中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘 要：鄂爾多斯民族大劇院工程，以蒙古民族男女的兩頂帽子為設(shè)計(jì)理念，為框架混凝土-鋼結(jié)構(gòu)體系，由大圓（劇院）、小圓（音樂廳）及中間連接體三部分組成，鋼結(jié)構(gòu)型式為空間雙曲面螺旋箱形結(jié)構(gòu)?？臻g建模、詳圖設(shè)計(jì)難度大，位置坐標(biāo)多樣，胎具搭設(shè)、下料、裝配精度要求高，焊接變形控制及焊接質(zhì)量要求嚴(yán)。本文結(jié)合詳圖深化設(shè)計(jì)、雙曲面螺旋箱型柱制作、預(yù)拼裝等重點(diǎn)施工工藝，較詳細(xì)的介紹了鄂爾多斯民族大劇院制作施工技術(shù)。
關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu) 詳圖設(shè)計(jì) 雙曲面箱型柱 預(yù)拼裝
1 工程概況
隨著鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的迅速發(fā)展，設(shè)計(jì)理念多元化，建筑結(jié)構(gòu)造型越來越具有民族藝術(shù)特色。這樣就要求鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式向多樣化，復(fù)雜化發(fā)展。結(jié)構(gòu)形式改變就要求以往傳統(tǒng)的制作方法進(jìn)行創(chuàng)新，對鋼結(jié)構(gòu)的制作技術(shù)水平、焊接質(zhì)量、預(yù)拼裝精度要求更為嚴(yán)格。我單位承攬的鄂爾多斯民族大劇院工程作為第十一屆亞洲文化藝術(shù)節(jié)閉幕式演出場館，以蒙古民族男女的兩頂帽子為設(shè)計(jì)理念，由大圓（劇院）、小圓（音樂廳）及中間連接體三個(gè)部分組成,建筑面積37800? 。本工程結(jié)構(gòu)形式為框架混凝土-鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu),一類高層建筑,設(shè)計(jì)使用年限為50年。鋼結(jié)構(gòu)形式主要為空間雙曲面螺旋箱型柱，最大箱型截面尺寸為□600×800×20，主要截面為□500×500×16，材質(zhì)為Q345D，本工程效果圖見圖1。
針對該工程空間雙曲面螺旋體結(jié)構(gòu)和空間斜柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，我公司采用整體建模，對所有構(gòu)件進(jìn)行空間模擬，將空間三維圖形轉(zhuǎn)換成二維平面施工圖，并首次研發(fā)了空間雙曲面螺旋箱型柱制作工法，為現(xiàn)場安裝提供質(zhì)量保證。
圖1 鄂爾多斯民族大劇院效果圖
2 詳圖深化設(shè)計(jì)
鄂爾多斯民族大劇院工程結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，主要構(gòu)件為空間雙曲面螺旋箱型柱。構(gòu)件為異形結(jié)構(gòu)，常規(guī)詳圖深化不能準(zhǔn)確的將單件構(gòu)件反映在施工圖紙上，不能有效指導(dǎo)施工。為反映構(gòu)件的空間實(shí)際尺寸及空間坐標(biāo)位置，我單位采用X-STEEL和CAD軟件相結(jié)合，建立空間雙曲面螺旋箱型構(gòu)件的實(shí)體模型，采用近似原理，對模型中每個(gè)構(gòu)件進(jìn)行描點(diǎn)，然后繪制單個(gè)零件展開下料詳圖。
2.1 空間建模
本工程結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，單獨(dú)采用X-STEEL設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行建模難度較大，需利用CAD軟件與X-STEEL軟件相互轉(zhuǎn)化進(jìn)行三維空間建模。首先根據(jù)一次設(shè)計(jì)圖，采用CAD軟件建立空間三維線形建模，如圖2所示。
圖2 鄂爾多斯民族大劇院 CAD軟件空間線形建模
然后將CAD線形模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入X-STEEL設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行空間建模，由X-STEEL設(shè)計(jì)軟件自動生成空間模型，如圖3所示。
