歐陽(yáng)元文，尹 建，劉小蔚，李志強(qiáng)

(1.上海通正鋁結(jié)構(gòu)建設(shè)科技有限公司，上海 201612；2.上海建科鋁合金結(jié)構(gòu)建筑研究院，上海 200230)

1 工程概況

觀音法界一期觀音圣壇位于舟山市普陀區(qū)朱家尖香蓮路北側(cè)，總建筑面積66 058m2。其中地上約63 363m2，地下約2 695m2。圣壇地上10層，地下局部1層，1層至頂部寶珠高91.9m。圣壇中央為貫穿1～9層通高的圓通大廳。圓通大廳為單層斜交異形雙曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，是整個(gè)項(xiàng)目的核心景觀。圣壇整體剖面如圖1所示。

圖1 觀音圣壇剖面

單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)坐落于底部混凝土殼體上，與混凝土結(jié)構(gòu)融為一體，共同構(gòu)成須彌山圣殿。結(jié)構(gòu)高約32.65m，頂部直徑為21.48m，底部直徑為18.3m，中間最小直徑為7.5m，展開(kāi)面積約1 264m2。因鋁合金結(jié)構(gòu)具有輕量化、耐久性、數(shù)字化、一體化、裝配式、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，本項(xiàng)目采用鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。網(wǎng)殼由三維曲線旋轉(zhuǎn)形成，四邊形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)形成雙曲面，網(wǎng)格360°進(jìn)行12等分。中間向上、下部位沿藝術(shù)曲線平滑過(guò)渡，整體造型優(yōu)美，曲線流暢，自下而上連為一體，如圖2所示。網(wǎng)殼表面采用空間多曲鋁板，鏤空部位鑲嵌馬鞍形雙曲A類(lèi)防火玻璃，采用鋁合金裝飾一體化結(jié)構(gòu)，無(wú)需次龍骨，無(wú)縫安裝玻璃及鋁板，實(shí)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、燈光照明和主體結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)與施工，最終形成佛教藝術(shù)建筑，鋁合金裝飾一體化節(jié)點(diǎn)如圖3所示。

圖2 圓通大廳整體模型

圖3 鋁合金裝飾一體化節(jié)點(diǎn)

2 計(jì)算分析

2.1 靜力分析

本工程鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸約1.4m，采用6061-T6 鋁合金材料，主要荷載為恒荷載1.0kN/m2(玻璃及鋁板裝飾等)、活荷載0.5kN/m2、地震作用(抗震設(shè)防烈度7度，基本地震加速度0.10g，設(shè)計(jì)地震分組第一組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，場(chǎng)地特征周期0.45s，阻尼比0.02)及±20℃升降溫對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

采用SAP2000及3D3S軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，采用理想彈性材料。結(jié)構(gòu)桿件采用工字形截面H200×150×10×15，H200×150×12×20。各荷載工況組合作用下，最大桿件應(yīng)力比約0.6，出現(xiàn)在腰部附近；其余桿件強(qiáng)度應(yīng)力水平均較低，如圖4所示。

圖4 鋁合金構(gòu)件強(qiáng)度應(yīng)力比

2.2 結(jié)構(gòu)變形分析

在恒荷載和活荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，屋蓋結(jié)構(gòu)豎向位移如圖5所示，累積豎向位移為129.9mm。通過(guò)分析節(jié)點(diǎn)間相對(duì)位移，得到網(wǎng)格區(qū)格間最大相對(duì)變形值為11.64mm，小于玻璃預(yù)留安裝間隙15mm，不會(huì)擠碎玻璃。

圖5 荷載作用下結(jié)構(gòu)豎向位移

2.3 整體穩(wěn)定性分析

鋁合金單層殼體結(jié)構(gòu)除需控制強(qiáng)度和變形，還需控制整體穩(wěn)定性，其為承載力的決定性因素。根據(jù)JGJ 7—2010《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中第4.3.3條進(jìn)行網(wǎng)殼全過(guò)程分析，應(yīng)考慮初始曲面形狀安裝偏差的影響，可采用結(jié)構(gòu)的最低階屈曲模態(tài)作為初始缺陷分布模態(tài)，其最大值可按1/300跨度取值。采用ABAQUS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)構(gòu)彈性階段整體分析結(jié)果如圖6所示，屈曲荷載系數(shù)為6.44>4.2，滿足規(guī)范要求[3]。

圖6 彈性階段屈曲分析結(jié)果

考慮幾何非線性與初始缺陷的影響，利用弧長(zhǎng)法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性穩(wěn)定性分析，提取結(jié)構(gòu)中位移最大的節(jié)點(diǎn)荷載-位移全過(guò)程曲線進(jìn)行跟蹤，取臨界荷載為結(jié)構(gòu)的極限荷載，得到結(jié)構(gòu)荷載倍數(shù)-位移曲線。恒荷載+活荷載工況作用下結(jié)構(gòu)荷載系數(shù)-弧長(zhǎng)曲線如圖7所示?？紤]初始幾何缺陷及材料彈塑性得到的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性荷載系數(shù)為 5.38，>2.0，滿足規(guī)范要求[3]。

