羅仁軼 王兆東 員浩陽 馬運強 陳俊杰

1. 中國建筑第八工程局有限公司 上海 201204；

2. 南京筑新建筑工程有限公司 江蘇 南京 211000

1 工程概況

江蘇省園藝博覽會未來花園植物園項目主體結(jié)構(gòu)采用S31603不銹鋼材料，整體為傘狀結(jié)構(gòu)，共有42把傘連成一體（圖1），不銹鋼結(jié)構(gòu)表面采用4K鏡面，造型視覺富有沖擊力，國內(nèi)乃至世界范圍內(nèi)均無類似案例。傘狀結(jié)構(gòu)中不銹鋼桿件形式有矩形管、橢圓管、異形漸變橢圓管。結(jié)構(gòu)形式獨特、新穎，國內(nèi)無類似結(jié)構(gòu)標準和案例供參考。鋼結(jié)構(gòu)工程中有新材料、新型構(gòu)件和節(jié)點等應(yīng)用。

圖1 傘狀結(jié)構(gòu)BIM模型

2 工程重、難點

1）本項目采用的S31603不銹鋼材料為奧氏體不銹鋼，具有熱導(dǎo)率低、線膨脹系數(shù)大、無磁性、耐腐蝕等特性。奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)大約只有低碳鋼的一半，而線膨脹系數(shù)很大，焊接后接頭部位會產(chǎn)生較大的焊接內(nèi)應(yīng)力，表現(xiàn)為容易出現(xiàn)焊接裂紋和焊接局部收縮。

2）傘狀不銹鋼結(jié)構(gòu)群橫向長度348 m，最終效果要求是整體不留溫度收縮縫，結(jié)構(gòu)整體的熱脹冷縮量非常大，溫度應(yīng)力顯著，施工中的溫度應(yīng)力是施工分析模擬的重點研究對象。要求施工過程中假設(shè)的在初始溫度情況下傘狀結(jié)構(gòu)之間的施工應(yīng)力最小。需要分析考慮設(shè)置合理的施工過程中的溫度收縮縫，預(yù)留的溫度收縮縫需要在合理的溫度情況下進行合攏。

3）不銹鋼結(jié)構(gòu)焊接收縮變形量大，需要通過分析計算進行安裝焊接順序模擬，計算分析出最合理的桿件安裝焊接順序，從而既保證焊接施工過程中產(chǎn)生的桿件內(nèi)部應(yīng)力不大于設(shè)計的使用要求，同時又能有效控制桿件的焊接變形量[1-2]。

4）本項目位于廢棄的礦坑中，地況復(fù)雜，礦坑地勢高低起伏，需要充分合理地考慮施工機械設(shè)備及路線選擇。

5）不銹鋼結(jié)構(gòu)上部為覆水屋面，需要保證覆水屋面的平面度，因此對結(jié)構(gòu)整體精度要求非常高，不但要重視其空間絕對位置精度，更要精確控制各施工環(huán)節(jié)中桿件安裝的相對精度，以保證后續(xù)安裝定位的準確性。

6）項目采用滿堂格構(gòu)柱和腳手架，造成視野不通透，在礦坑內(nèi)無法實施測量，因此需要將全站儀架設(shè)在輔助高架或者礦坑邊緣位置，并需要高空架設(shè)儀器和棱鏡，安裝測量難度大。

7）傘狀不銹鋼結(jié)構(gòu)既作為結(jié)構(gòu)件又作為裝飾件，加工工藝復(fù)雜，對加工精度及表面效果要求高。不銹鋼構(gòu)件加工涉及圓管多曲相貫線切割、厚板折彎、大截面厚方管折彎、激光切割、拼焊、4K拋光等多個復(fù)雜的工藝。構(gòu)件的加工精度會直接影響傘狀樹的拼裝精度和外觀效果，甚至影響42棵傘狀樹整體的體系結(jié)構(gòu)安全。

8）對焊接焊縫的質(zhì)量驗收標準要求高，大量的現(xiàn)場焊縫要求為一、二級焊縫。焊接焊縫要求打磨、拋光后幾乎看不出來有焊縫的痕跡。

3 施工工藝

現(xiàn)場安裝焊接順序為：樹柱→主肋→外環(huán)桿件→次肋→外環(huán)交叉桿→中環(huán)交叉桿→ 內(nèi)部斜桿（圖2）。

圖2 不銹鋼傘狀結(jié)構(gòu)安裝步驟

3.1 施工模擬與試驗

1）施工模擬包括了施工現(xiàn)場地況、路網(wǎng)、主體鋼結(jié)構(gòu)、施工器械的BIM動態(tài)施工模擬（圖3），以及施工過程中主體鋼結(jié)構(gòu)施工應(yīng)力的仿真分析模擬（圖4）。做到合理、高效地制定人員、機械投入計劃，并有效控制施工過程安全與質(zhì)量，確定施工過程監(jiān)測測點及監(jiān)測內(nèi)容。

