摘要:合肥國際創(chuàng)新展示館棚罩鋼結(jié)構(gòu)屬于一種空間網(wǎng)格管結(jié)構(gòu),由于極度無序的外觀形狀而被稱“合肥鳥巢”。本文全面介紹了這一無序空間網(wǎng)格管結(jié)構(gòu)的概念設計與施工,包括結(jié)構(gòu)組成、桿件截面和節(jié)點形式、節(jié)點工法、節(jié)點構(gòu)造、深化設計、加工安裝等。重點介紹了等徑管相貫節(jié)點的變換技術(shù)、多枝空間異型節(jié)點的構(gòu)造設計,以弘揚復雜問題簡單化的設計理念。
關(guān)鍵詞:棚罩 管結(jié)構(gòu) 多分枝空間異型節(jié)點 等徑管相貫 焊接節(jié)點 相切節(jié)點
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(qū),建筑面積1.4萬?,設計新穎、獨特,由長短不一的金屬桿件空間無序交叉桿組成棚罩。建筑設計理念來自于兒童積木游戲棒,由其外觀聯(lián)想而被稱“合肥鳥巢”。展館鋼結(jié)構(gòu)平面近似形成一個不規(guī)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。
圖1 合肥鳥巢建筑實景照片
圖2 合肥鳥巢建筑夜景照片
2. 結(jié)構(gòu)設計
2.1 結(jié)構(gòu)組成
該工程鋼結(jié)構(gòu)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(jié)合一二級桿件相貫搭建,形成圍護折面;一二三級桿件不規(guī)則分布,共同組成棚罩鋼結(jié)構(gòu),屬于“無序空間網(wǎng)格管結(jié)構(gòu)”。
圖3 合肥鳥巢平面圖
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(jié)點形式
建筑效果要求,整個工程的所有桿件一律采用直徑d700mm的鋼管,節(jié)點形式為相貫、相切、咬合三種。
其中,多管“相貫節(jié)點”數(shù)量最多,約有上百處,用于一二三級桿件,即結(jié)構(gòu)桿件之間的連接節(jié)點,稱作“主節(jié)點。”四五級裝飾桿件與主管為“相切節(jié)點”或“銷貫節(jié)點”。由于建筑效果的特別選擇,極少數(shù)節(jié)點自然形成“咬合節(jié)點”。相切節(jié)點和咬合節(jié)點稱作“次節(jié)點”。
2.3 結(jié)構(gòu)設計
該結(jié)構(gòu)設計考慮的荷載除自重、恒載、檢修活荷載、風、地震外,更重要的是要考慮積雪、結(jié)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,極度的無序,實際上形成了自然的“勻稱”,“自然界的相對均勻布置”。無限相象,可以認為“雜亂的極限趨于均勻”。試想想,鳥筑之巢,桿件密實,基本勻稱,屬于無序中又些許有序的“編織網(wǎng)殼”。但不存在一般網(wǎng)殼的穩(wěn)定問題,受力變形性能尚可。
據(jù)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(jié)構(gòu)組成、桿件截面和節(jié)點形式等技術(shù)條件下,荷載作用下的結(jié)構(gòu)桿件受力變性性能應該相對次要,安全可靠度容易滿足,主要是構(gòu)造問題,核心問題是節(jié)點構(gòu)造。設計應該著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。
管壁厚度在滿足加工焊接基本構(gòu)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(jié)構(gòu)受力變形分析結(jié)果(另文)驗證了結(jié)構(gòu)設計師初期的概念分析判斷。
2.4 節(jié)點工法選擇
節(jié)點設計可采用焊接節(jié)點,也可選用鑄鋼節(jié)點。
