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合肥鸟巢:无序空间网格管结构的概念设计与施工

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发表时间:2014-07-30 07:58  来源:CCMSA  作者:郭满良 何洪 凌江 郭川 鲍广鉴  浏览量:

摘要:合肥国际创新展示馆棚罩钢结构属于一种空间网格管结构,由于极度无序的外观形状而被称“合肥鸟巢”。本文全面介绍了这一无序空间网格管结构的概念设计与施工,包括结构组成、杆件截面和节点形式、节点工法、节点构造、深化设计、加工安装等。重点介绍了等径管相贯节点的变换技术、多枝空间异型节点的构造设计,以弘扬复杂问题简单化的设计理念。
      关键词:棚罩  管结构  多分枝空间异型节点  等径管相贯  焊接节点  相切节点
1. 尊宝娱乐概况
      合肥国际创新展示馆(图1、图2)位于合肥市滨湖新区,建筑面积1.4万?,设计新颖、独特,由长短不一的金属杆件空间无序交叉杆组成棚罩。建筑设计理念来自于儿童积木游戏棒,由其外观联想而被称“合肥鸟巢”。展馆钢结构平面近似形成一个不规则六角形(图3),高约28m,由346根钢管架设而成。杆件分布复杂,最多处有8根杆件交汇于一点。
  
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 图1  合肥鸟巢建筑实景照片 

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图2 合肥鸟巢建筑夜景照片

      2. 结构设计
      2.1 结构组成
      该尊宝娱乐钢结构棚罩杆件布置由建筑效果确定。
      棚罩杆件大致分为五级:
      一级杆件38根,每组三根,空间交叉相贯搭建,且每根落地;二级杆件43根,相贯搭建于一级杆件上,为一级杆件提供支撑,部分杆件直接落地;三级杆件140根,结合一二级杆件相贯搭建,形成围护折面;一二三级杆件不规则分布,共同组成棚罩钢结构,属于“无序空间网格管结构”。
 
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图3 合肥鸟巢平面图
四级杆件93根、五级杆件32根,系为丰富建筑物形体所设置的装饰杆件,与一二三级杆件相切搭接。 2.2 杆件截面与节点形式
      建筑效果要求,整个尊宝娱乐的所有杆件一律采用直径d700mm的钢管,节点形式为相贯、相切、咬合三种。
其中,多管“相贯节点”数量最多,约有上百处,用于一二三级杆件,即结构杆件之间的连接节点,称作“主节点。”四五级装饰杆件与主管为“相切节点”或“销贯节点”。由于建筑效果的特别选择,极少数节点自然形成“咬合节点”。相切节点和咬合节点称作“次节点”。
2.3 结构设计
      该结构设计考虑的荷载除自重、恒载、检修活荷载、风、地震外,更重要的是要考虑积雪、结冰、裹冰荷载,以及温度应力。
      由建筑确定布置的杆件较密,空间杂乱交叉。这种杂乱,极度的无序,实际上形成了自然的“匀称”,“自然界的相对均匀布置”。无限相象,可以认为“杂乱的极限趋于均匀”。试想想,鸟筑之巢,杆件密实,基本匀称,属于无序中又些许有序的“编织网壳”。但不存在一般网壳的稳定问题,受力变形性能尚可。
据此概念分析和多年的尊宝娱乐设计经验判断,在建筑要求的结构组成、杆件截面和节点形式等技术条件下,荷载作用下的结构杆件受力变性性能应该相对次要,安全可靠度容易满足,主要是构造问题,核心问题是节点构造。设计应该着力最大限度地改善加工安装技术条件,尽可能地做到经济、合理。
      管壁厚度在满足加工焊接基本构造要求的前提下,尽可能的薄,以求经济。设计采用d700X10、d700X8直缝钢管,低碳钢Q235B。结构受力变形分析结果(另文)验证了结构设计师初期的概念分析判断。
2.4 节点工法选择
      节点设计可采用焊接节点,也可选用铸钢节点。
      铸钢节点属于新技术,但已成熟,只要构造倒角满足浇铸工艺要求,节点应力分析清楚,况且本尊宝娱乐受力相对次要,为此,采用铸钢节点,设计最为简单。但铸钢节点造价较高,尤其是本尊宝娱乐几百个节点,没有一个重复的,如果采用铸钢,则势必一点一开模。恐怕每个节点的浇铸工艺必须适应千变万化的分叉交角、倒角的不同条件,技术难度也不小。致使铸钢节点的造价必定相当昂贵,工期较长。
      作者秉承“复杂问题简单化”的理念,将“复杂建筑简单结构,复杂结构简单加工安装”作为结构设计的最高境界。设法运用最简单的传统工法与技术,将几何上为相贯、相切、咬合的三种节点全部设计为普通的焊接节点。
2.5 主节点设计
      主节点为相贯节点,在整个尊宝娱乐中有几百多个,建筑师追求“等径”杆件平滑相贯效果。如直接相贯焊接,相贯线切割出的管壁相贯边口倒角尖锐,无法保证受力焊缝的焊缝质量与焊接外观效果。设计采用了“等径管变径转换相贯技术”,巧妙的选取节点处的一根,尤其是落地管,作为主管,保持d700mm直径不变;将其它杆件变径为d400mm,再与主管相贯焊接(图4)。相贯焊接完成后,再将变径部分用薄钢板外包,与直通杆件等径。
     