圖3 BIM施工模擬

圖4 有限元仿真計算分析

2）鋼結(jié)構(gòu)工程中有新材料、新型構(gòu)件和節(jié)點應(yīng)用時，采用設(shè)計分析與試驗驗證是國內(nèi)工程中的通行方式，也是

后續(xù)各種審查和專家論證時的必要技術(shù)條件。試驗最終目的是和設(shè)計分析、相關(guān)規(guī)范共同構(gòu)成完整設(shè)計，達到結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟、施工可行且滿足建筑效果的目的。基于以上原因，不銹鋼結(jié)構(gòu)需要做相應(yīng)的試驗。不銹鋼結(jié)構(gòu)承載力試驗共分為三部分：1∶3整體承載力試驗、1∶1局部節(jié)點承載力試驗、變截面異形橢圓交叉管承載力試驗。

3.2 下料加工

不銹鋼結(jié)構(gòu)加工包括下料、拼裝、焊接、矯正、打磨拋光等工序。用先進的設(shè)備依據(jù)三維模型進行數(shù)控下料加工，避免人工放樣，按照工藝參數(shù)嚴格控制焊接、打磨工藝，開發(fā)構(gòu)件定位、定形尺寸的模具，將復(fù)雜異形的構(gòu)件進行標準化裝配（圖5）。

圖5 構(gòu)件加工定位工裝

3.3 構(gòu)件預(yù)拼裝

每棵傘狀樹傘冠部位的加工桿件出廠前應(yīng)先進行預(yù)拼裝，預(yù)拼裝時發(fā)現(xiàn)有問題的桿件應(yīng)整改合格后再出廠。采用整個傘冠倒扣的預(yù)拼裝方式，預(yù)拼裝桿件之間臨時點焊固定，拼裝過程中注意成品保護，應(yīng)避免磕碰和劃擦。

預(yù)拼裝工藝要求：

1）根據(jù)構(gòu)件的特點，在廠內(nèi)用枕木、鋼板等搭建預(yù)拼裝場地，并進行水平校正，使所有基準點在同一平面上。

2）在場地上畫出基準線、中心線及各節(jié)點位置。

3）預(yù)拼裝檢查合格后，拆除構(gòu)件，準備裝運。

4）對預(yù)拼裝過的桿件做相應(yīng)的標記。

3.4 樹柱安裝

在傘狀樹安裝過程中，樹柱中心定位精度的控制為質(zhì)量控制關(guān)鍵點之一。樹干中心點定位由全站儀現(xiàn)場放線和柱底板激光刻線搭配控制。樹干垂直度由激光水平儀和經(jīng)緯儀控制。樹柱先進行初步就位，將樹柱底部柱底板上螺栓孔與預(yù)埋螺栓進行對孔，根據(jù)全站儀和水平儀調(diào)整螺栓在一個平面上，然后讓樹柱的柱底板落在調(diào)平螺栓上，下一步再固定上部的螺栓。固定螺栓時注意絕緣套筒和絕緣墊片的設(shè)置，同時在樹柱安裝時應(yīng)檢查水電管線是否安裝到位。樹柱中心點位置的精確確定至關(guān)重要，其既是工程安裝的開始點，也是傘狀樹主次肋軸線正確、樹間完美對接的保證。根據(jù)圖紙?zhí)峁┑膫銧顦湮恢茫敵鲋行狞c坐標，在礦坑現(xiàn)場使用全站儀進行放樣，放樣點要非常準確。根據(jù)放樣后確定的中心點，畫直徑為1 200 mm的圓，粗略作為樹干吊裝時底板的邊緣線。根據(jù)圖紙輸出每棵樹軸線與底板邊緣的交點坐標，現(xiàn)場放樣后作為樹干安裝的精確定位。

柱底板在工廠內(nèi)除了開螺栓孔與中心孔外，還需根據(jù)三維模型進行如圖6所示的激光刻線。其中，作為與樹干矩形管精確對接的保證，矩形管輪廓線在工廠內(nèi)加工時只需將樹干與線對齊，即可保證樹干中心與底板中心重合。

圖6 柱底板定位標記線

垂直度與水平檢測：樹干吊裝時，在混凝土基座周圍非直線地布置2臺激光水平儀，通過2臺激光水平儀的垂直線粗略確定樹干垂直度，同時在附近布置經(jīng)緯儀，精確測量樹干矩形管垂直度?？傮w思路為先粗略再精確，既保證安裝速度，又保證安裝精確性。