圖3 鄂爾多斯民族大劇院 X-STEEL軟件空間實(shí)體建模
2.2 轉(zhuǎn)化施工圖及構(gòu)件胎具坐標(biāo)
由于構(gòu)件非規(guī)則性，不能由X-STEEL軟件直接導(dǎo)出施工圖紙。需再將X-STEEL軟件中的實(shí)體模型轉(zhuǎn)換到CAD上，如圖4所示。
圖4 鄂爾多斯民族大劇院 CAD軟件實(shí)體模型
取出單件構(gòu)件模型，如圖5所示。然后分別對每個(gè)構(gòu)件建立坐標(biāo)系進(jìn)行合理的描點(diǎn)，創(chuàng)建各點(diǎn)空間坐標(biāo)，根據(jù)單件構(gòu)件點(diǎn)的空間坐標(biāo)導(dǎo)出相應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)圖，利用近似原理，將構(gòu)件每個(gè)零件進(jìn)行展開，得到每個(gè)零件的展開下料詳圖，如圖6所示。
圖5 鄂爾多斯民族大劇院 單件構(gòu)件實(shí)體模型
圖6 鄂爾多斯民族大劇院 CAD軟件構(gòu)件壁板展開詳圖
2.3 構(gòu)件分段
為了保證制作、安裝的精度和施工安全可靠，充分分析結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)箱形鋼柱交叉編織的特點(diǎn)，我單位采用了斜網(wǎng)柱一個(gè)方向?yàn)殚L柱，另一個(gè)方向?yàn)槎讨姆侄涡问?；采用了長柱無牛腿和短柱直接和長柱相貫對接的節(jié)點(diǎn)形式，節(jié)點(diǎn)處加設(shè)定位托板和連接板，以保證安裝一次準(zhǔn)確就位和施工安全可靠。
3 空間雙曲面螺旋箱型柱制作
鄂爾多斯民族大劇院工程主要構(gòu)件形式為空間雙曲面螺旋箱型結(jié)構(gòu)，還有箱型鋼柱、圓鋼管型鋼柱、H型直鋼梁、弧型箱型鋼梁、H型和箱型環(huán)形圈梁。本文著重介紹空間雙曲面螺栓箱型構(gòu)件的制作。
3.1工藝流程
施工準(zhǔn)備→胎具搭設(shè)→鋼板下料、成型→組裝→焊接→回胎矯正→檢查→預(yù)拼裝→噴沙除銹→涂裝編號。
3.2 胎具搭設(shè)
根據(jù)單件構(gòu)件的實(shí)體模型的空間坐標(biāo)，得出搭胎數(shù)據(jù)，編制胎具搭設(shè)工藝。由于每件構(gòu)件的三維螺旋曲面方向不一致，每件構(gòu)件都需進(jìn)行專用胎具的搭設(shè)。胎具材料選用大截面型鋼和厚板，搭設(shè)時(shí)采用全站儀進(jìn)行空間坐標(biāo)的放樣測量，并在平臺上做出投影面進(jìn)行檢查，見圖7。
圖7 鄂爾多斯民族大劇院 胎具搭設(shè)圖
3.3 鋼板下料、成型
根據(jù)每件構(gòu)件的展開詳圖進(jìn)行數(shù)控編程，利用數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行下料，見圖8。鋼板下料后采用卷板機(jī)壓彎和火曲成型相結(jié)合的方法對箱型構(gòu)件壁板進(jìn)行彎制，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求弧度。
圖8 鄂爾多斯民族大劇院 數(shù)控下料
3.4 組 裝
在專用胎具上組裝時(shí)，將底板鋪在胎具上，保證底板與胎具緊密貼合，由胎具的螺旋曲面控制底板的弧度，底板定位后進(jìn)行固定，見圖9。為了控制構(gòu)件成型并且減少構(gòu)件焊接變形，在箱內(nèi)每隔1.5m設(shè)置12mm厚工藝隔板，見圖10。
圖9 鄂爾多斯民族大劇院 底板上胎、定位
圖10 鄂爾多斯民族大劇院 工藝隔板
底板定位后，裝配工藝隔板。由于箱型構(gòu)件為螺旋形狀，裝配工藝隔板時(shí)應(yīng)注意隔板的角度位置，保證箱型的形狀。然后將兩側(cè)腹板靠在工藝隔板上并加支撐固定，見圖11，固定后組裝頂板。組裝后應(yīng)仔細(xì)檢查箱形構(gòu)件與胎具是否是緊密結(jié)合，保證構(gòu)件的螺旋曲線符合設(shè)計(jì)要求。
圖11 鄂爾多斯民族大劇院 組裝腹板圖
3.5 焊接