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 图4  合肥鸟巢等径管变径转换相贯节点 

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图5 合肥鸟巢相切销贯节点

      钢管缩径转换的方法可以多种多样。可采用环布径向加劲肋将两个不等径管贴角焊,焊缝以受剪为主,构造简单,强度可靠。也可采用变径锥管转换,等强对接焊接。具体宜结合加工安装单位技术条件和经验选用。本尊宝娱乐采用前者。
      等径管变换后,采用的一般主次管(不等径管)相贯焊接节点,可按照规范[1][2]并参考有关文献[3]-[8]进行构造设计和承载力验算。
2.6 次节点
      相切节点,用于四五级装饰杆件与主管的连接,属于非结构杆件节点,相对次要。设计采用小径管同时穿销两个相切主管,与两个相切主管相贯焊接(图5)。杆件管在小径销管端部的相贯缺口面,即在杆件管上切下的管片,待销贯焊接后,复原修复焊接,封堵销管端头。相切节点的管轴错位一个管径,销管有受扭作用,设计注意验算其抗扭强度。
      咬合节点,即等径管管轴错位小于管径,交叉形成管管咬合相贯,属于建筑效果中特殊选择的极少数,直接采用咬合相贯焊接。
2.7 设计小结
      对于本尊宝娱乐无序空间网格管结构,除了结构杆件一律等径d700mm的特殊要求外,由于所有节点交角千变万化,没有一个重复的,有些夹角极小,造成以往设计宜于规避的问题都云集出现。为了符合建筑师的原创设计理念,结构设计师绞尽脑汁,想尽一切办法,仍实现相贯焊接节点,避免了铸钢节点,取得了显著的经济效益,加快了尊宝娱乐进度。
      焊接与铸钢节点比选考虑的主要因素如下表。
 
焊接与铸钢节点比选表
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3. 深化设计
      钢结构深化设计采用芬兰X-STEEL软件,根据设计要求的杆件贯通、节点劲板设置原则,完成杆件分段、节点细化、临时连接措施设计、加工详图绘制。由于各杆件分布无规律,杆件交汇数量多,角度各异,无相同构件(图6),深化设计无法采用参数化节点进行批量模型处理,手工操作量大。
      受杆件三维不规则影响,常规的平、立、剖尊宝娱乐很难将构件的空间关系表达清楚,为此深化设计尊宝娱乐上加入了构件关键特征点坐标、三维轴测图和平面位置缩影图。此外深化设计还必须考虑各专业的交叉问题,将水、电、风(某些杆件设计作为通风管或管线管道)、幕墙等与杆件有关的节点一并反映到深化图上,避免出现钢构件安装后,后续施工专业无法开展工作的情况。
  
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 a  相贯节点                             b  相切节点
图6  合肥鸟巢深化设计典型节点