圖7 弧長(zhǎng)法結(jié)構(gòu)荷載系數(shù)-弧長(zhǎng)曲線

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 施工重難點(diǎn)

3.1.1高精度三維彎扭工藝

本工程所有6061-T6鋁合金桿件與一體化6063-T6玻璃壓板均為彎扭桿件，彎扭構(gòu)件數(shù)量極多，曲率均不同，且同一構(gòu)件彎扭曲率為多曲率分段控制，彎扭難度級(jí)別為最高級(jí)別即A級(jí)別即特級(jí)彎扭難度，彎扭工藝復(fù)雜。彎扭桿件及壓板如圖8所示。

圖8 彎扭桿件

經(jīng)多次試加工，確定最終解決措施為：①將現(xiàn)有重型數(shù)控滾輪式三輥機(jī)升級(jí)改造為三維冷彎專(zhuān)用重型數(shù)控滾輪式三輥機(jī)，同時(shí)升級(jí)數(shù)控軟件；②為保護(hù)冷彎過(guò)程中定制截面構(gòu)件翼緣及企口，配合使用特殊定制滾輪及高強(qiáng)度填充物，確保冷彎后桿件及壓板整體形態(tài)，避免出現(xiàn)不可控變形造成的安裝困難及材料強(qiáng)度折減；③彎曲和扭轉(zhuǎn)時(shí)，桿件兩端均需夾具固定，過(guò)程中各桿件兩端預(yù)留0.5～1.0m操作長(zhǎng)度及加工余量，完成后切除。

通過(guò)三維模型展開(kāi)放樣加工彎扭節(jié)點(diǎn)盤(pán)，根據(jù)實(shí)際曲率進(jìn)行數(shù)控加工及多次人工校準(zhǔn)，確保節(jié)點(diǎn)盤(pán)有效連接，建筑外觀整體一致。

3.1.2多曲面型材生產(chǎn)加工工藝

為達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)一體化的藝術(shù)形態(tài)和美學(xué)效果，主桿件外包鋁板也為復(fù)雜多曲面鋁板，如圖9所示。項(xiàng)目涉及鋁板共計(jì)9 408塊，彎扭曲率各不相同，彎扭控制難度大、精度要求高。解決措施為：①每塊鋁板單獨(dú)導(dǎo)出模型進(jìn)行三維放樣，將鋁板先彎曲后分開(kāi)焊接加工；②焊接后進(jìn)行表面處理，為達(dá)到設(shè)計(jì)要求，成型鋁板安裝采用“先用沉頭鉚釘固定，后用交流鎢極氬弧焊焊接對(duì)接接縫，焊縫打磨拋光，現(xiàn)場(chǎng)噴涂氟碳面漆”的施工方法。

圖9 三維多曲面鋁板

3.1.3空間構(gòu)件二次精加工工藝

標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目中由于桿件、壓板和節(jié)點(diǎn)板無(wú)彎扭(或只有輕度彎曲)，所以一般的二次加工程序只有陽(yáng)極氧化和人工校準(zhǔn)[4]，標(biāo)準(zhǔn)平面玻璃的切割打磨工序也相對(duì)簡(jiǎn)單。本項(xiàng)目構(gòu)件均為復(fù)雜三維彎扭空間構(gòu)件，安裝精度要求高，構(gòu)件定位難度大。引入5軸機(jī)械臂和三維定位儀器完成二次精加工，可提高加工精度，降低材料二次加工廢損率。

3.1.4多曲面鋼化防火玻璃制作工藝

本項(xiàng)目采用馬鞍形雙曲玻璃(見(jiàn)圖10)，面材為超白鋼化防火玻璃，同時(shí)具備半透明的磨砂效果，國(guó)內(nèi)尚無(wú)應(yīng)用先例。

圖10 多曲鋼化玻璃三維示意

目前大部分國(guó)內(nèi)廠商只能制作出單曲面玻璃，為滿足設(shè)計(jì)要求，需對(duì)現(xiàn)有曲面玻璃制作工藝進(jìn)行創(chuàng)新。主要采取以下措施：①對(duì)現(xiàn)有鋼化爐升級(jí)改造，將其替換成能使用特殊不銹鋼模具的鋼化爐，以便進(jìn)行雙曲玻璃鋼化工作，同時(shí)在加工過(guò)程中不斷進(jìn)行調(diào)試和改進(jìn)，如圖11所示；②防火玻璃須經(jīng)過(guò)精磨邊和拋光處理，異形玻璃無(wú)法在雙邊機(jī)上拋光，須在單邊機(jī)上逐塊拋磨，人工成本高，次品率高，需嚴(yán)控加工誤差；③采用以色列DP公司打印機(jī)及高溫陶瓷油墨工藝進(jìn)行著色；④夾膠工藝方面采用成本較高的真空預(yù)壓技術(shù)，每片玻璃通過(guò)單獨(dú)使用一次性真空包裝袋預(yù)壓完成夾膠作業(yè)。