鑄鋼節(jié)點屬于新技術(shù),但已成熟,只要構(gòu)造倒角滿足澆鑄工藝要求,節(jié)點應力分析清楚,況且本工程受力相對次要,為此,采用鑄鋼節(jié)點,設計最為簡單。但鑄鋼節(jié)點造價較高,尤其是本工程幾百個節(jié)點,沒有一個重復的,如果采用鑄鋼,則勢必一點一開模??峙旅總€節(jié)點的澆鑄工藝必須適應千變?nèi)f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(jié)點的造價必定相當昂貴,工期較長。
作者秉承“復雜問題簡單化”的理念,將“復雜建筑簡單結(jié)構(gòu),復雜結(jié)構(gòu)簡單加工安裝”作為結(jié)構(gòu)設計的最高境界。設法運用最簡單的傳統(tǒng)工法與技術(shù),將幾何上為相貫、相切、咬合的三種節(jié)點全部設計為普通的焊接節(jié)點。
2.5 主節(jié)點設計
主節(jié)點為相貫節(jié)點,在整個工程中有幾百多個,建筑師追求“等徑”桿件平滑相貫效果。如直接相貫焊接,相貫線切割出的管壁相貫邊口倒角尖銳,無法保證受力焊縫的焊縫質(zhì)量與焊接外觀效果。設計采用了“等徑管變徑轉(zhuǎn)換相貫技術(shù)”,巧妙的選取節(jié)點處的一根,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 合肥鳥巢等徑管變徑轉(zhuǎn)換相貫節(jié)點
圖5 合肥鳥巢相切銷貫節(jié)點
鋼管縮徑轉(zhuǎn)換的方法可以多種多樣??刹捎铆h(huán)布徑向加勁肋將兩個不等徑管貼角焊,焊縫以受剪為主,構(gòu)造簡單,強度可靠。也可采用變徑錐管轉(zhuǎn)換,等強對接焊接。具體宜結(jié)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(jié)點,可按照規(guī)范[1][2]并參考有關(guān)文獻[3]-[8]進行構(gòu)造設計和承載力驗算。
2.6 次節(jié)點
相切節(jié)點,用于四五級裝飾桿件與主管的連接,屬于非結(jié)構(gòu)桿件節(jié)點,相對次要。設計采用小徑管同時穿銷兩個相切主管,與兩個相切主管相貫焊接(圖5)。桿件管在小徑銷管端部的相貫缺口面,即在桿件管上切下的管片,待銷貫焊接后,復原修復焊接,封堵銷管端頭。相切節(jié)點的管軸錯位一個管徑,銷管有受扭作用,設計注意驗算其抗扭強度。
咬合節(jié)點,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(shù),直接采用咬合相貫焊接。
2.7 設計小結(jié)
對于本工程無序空間網(wǎng)格管結(jié)構(gòu),除了結(jié)構(gòu)桿件一律等徑d700mm的特殊要求外,由于所有節(jié)點交角千變?nèi)f化,沒有一個重復的,有些夾角極小,造成以往設計宜于規(guī)避的問題都云集出現(xiàn)。為了符合建筑師的原創(chuàng)設計理念,結(jié)構(gòu)設計師絞盡腦汁,想盡一切辦法,仍實現(xiàn)相貫焊接節(jié)點,避免了鑄鋼節(jié)點,取得了顯著的經(jīng)濟效益,加快了工程進度。
焊接與鑄鋼節(jié)點比選考慮的主要因素如下表。
焊接與鑄鋼節(jié)點比選表
3. 深化設計
鋼結(jié)構(gòu)深化設計采用芬蘭X-STEEL軟件,根據(jù)設計要求的桿件貫通、節(jié)點勁板設置原則,完成桿件分段、節(jié)點細化、臨時連接措施設計、加工詳圖繪制。由于各桿件分布無規(guī)律,桿件交匯數(shù)量多,角度各異,無相同構(gòu)件(圖6),深化設計無法采用參數(shù)化節(jié)點進行批量模型處理,手工操作量大。
受桿件三維不規(guī)則影響,常規(guī)的平、立、剖圖紙很難將構(gòu)件的空間關(guān)系表達清楚,為此深化設計圖紙上加入了構(gòu)件關(guān)鍵特征點坐標、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業(yè)的交叉問題,將水、電、風(某些桿件設計作為通風管或管線管道)、幕墻等與桿件有關(guān)的節(jié)點一并反映到深化圖上,避免出現(xiàn)鋼構(gòu)件安裝后,后續(xù)施工專業(yè)無法開展工作的情況。
