李子清 周鐵剛 李 強 劉丁剛 鄒 鵬 馬江濱

中建三局集團有限公司 湖北 武漢 430064

隨著城市化進程的加快，文化地標雕塑逐漸成為城市的名片，承載著提升市民文化自信與文化認同的使命。大型地標雕塑往往具有外形復雜、結(jié)構(gòu)特異的特點，目前國內(nèi)缺少對大型地標雕塑的系統(tǒng)性研究，尤其是針對人形鋼結(jié)構(gòu)雕塑工程，尚無相關研究。在人形鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，采用三維仿真模擬、Midas非線性分析輔助施工模擬分析，為類似大型異形雕塑項目鋼結(jié)構(gòu)設計及施工提供了參考[1-6]。

1 工程概況

迪夢溫泉小鎮(zhèn)（一期）項目機器人雕塑工程位于濰坊市峽山區(qū)濰峽路以東、濰膠路以南，星球大戰(zhàn)（機器人）雕塑底部為筏板基礎，局部為柱下獨立基礎，基礎持力層為②細砂層，上部建設高71.3 m鋼結(jié)構(gòu)機器人，手中武器至場館底部。

鋼結(jié)構(gòu)形式采用單層殼體＋鋼管桁架組合結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)主鋼架高67.952 m，平面尺寸19.4 mh 33.3 m，按照結(jié)構(gòu)部位，機器人可以劃分為主骨架部分＋外層部分＋寶劍部分＋背部部分（圖1）。

圖1 機器人雕塑結(jié)構(gòu)組成

主骨架為整個機器人的首要受力傳力結(jié)構(gòu)，采用空間管桁架結(jié)構(gòu)，f 0 m以下基礎部分為外包混凝土鋼管柱，各部位均為主管和次管形成的空間結(jié)構(gòu)，其中腳部、腿部、手部和頭部均為4根主管形成的空間管結(jié)構(gòu)，胸腹部位為6根主管形成的空間管結(jié)構(gòu)。機器人外層結(jié)構(gòu)通過中間的連接結(jié)構(gòu)和內(nèi)層主結(jié)構(gòu)連接。劍和背部結(jié)構(gòu)均為管桁架空間結(jié)構(gòu)，背部為全懸挑，懸挑跨度達到6 m。

2 工程特點和難點

1）機器人鋼結(jié)構(gòu)主鋼架高67.952 m，大構(gòu)件質(zhì)量達17 t，吊裝高度高、異形空間結(jié)構(gòu)復雜，撓度控制及吊裝難度大。

2）機器人背部結(jié)構(gòu)為全懸挑結(jié)構(gòu)，懸挑跨度達6 m，而火箭筒結(jié)構(gòu)總質(zhì)量達44.4 t，超重懸挑結(jié)構(gòu)安裝變形控制難度大。

3）機器人雕塑含多層結(jié)構(gòu)（主骨架＋外層骨架＋外層金屬壁板），工程量大，工期緊張，如何通過合理部署實現(xiàn)3層結(jié)構(gòu)不等高同步施工，是實現(xiàn)工期目標的關鍵。

3 鋼結(jié)構(gòu)吊裝關鍵技術(shù)

3.1 吊裝方案選擇

機器人鋼結(jié)構(gòu)主鋼架尺寸過大，高度高，無法拼裝成整體后一次性吊裝到位，故而采用主骨架分段吊裝、外層結(jié)構(gòu)整散結(jié)合的方法減少短時間內(nèi)所需要的人、材、機配置，同時降低吊裝機械要求及對周圍地上障礙物影響。

核心主骨架、劍體、背部結(jié)構(gòu)均考慮工廠制作為立體吊裝單元體，現(xiàn)場分單元吊裝；外層和連接結(jié)構(gòu)部分盡可能在工廠分層制作成片狀單元，分層安裝過程各層自成工作平臺，輔以局部腳手架，自下至上逐層安裝。為滿足工期要求，主骨架與外層結(jié)構(gòu)、連接結(jié)構(gòu)考慮不等高同步施工，分段主骨架吊裝完成后，外層結(jié)構(gòu)同步安裝，同時進行下一段主骨架吊裝準備。

現(xiàn)場設置1臺TC7013塔吊，主要吊裝散件等較輕構(gòu)件，同時配備1臺150 t履帶吊、1臺150 t汽車吊吊裝分段單元（圖2）。

圖2 總體安裝布置

3.2 主體鋼結(jié)構(gòu)分段

機器人雕塑主骨架按照結(jié)構(gòu)部位最大吊裝高度達71 m，核心主骨架、劍體、背部結(jié)構(gòu)均考慮工廠制作為立體吊裝單元體，現(xiàn)場分單元吊裝。分段時要綜合考慮分段質(zhì)量、分段尺寸大?。ㄊ欠穹奖氵\輸）及其安裝順序。

3.2.1 核心主骨架分段

核心主骨架分為腳、腿、軀干、手臂、頭部等幾個安裝單體，每個安裝單體根據(jù)質(zhì)量、尺寸分成若干個吊裝單元進行吊裝，每個吊裝單元自重控制在不超過17 t。分段全部在主管位置進行劃分，考慮到吊裝變形控制，大腿部位設置臨時加固單元進行加固。

3.2.2 寶劍及背部結(jié)構(gòu)分段

寶劍部分單元工廠按12 m段加工，質(zhì)量原則不超過17 t?，F(xiàn)場逐段吊裝，其中第1段和第2段各分2段加工，長度約12 m，上部根據(jù)后續(xù)吊裝的需要進行分段。背部部分單元吊裝全部在地面拼裝后再分段進行吊裝。

