些夾角極小，造成以往設計宜于規避的問(wèn)題都云集出現。為了符合建筑師的原創(chuàng )設計理念，結構設計師絞盡腦汁，想盡一切辦法，仍實(shí)現相貫焊接節點(diǎn)，避免了鑄鋼節點(diǎn)，取得了顯著(zhù)的經(jīng)濟效益，加快了工程進(jìn)度。
焊接與鑄鋼節點(diǎn)比選考慮的主要因素如下表。
焊接與鑄鋼節點(diǎn)比選表
3. 深化設計
鋼結構深化設計采用芬蘭X-STEEL軟件，根據設計要求的桿件貫通、節點(diǎn)勁板設置原則，完成桿件分段、節點(diǎn)細化、臨時(shí)連接措施設計、加工詳圖繪制。由于各桿件分布無(wú)規律，桿件交匯數量多，角度各異，無(wú)相同構件（圖6），深化設計無(wú)法采用參數化節點(diǎn)進(jìn)行批量模型處理，手工操作量大。
受桿件三維不規則影響，常規的平、立、剖圖紙很難將構件的空間關(guān)系表達清楚，為此深化設計圖紙上加入了構件關(guān)鍵特征點(diǎn)坐標、三維軸測圖和平面位置縮影圖。此外深化設計還必須考慮各專(zhuān)業(yè)的交叉問(wèn)題，將水、電、風(fēng)（某些桿件設計作為通風(fēng)管或管線(xiàn)管道）、幕墻等與桿件有關(guān)的節點(diǎn)一并反映到深化圖上，避免出現鋼構件安裝后，后續施工專(zhuān)業(yè)無(wú)法開(kāi)展工作的情況。
a 相貫節點(diǎn) b 相切節點(diǎn)
圖6 合肥鳥(niǎo)巢深化設計典型節點(diǎn)
4. 加工安裝
4.1 工廠(chǎng)加工
多分枝空間異型節點(diǎn)制作復雜，構件制作精度要求高，桿件交匯，任何一根桿件的微小制作偏差，經(jīng)對接段放大，都可造成相鄰桿件的大偏差。管管相貫節點(diǎn)采用計算機編程，自動(dòng)切割機完成相貫線(xiàn)切割。構件采用胎膜、地樣線(xiàn)錘法組立，全站儀坐標復測，采用半自動(dòng)二氧化碳氣保焊對稱(chēng)施焊，有效控制焊接變形，將構件制作誤差控制在3mm以?xún)?。運輸過(guò)程做好防變形保護措施。
4.2 現場(chǎng)安裝
本工程鋼結構桿件呈空間多向交織狀態(tài)，桿件之間相互牽連、制約。根據結構特點(diǎn)，采用“高空原位散裝工藝”，使用MIDAS，X-STEEL等軟件進(jìn)行臨時(shí)支撐胎架設計、驗算、定位和制作詳圖編制。經(jīng)過(guò)設計的許可，構件安裝總體順序不拘泥于桿件結構受力主次關(guān)系，根據空間位置情況采用“由內到外，由低到高，分層分片”的原則實(shí)施安裝（圖7）。為確保吊裝施工的順利開(kāi)展，施工前采用計算機仿真模擬技術(shù)，在計算機上模擬構件吊裝，優(yōu)選出最佳吊裝順序方案，規避吊序不當造成后續構件無(wú)法安裝等問(wèn)題。
選擇合理的胎架結構形式，是確保桿件安全、順利安裝的基礎。根據桿件在空間無(wú)序、密集分布的特點(diǎn)，針對性設計了獨立和格構相結合的胎架結構形式，胎架材料采用H400*400*13*21、H300*300*10*15、H200*200*8*12型鋼，連系梁采用D159*8無(wú)縫管，材質(zhì)均為Q235B。H型鋼強軸面向受荷方向，頂部設置月牙仿形工裝。組合胎架較好的解決了承載力、穩定性、防碰撞三大難題，且工效高，安全性好。
現場(chǎng)建立全站儀測控網(wǎng)，構件吊裝到位后，利用激光反射片和小棱鏡捕獲構件主桿及至少一個(gè)牛腿中心坐標，精確定位每根構件的空中姿態(tài)，避免累計誤差（圖8）。還采用管壁三面拉設通線(xiàn)等方法確保多構件拼裝后，桿件的直線(xiàn)度，滿(mǎn)足建筑美觀(guān)要求。
構件采用全焊接連接，仰焊量大且施焊空間有限，焊前搭設高度適宜的焊接操作平臺，提高工人操作舒適度。因構件管壁薄，控制管件對接錯邊對控制焊接質(zhì)量尤為重要，為防止焊接變形，每個(gè)接口位置設置拘束板，由兩名焊工對稱(chēng)施焊。構件焊接需保持另一端為自由端，以便于焊接殘余應力的釋放。
圖7 合肥鳥(niǎo)巢現場(chǎng)吊裝
圖8 合肥鳥(niǎo)巢現場(chǎng)測量
5. 小結
本工程無(wú)序空間網(wǎng)格管結構的設計與加工安裝的實(shí)踐，成為以“復雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化”的理念，將“復雜建筑簡(jiǎn)單結構，復雜結構簡(jiǎn)單加工安裝[10][11]”，作為結構設計的最高境界的又一個(gè)成功案例。具體體會(huì )如下：
1) 等徑管變徑轉換相貫技術(shù)應用于無(wú)序空間網(wǎng)格管結構主節點(diǎn)是成功可靠、經(jīng)濟合理的。
2) 相貫和相切及咬合三種節點(diǎn)形式，在無(wú)序空間網(wǎng)格管結構的結合使用是適宜的。
3) 雜亂空間網(wǎng)格管結構宜采用焊接節點(diǎn)，避免采用鑄鋼節點(diǎn)的經(jīng)濟社會(huì )效益顯著(zhù)。
4) 全站儀坐標測控法的運用和組合式施工措施胎架的設計，有效的確保了無(wú)序空間網(wǎng)格管結構構件的制作和安裝精度，達到了美觀(guān)的建筑效果。
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