a 相貫節(jié)點 b 相切節(jié)點
圖6 合肥鳥巢深化設計典型節(jié)點
4. 加工安裝
4.1 工廠加工
多分枝空間異型節(jié)點制作復雜,構(gòu)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(jié)點采用計算機編程,自動切割機完成相貫線切割。構(gòu)件采用胎膜、地樣線錘法組立,全站儀坐標復測,采用半自動二氧化碳氣保焊對稱施焊,有效控制焊接變形,將構(gòu)件制作誤差控制在3mm以內(nèi)。運輸過程做好防變形保護措施。
4.2 現(xiàn)場安裝
本工程鋼結(jié)構(gòu)桿件呈空間多向交織狀態(tài),桿件之間相互牽連、制約。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點,采用“高空原位散裝工藝”,使用MIDAS,X-STEEL等軟件進行臨時支撐胎架設計、驗算、定位和制作詳圖編制。經(jīng)過設計的許可,構(gòu)件安裝總體順序不拘泥于桿件結(jié)構(gòu)受力主次關(guān)系,根據(jù)空間位置情況采用“由內(nèi)到外,由低到高,分層分片”的原則實施安裝(圖7)。為確保吊裝施工的順利開展,施工前采用計算機仿真模擬技術(shù),在計算機上模擬構(gòu)件吊裝,優(yōu)選出最佳吊裝順序方案,規(guī)避吊序不當造成后續(xù)構(gòu)件無法安裝等問題。
選擇合理的胎架結(jié)構(gòu)形式,是確保桿件安全、順利安裝的基礎。根據(jù)桿件在空間無序、密集分布的特點,針對性設計了獨立和格構(gòu)相結(jié)合的胎架結(jié)構(gòu)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(wěn)定性、防碰撞三大難題,且工效高,安全性好。
現(xiàn)場建立全站儀測控網(wǎng),構(gòu)件吊裝到位后,利用激光反射片和小棱鏡捕獲構(gòu)件主桿及至少一個牛腿中心坐標,精確定位每根構(gòu)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等方法確保多構(gòu)件拼裝后,桿件的直線度,滿足建筑美觀要求。
構(gòu)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(gòu)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,每個接口位置設置拘束板,由兩名焊工對稱施焊。構(gòu)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 合肥鳥巢現(xiàn)場吊裝
圖8 合肥鳥巢現(xiàn)場測量
5. 小結(jié)
本工程無序空間網(wǎng)格管結(jié)構(gòu)的設計與加工安裝的實踐,成為以“復雜問題簡單化”的理念,將“復雜建筑簡單結(jié)構(gòu),復雜結(jié)構(gòu)簡單加工安裝[10][11]”,作為結(jié)構(gòu)設計的最高境界的又一個成功案例。具體體會如下:
1) 等徑管變徑轉(zhuǎn)換相貫技術(shù)應用于無序空間網(wǎng)格管結(jié)構(gòu)主節(jié)點是成功可靠、經(jīng)濟合理的。
2) 相貫和相切及咬合三種節(jié)點形式,在無序空間網(wǎng)格管結(jié)構(gòu)的結(jié)合使用是適宜的。
3) 雜亂空間網(wǎng)格管結(jié)構(gòu)宜采用焊接節(jié)點,避免采用鑄鋼節(jié)點的經(jīng)濟社會效益顯著。
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,有效的確保了無序空間網(wǎng)格管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制作和安裝精度,達到了美觀的建筑效果。
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