圖11 改造的玻璃鋼化成型模具

3.2 預(yù)拼裝與施工安裝

3.2.1預(yù)拼裝

本工程鋁合金網(wǎng)殼為復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)，為保證網(wǎng)殼安裝后的建筑效果，制作精度和安裝精度要求極高[4]。因此，網(wǎng)殼桿件制作完成后，進(jìn)行大范圍分段預(yù)拼裝，確保網(wǎng)殼桿件曲線流暢優(yōu)美，螺栓孔位精確，各方面技術(shù)參數(shù)符合設(shè)計(jì)圖紙及規(guī)范要求。根據(jù)網(wǎng)殼直徑及曲面變化，將網(wǎng)殼分為9個(gè)區(qū)段(見(jiàn)圖12)，每段拼裝高度控制在4m以?xún)?nèi)，最大拼裝半徑為18m。

圖12 預(yù)拼裝段劃分

3.2.2施工安裝

本工程采用滿堂腳手架高空散裝法施工，因結(jié)構(gòu)為兩端大、中間小的寶瓶形狀，最窄處僅7.1m，對(duì)桿件和節(jié)點(diǎn)的安裝操作空間不利，且腳手架搭設(shè)也存在很大風(fēng)險(xiǎn)及困難。為避免桿件與腳手架碰撞，保證網(wǎng)殼施工順利，腳手架搭設(shè)前應(yīng)建立BIM模型對(duì)網(wǎng)殼與腳手架進(jìn)行碰撞校核(見(jiàn)圖13)，優(yōu)化腳手架圖紙，將施工中可能出現(xiàn)的碰撞問(wèn)題消除在腳手架圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段。

圖13 BIM碰撞校核模型

桿件及構(gòu)配件的加工誤差均控制在毫米級(jí)別，對(duì)安裝精度要求高，施工過(guò)程中需對(duì)安裝定位進(jìn)行精密測(cè)量，保證網(wǎng)殼安裝精度[5]。采取的措施為：①增加測(cè)量控制點(diǎn)布設(shè)密度，每根桿件至少選取3個(gè)測(cè)量點(diǎn)，同時(shí)測(cè)量三維坐標(biāo)；②增加測(cè)量?jī)x器布設(shè)數(shù)量，每層平臺(tái)至少布置4臺(tái)全站儀；③施工時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)一點(diǎn)測(cè)量、多點(diǎn)復(fù)核；④施工過(guò)程中，定期檢測(cè)結(jié)構(gòu)形變；⑤每開(kāi)始一道工序，應(yīng)對(duì)上道工序進(jìn)行測(cè)量復(fù)核；⑥施工測(cè)量工作全過(guò)程緊密配合。

為保證結(jié)構(gòu)安裝達(dá)到預(yù)期效果，綜合考慮結(jié)構(gòu)自身特性和施工空間狹小的因素，采用滿堂腳手架高空散裝法。自下而上一次安裝鋁合金網(wǎng)殼，每安裝一段鋁合金桿件進(jìn)行一次校正，避免安裝誤差累積。同時(shí)，邊裝鋁合金結(jié)構(gòu)邊搭設(shè)腳手架，腳手架搭設(shè)貫穿整個(gè)網(wǎng)殼安裝過(guò)程，實(shí)現(xiàn)一次安裝成型、一次安裝合格。

網(wǎng)殼安裝完成后進(jìn)行玻璃、鋁板安裝，安裝順序自上而下，每安裝一段玻璃拆除一段腳手架，腳手架拆除貫穿整個(gè)玻璃安裝過(guò)程。玻璃安裝開(kāi)始后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變，防止結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力過(guò)大擠碎玻璃，造成重大成本與工期損失。本工程選用的馬鞍形異形雙曲玻璃單片造價(jià)高，安裝過(guò)程中需采取嚴(yán)密的成品保護(hù)措施。玻璃安裝前需對(duì)安裝工序進(jìn)行分解，編制安裝工藝卡，并向作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)交底，保證玻璃及鋁板安裝準(zhǔn)確、流程規(guī)范合理。

4 結(jié)語(yǔ)

1)結(jié)構(gòu)在各種荷載工況下應(yīng)力水平較低，變形滿足使用要求；整體穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，考慮幾何及材料雙非線性，結(jié)構(gòu)屈曲穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求；結(jié)構(gòu)靜力分析表明，鋁合金單層網(wǎng)殼性能優(yōu)異，滿足設(shè)計(jì)與使用要求。

2)由于本項(xiàng)目為異形雙曲面復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且為藝術(shù)類(lèi)精品建筑，結(jié)構(gòu)及裝飾圍護(hù)體系加工生產(chǎn)工藝復(fù)雜且困難，詳細(xì)闡述其加工重難點(diǎn)及解決措施，可為該類(lèi)藝術(shù)類(lèi)建筑施工提供參考。

3)詳述預(yù)拼裝與安裝關(guān)鍵技術(shù)，可為類(lèi)似狹小安裝空間異形結(jié)構(gòu)體系的施工積累經(jīng)驗(yàn)。