3.5 纜風(fēng)繩安裝

在樹柱安裝調(diào)整以后，通過相互垂直的4根纜風(fēng)繩進行固定，在纜風(fēng)繩固定過程中需要對樹柱垂直度進行再次復(fù)測。垂直度的復(fù)測采用2臺呈90°夾角的全站儀進行測量觀察。保證纜風(fēng)繩的設(shè)置不影響樹柱垂直度。

3.6 支撐塔架及腳手架安裝

根據(jù)Midas軟件模擬分析施工過程中最易變形、最薄弱的點位，布置相應(yīng)的支撐塔架，為傘狀結(jié)構(gòu)桿件的安裝提供一個穩(wěn)定的支撐。同時，傘狀結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，故搭設(shè)盤扣式腳手架，便于結(jié)合結(jié)構(gòu)特性作出適應(yīng)性的變化。

3.7 樹冠安裝

傘狀不銹鋼結(jié)構(gòu)樹冠采用高空散拼的方式安裝，樹冠桿件眾多，單個傘冠面積約350 m2，含108根桿件。每根桿件的測量定位難度大，輔助格構(gòu)柱比較多，視野不通透，影響在礦坑內(nèi)的測量。對安裝后節(jié)點中心偏差要求高，焊接完成后桿件允許偏差限值為±20 mm。

樹冠部分的安裝需要保證空間定位的準確性，通過將復(fù)雜的空間定位轉(zhuǎn)化為平面定位與高程定位這2種簡單的定位方式來解決。平面控制方式由主、次肋軸線在格構(gòu)柱頂工作平臺的豎直投影組成，用于限定樹冠水平位置；高程控制方式由樹干頂部高程控制點組成。由于所有樹頂?shù)慕^對高程一致，故可通過在樹干頂確定高程控制點，進而控制整個樹冠的高程。

3.7.1 主肋安裝

采用汽車吊或塔吊安裝主肋。主肋一端由樹干頂部弧形構(gòu)件承托，另外一端和中部分別采用主肋工裝支撐固定，主肋工裝由機械螺桿千斤頂和可調(diào)節(jié)夾具組合而成，千斤頂進行主肋高度調(diào)整，可調(diào)夾具進行主肋水平位移調(diào)整和角度調(diào)整，并可對主肋進行完全固定（圖7）。

圖7 主、次肋末端定位點

由于次肋首端與主肋首端不在同一平面，主肋首端只需要對齊樹干矩形管頂部，次肋則需要根據(jù)樹干頂部的高程控制點往下移動設(shè)計長度，在粗略對準后，用激光水平儀的豎直激光線對準格構(gòu)柱工作臺上的軸線，調(diào)整主、次肋，使主、次肋的中心點對準激光線，即可保證主、次肋水平軸線方向的定位。在與軸線對準后，再調(diào)整主、次肋末端位置。格構(gòu)柱上通過全站儀進行主、次肋末端定位點放線，將五線激光水平儀放置在該點，通過頂部的十字交叉激光線定位主、次肋在軸線方向上的位置。主、次肋高程上的位置可用水平儀借助樹干頂部高程控制點確定，從而實現(xiàn)主、次肋末端在空間上的精確定位。

3.7.2 環(huán)肋安裝

環(huán)肋定位與主、次肋定位方法一致，通過在格構(gòu)柱工作平臺上進行環(huán)肋水平面投影線的放樣，安裝時將環(huán)肋中心線對準投影線，輔以水平儀控制高程即可（圖8）。

圖8 環(huán)肋安裝支撐結(jié)構(gòu)

3.7.3 次肋安裝

次肋在主肋安裝完成后，采用汽車吊或塔吊安裝。次肋一端與樹干臨時固定，另外一端和中部分別采用次肋工裝支撐固定，次肋工裝由機械螺桿千斤頂和可調(diào)節(jié)夾具組合而成，千斤頂進行次肋高度調(diào)整，可調(diào)夾具進行次肋水平位移調(diào)整和角度調(diào)整，并可對次肋進行完全固定。

3.7.4 交叉桿安裝

亞克力安裝的支撐桿定位在不銹鋼傘狀樹交叉桿的中心點，考慮到受力分布的均勻性與支撐桿長度的不變性，交叉桿中心點需要定位準確。交叉桿構(gòu)件兩側(cè)在場內(nèi)根據(jù)模型進行精確激光切割，能夠較好匹配主、次肋。在前2步精確定位安裝主、次肋后，在安裝交叉桿件時，由于主、次肋夾角與交叉桿切割后出現(xiàn)一邊大一邊小的形狀，將交叉桿放置在主、次肋之間就可粗略定位。然后通過全站儀對交叉桿中心進行測量微調(diào)，即可較好地保證交叉桿安裝的高度與坐標。中間桿件的安裝可采取如圖9所示的輔助構(gòu)件，桿件末端通過繩索綁定木板搭設(shè)在主、次肋上，起到臨時固定的作用。交叉位置需要定位準確，定位方法與定位主、次肋相似，在格構(gòu)柱頂部放樣確定桿件交叉點處的水平位置，通過五線激光水平儀進行定位。同時在交叉點處粘貼反光片，通過全站儀進行精確復(fù)測與定位。