構(gòu)件焊接采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊打底，埋弧焊蓋面的焊接工藝，見圖12。為控制構(gòu)件焊接變形，在組裝時(shí)除加設(shè)工藝隔板還設(shè)置鋼拉條，見圖13。
圖12 鄂爾多斯民族大劇院 埋弧焊焊接
圖13 鄂爾多斯民族大劇院 工藝措施
焊接時(shí)在全熔透坡口位置采用加墊條焊接。根據(jù)構(gòu)件的螺旋旋轉(zhuǎn)程度大小，對旋轉(zhuǎn)程度較大的構(gòu)件在焊接時(shí)設(shè)置臨時(shí)支架，保證焊接構(gòu)件平穩(wěn)固定，并且在組裝胎具上進(jìn)行二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊打底，然后再在龍門式雙絲自動埋弧焊進(jìn)機(jī)上進(jìn)行蓋面，以減少焊接變形。單根構(gòu)件制作焊接探傷合格后，將構(gòu)件吊回胎具進(jìn)行復(fù)測，對控制點(diǎn)位置偏離的應(yīng)進(jìn)行矯正，見圖14。
圖14 鄂爾多斯民族大劇院 回胎復(fù)測
4 預(yù)拼裝
由于構(gòu)件形狀復(fù)雜，鋼柱分為長柱和短柱制作，為保證鋼柱的制作精度和現(xiàn)場安裝質(zhì)量，將所有鋼柱根據(jù)現(xiàn)場安裝單元劃分成多個(gè)預(yù)拼單元，進(jìn)行平面預(yù)拼裝。每個(gè)預(yù)拼單元弧度和斜度都不一樣，需每個(gè)拼裝單元單獨(dú)搭設(shè)專用胎具進(jìn)行整體預(yù)拼裝。預(yù)拼裝胎具采用大截面型鋼和鋼板搭設(shè)，搭設(shè)時(shí)不需要同單根鋼柱胎具設(shè)置多根立柱，只需根據(jù)受力分析和弧度控制點(diǎn)設(shè)置立柱，保證拼裝單元的穩(wěn)定性和精度。由于桿件之間連接為剛接，且焊縫為熔透焊縫。在拼裝時(shí)短柱端口焊接襯條與長柱、鋼柱與胎具要緊密貼合。對不符合要求的進(jìn)行調(diào)整，預(yù)拼裝尺寸檢查合格后安裝現(xiàn)場安裝定位板，見圖15。
圖15 鄂爾多斯民族大劇院 預(yù)拼裝
5.結(jié) 語
通過詳圖深化設(shè)計(jì)、雙曲面螺旋箱型柱制作和預(yù)拼裝等工藝上的技術(shù)創(chuàng)新，鄂爾多斯民族大劇院工程構(gòu)件制作精度和質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，使現(xiàn)場安裝提前17天完工，獲得2009年度中國建筑鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)質(zhì)工程“鋼結(jié)構(gòu)金獎”。 該工程已成為當(dāng)?shù)貥?biāo)志性建筑，并成功舉辦了第十一屆亞洲文化藝術(shù)節(jié)閉幕式演出，帶來了巨大的社會效益。鄂爾多斯民族大劇院鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)提供了一種制作空間雙曲面螺旋箱型構(gòu)件的工藝，非常適合建筑結(jié)構(gòu)多維化發(fā)展的需要，可依此技術(shù)向多維空間造型構(gòu)件制作進(jìn)行拓展。開創(chuàng)了空間雙曲面異形螺旋箱型構(gòu)件的先河，在處理異形鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件組裝中經(jīng)濟(jì)效益明顯，增強(qiáng)了公司技術(shù)水平和公司競爭力，提高了鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的技術(shù)水平，促進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1] GB 50205-2001.鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范.北京：中國計(jì)劃出版社.2001
[1] GB50205-2001,Code for Acceptance of Construction Quality of Steel Structures, China Planning Publishing House, Beijing, 2001
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