      4. 加工安装
4.1 工厂加工
      多分枝空间异型节点制作复杂,构件制作精度要求高,杆件交汇,任何一根杆件的微小制作偏差,经对接段放大,都可造成相邻杆件的大偏差。管管相贯节点采用计算机编程,自动切割机完成相贯线切割。构件采用胎膜、地样线锤法组立,全站仪坐标复测,采用半自动二氧化碳气保焊对称施焊,有效控制焊接变形,将构件制作误差控制在3mm以内。运输过程做好防变形保护措施。
4.2 现场安装
      本尊宝娱乐钢结构杆件呈空间多向交织状态,杆件之间相互牵连、制约。根据结构特点,采用“高空原位散装工艺”,使用MIDAS,X-STEEL等软件进行临时支撑胎架设计、验算、定位和制作详图编制。经过设计的许可,构件安装总体顺序不拘泥于杆件结构受力主次关系,根据空间位置情况采用“由内到外,由低到高,分层分片”的原则实施安装(图7)。为确保吊装施工的顺利开展,施工前采用计算机仿真模拟技术,在计算机上模拟构件吊装,优选出最佳吊装顺序方案,规避吊序不当造成后续构件无法安装等问题。
      选择合理的胎架结构形式,是确保杆件安全、顺利安装的基础。根据杆件在空间无序、密集分布的特点,针对性设计了独立和格构相结合的胎架结构形式,胎架材料采用H400*400*13*21、H300*300*10*15、H200*200*8*12型钢,连系梁采用D159*8无缝管,材质均为Q235B。H型钢强轴面向受荷方向,顶部设置月牙仿形工装。组合胎架较好的解决了承载力、稳定性、防碰撞三大难题,且工效高,安全性好。
      现场建立全站仪测控网,构件吊装到位后,利用激光反射片和小棱镜捕获构件主杆及至少一个牛腿中心坐标,精确定位每根构件的空中姿态,避免累计误差(图8)。还采用管壁三面拉设通线等方法确保多构件拼装后,杆件的直线度,满足建筑美观要求。
      构件采用全焊接连接,仰焊量大且施焊空间有限,焊前搭设高度适宜的焊接操作平台,提高工人操作舒适度。因构件管壁薄,控制管件对接错边对控制焊接质量尤为重要,为防止焊接变形,每个接口位置设置拘束板,由两名焊工对称施焊。构件焊接需保持另一端为自由端,以便于焊接残余应力的释放。
  
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 图7 合肥鸟巢现场吊装

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 图8 合肥鸟巢现场测量

      5. 小结
本尊宝娱乐无序空间网格管结构的设计与加工安装的实践,成为以“复杂问题简单化”的理念,将“复杂建筑简单结构,复杂结构简单加工安装[10][11]”,作为结构设计的最高境界的又一个成功案例。具体体会如下:
      1) 等径管变径转换相贯技术应用于无序空间网格管结构主节点是成功可靠、经济合理的。
      2) 相贯和相切及咬合三种节点形式,在无序空间网格管结构的结合使用是适宜的。
      3) 杂乱空间网格管结构宜采用焊接节点,避免采用铸钢节点的经济社会效益显著。
      4) 全站仪坐标测控法的运用和组合式施工措施胎架的设计,有效的确保了无序空间网格管结构构件的制作和安装精度,达到了美观的建筑效果。
参考文献
      [1] 钢结构设计规范 GB 50017
      [2] 钢结构焊接及验收规程 JGJ 18
      [3] 陈以一 陈扬骥 钢管结构相贯节点的研究现状 管结构技术交流会论文集p227  2001年11月
      [4] Xiao-Ling Zhao  Research and Design of Tubular Structures  管结构技术交流会论文集p119 2001年11月
      [5] 路可宽 高树栋 管—管相贯节点结构质量通病及其防治  管结构技术交流会论文集p147  2001年11月
      [6] 林颖儒等 钢管直接相贯焊接节点设计研究  管结构技术交流会论文集p266  2001年11月
      [7] 徐一鸣 周观根 空间管结构节点设计与加工  管结构技术交流会论文集p280  2001年11月
      [8] 刘锡良 林彦  铸钢节点的尊宝娱乐应用与研究  建筑钢结构进展 VOL.6 NO.1 2004
      [9] 铸钢节点应用技术规程 CECS 235: 2008
      [10] 郭满良 凌江  三铰刚架交叉结构的概念设计 深圳土木建筑 2011.09
      [11] 虎秉银 郭满良等  交叉弯扭刚架的深化设计与加工  深圳土木建筑 2011.09
 

 
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