圖9 交叉桿安裝輔助措施布置

3.8 測量

測量控制網(wǎng)應(yīng)遵循先整體、后局部，高精度控制低精度的原則建立。測量控制網(wǎng)的基準點要選在通視條件良好、安全、易保護的地方。相應(yīng)等級基準點的埋設(shè)不能低于規(guī)范的要求。測量控制網(wǎng)建立后要做好測量控制網(wǎng)的協(xié)同維護工作。

本工程平面控制網(wǎng)分兩級布設(shè)，第1級四邊形邊角網(wǎng)作為整體控制，第2級主軸線控制網(wǎng)直接用于施工放樣。

由于2個基準點都位于礦坑頂部的路面上，故在礦坑中進行測量時，可采用后方交會法，方便傘狀樹測量，且能自由建站，不需要進行設(shè)站點的硬化與固定?？赏瑫r采用多個全站儀進行建站測量，加快測量進度。

3.9 不銹鋼結(jié)構(gòu)焊接

傘狀不銹鋼結(jié)構(gòu)焊接主要采用GTAW（鎢極惰性氣體保護焊）＋GMAW（手工電弧焊）結(jié)合的方式進行。異形構(gòu)件無法在焊縫根部設(shè)置襯墊，通過GTAW打底，有效確保焊縫根部成形質(zhì)量；采用GMAW焊接中間層，提高焊接成形效率；采用GTAW蓋面，控制焊縫余高及表面成形質(zhì)量，減少后續(xù)打磨拋光工作量。

3.10 表面打磨拋光

打磨拋光工藝流程：表面檢查→（焊縫及兩側(cè)）粗磨→半精磨→精磨→拋光→擦亮。

打磨拋光質(zhì)量控制：材質(zhì)表面不允許有雜質(zhì)點、砂孔；后道工序須消除前道工序打磨痕跡；制定成品保護方案，避免產(chǎn)品二次受損，不允許有夾傷、壓痕、擦花。

3.11 結(jié)構(gòu)監(jiān)測

本項目的傘柱狀結(jié)構(gòu)采用不銹鋼作為主材，且結(jié)構(gòu)造型新穎，不僅作為植物園罩棚的支承結(jié)構(gòu)，還承載自重和亞克力板上部水荷載，施工過程中的安裝方案也較為復(fù)雜。傘柱狀結(jié)構(gòu)空間定位難度大，施工過程復(fù)雜，結(jié)構(gòu)施工過程中的主要受力構(gòu)件與一些關(guān)鍵部位的內(nèi)力、位移等參數(shù)的變化情況以及結(jié)構(gòu)卸載期間的受力狀態(tài)是否與初始設(shè)計相符，是否仍處于容許范圍以內(nèi)，成為一個不可忽視的問題。這就要求本工程在施工階段對鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變、結(jié)構(gòu)位移進行監(jiān)測。

3.12 注意事項

1）不銹鋼焊接收縮變形量大，焊接工人應(yīng)嚴格按照焊接工藝評定中規(guī)定的參數(shù)施焊，嚴格控制焊接電流、電壓和焊接速度。焊工需經(jīng)考試合格后持證上崗。

2）不銹鋼桿件在出廠前應(yīng)進行打磨、拋光處理，以減少現(xiàn)場打磨拋光的工作量，現(xiàn)場安裝、焊接完成后需要對所有構(gòu)件進行二次打磨拋光，以避免不同時期打磨拋光造成的表面明顯色差。

3）溫度收縮縫處理應(yīng)嚴格控制在25 ℃±2 K的情況下閉合施焊，旁邊放置測溫計進行溫度監(jiān)測。若在一天中25 ℃±2 K的時段內(nèi)未完成閉合施焊，應(yīng)停止施焊，待第2天繼續(xù)在25 ℃±2 K的時段完成施焊。

4 結(jié)語

在傘狀樹不銹鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，通過采取BIM模擬施工、仿真分析計算、關(guān)鍵控制部位健康檢測等措施，傘狀不銹鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度、焊接質(zhì)量、表觀效果等均得到了良好的控制。在此基礎(chǔ)上，編制形成了不銹鋼結(jié)構(gòu)施工的驗收標準和不銹鋼結(jié)構(gòu)焊縫探傷標準，為不銹鋼作為主受力結(jié)構(gòu)在建筑工程中的推廣應(yīng)用奠定了相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)。