3.3 懸挑結(jié)構(gòu)臨時支撐設置

機器人雕塑背部結(jié)構(gòu)為懸挑結(jié)構(gòu)，總質(zhì)量達44.4 t，為控制背部結(jié)構(gòu)的受力變形，經(jīng)過受力驗算，采用設置臨時支撐方式，于背部結(jié)構(gòu)底部設置2處臨時支撐架（圖3）。

圖3 臨時支撐架設置示意

臨時支撐架以6 m為一標準節(jié)，由A、B、C共3個組件構(gòu)成，可在施工中根據(jù)需要隨意組合，任意擴展。標準節(jié)支撐架截面寬度為1.5 mh 1.5 m，垂直步距為2 m，立桿采用φ168 mmh 8 mm無縫鋼管，其他腹桿采用φ89 mmh 5 mm無縫鋼管；連接法蘭板厚16 mm，其他節(jié)點板厚12 mm。鋼結(jié)構(gòu)采用Q235B普通結(jié)構(gòu)鋼，鋼管采用無縫鋼管；支撐所有組件均由圓管構(gòu)成。

3.4 三維施工模擬

確定好最優(yōu)的桿件拼裝順序后，利用BIM技術(shù)三維模擬建模（圖4、圖5），分析驗證起重設備不同工況下在各個站位的吊裝能力，同時避免起重設備與塔吊等的碰撞，確定最優(yōu)的施工順序和吊裝方案。同時對桿件的拼裝工序進行三維可視化模擬，通過三維可視化的施工模擬，使施工現(xiàn)場拼裝有序進行，保證施工進度與質(zhì)量。

圖4 主龍骨吊裝施工模擬

圖5 背部結(jié)構(gòu)吊裝施工模擬

3.5 不等高同步吊裝

主骨架與外層骨架、連接結(jié)構(gòu)考慮不等高同步施工，分段主骨架吊裝完成后，外層骨架同步安裝，同時進行下一段主骨架吊裝準備。軀干部3個單元及散件（最大自重≤15 t）吊裝就位后，開始搭設底部局部腳手架，自下至上分層安裝腳部、腿部至腰部外層結(jié)構(gòu)。

后續(xù)主骨架與外層結(jié)構(gòu)同步不等高施工，直至完成整體安裝（圖6）。

圖6 不等高同步吊裝示意

4 異形鋼結(jié)構(gòu)有限元分析

根據(jù)總體施工方案，運用Midas非線性施工過程分析模塊，將計算模型定義為一個施工序列，按照施工順序，對結(jié)構(gòu)進行逐步激活，得到結(jié)構(gòu)在整個施工過程中剛度及內(nèi)力的變化情況，驗證結(jié)構(gòu)安裝順序、臨時支撐方案，確保結(jié)構(gòu)在施工過程中的穩(wěn)固安全，以及結(jié)構(gòu)在施工過程中內(nèi)力不超限，變形不超差，并根據(jù)結(jié)構(gòu)逐步成形過程中各臨時支撐點的受力分析結(jié)果，進行臨時支撐體系的設計。

結(jié)構(gòu)施工過程中的荷載包括結(jié)構(gòu)自重及施工過程中的施工活荷。結(jié)構(gòu)自重考慮1.2倍的系數(shù)。結(jié)構(gòu)位移變形按照結(jié)構(gòu)荷載標準值進行考慮，結(jié)構(gòu)受力荷載組合按1.2恒＋1.4活進行分析考慮。

臨時支撐架所承受的荷載包括懸挑桁架結(jié)構(gòu)部分自重、支撐架自重、風荷載。由于安裝過程存在諸多不可預見的不利因素，需對主要的荷載進行工況組合。支撐架最大支撐高度為37.0 m，上部所承受最大集中力按照360 kN考慮，同時考慮支撐架上部施工活荷載為2 kN/m2。查GB 50009ü 2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，按照濰坊地區(qū)10年一遇風荷載考慮臨時支撐架風荷載，基本風壓取0.30 kN/m2。

有限元分析結(jié)果顯示，整個吊裝過程中，結(jié)構(gòu)最大位移為26.984 mm，最大應力比為0.253，根據(jù)設計規(guī)范要求位移率不超過1/400、最大應力比不超過1，經(jīng)計算，結(jié)構(gòu)位移率為0.001 7，小于1/400，滿足變形和強度要求，因此，結(jié)構(gòu)分段安裝階段結(jié)構(gòu)安全，施工可行。

從有限元分析結(jié)果還可以看出，背部結(jié)構(gòu)臨時支撐最大位移為16.005 mm，最大應力比為0.252，根據(jù)設計規(guī)范要求位移率不超過1/400，最大應力比不超過1，背部結(jié)構(gòu)臨時支撐的最大位移率為0.000 4，小于1/400，滿足變形和強度要求，因此，臨時支撐設置滿足結(jié)構(gòu)要求。

5 結(jié)語

本文以71 m機器人雕塑工程為研究對象，針對安裝高度高、空間結(jié)構(gòu)復雜、懸挑結(jié)構(gòu)變形控制要求高等難點，研究出 分段拼裝＋整散結(jié)合＋不等高同步吊裝 方式，同時采用三維仿真模擬進行碰撞分析，利用非線性分析方法得到剛度及內(nèi)力變化，驗證了方案可行性。

經(jīng)現(xiàn)場實際實施，降低了異形鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)安裝難度，施工效率大為提高，可為類似大型異形雕塑項目鋼結(jié)構(gòu)設計及施工提供參考。