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        景觀鋁合金云巢結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

        2021-11-05 07:47:30
        建筑施工 2021年7期
        關(guān)鍵詞:六邊形桿件立柱

        馬 娟

        上海園林綠化建設(shè)有限公司 上海 200333

        現(xiàn)代景觀建筑物造型日趨復(fù)雜奇特,異形建筑物常選用金屬結(jié)構(gòu)[1]。金屬結(jié)構(gòu)具有造型輕盈、金屬用量小、投影面積大、結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜等特點(diǎn)。傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)建造技術(shù)采用現(xiàn)場(chǎng)拼接安裝,存在措施費(fèi)用高、建造過(guò)程復(fù)雜、施工周期長(zhǎng)等問(wèn)題,亟待改進(jìn)。

        本文以2019年北京世園會(huì)上海展園鋁合金云巢為背景,針對(duì)性地介紹了鋁合金云巢結(jié)構(gòu)的高精度拼裝快速施工技術(shù),旨在研究和總結(jié)一套金屬結(jié)構(gòu)高精度快速拼裝建造工藝,為今后大型綠地金屬景觀建筑物施工提供拼裝技術(shù)范本,也為行業(yè)沉淀和固化技術(shù)作出一定的貢獻(xiàn)。

        1 工程概況

        2019年北京世界園藝博覽會(huì)園區(qū)位于北京市延慶區(qū)媯水河沿岸,總面積960 hm2,上海展園位于圍欄區(qū)南側(cè),靠近南部入口處的中華園藝展示區(qū)華東組團(tuán)C30地塊,總面積為2 850 m2。

        上海展園以“祥云園”為主題,通過(guò)景觀園藝的手段表達(dá)“祥云獻(xiàn)瑞,雨潤(rùn)萬(wàn)物”的愿景。上海園的東側(cè)一角設(shè)置1座鋁合金景觀建筑物云巢,占地面積大約270 m2,長(zhǎng)約22 m、寬約21 m、高約8.6 m,整個(gè)云巢由弧形的鋼結(jié)構(gòu)作為骨架,內(nèi)部形成一個(gè)無(wú)柱的大型空間,構(gòu)架表皮采用六邊形輕質(zhì)鋁合金構(gòu)件覆蓋。由于表皮構(gòu)件的疏密疊加,從園中不同視角望去,展現(xiàn)出如天上流云一般的變幻效果,形成云的意象(圖1)。

        圖1 2019年北京世園會(huì)上海園實(shí)景

        2 工程重、難點(diǎn)分析

        2.1 節(jié)點(diǎn)、桿件數(shù)量巨大,安裝工作量巨大

        計(jì)算模型節(jié)點(diǎn)數(shù)10 206個(gè),桿件數(shù)量20 016根,屋面板數(shù)量394塊。本項(xiàng)目預(yù)埋件209個(gè),網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)板1 016塊,其連接錨栓超過(guò)48 768個(gè),六邊形和立柱鋁合金連接件13 564個(gè),不銹鋼連接件2 502個(gè),連接螺栓182 784個(gè)。編碼和安裝過(guò)程將耗費(fèi)技術(shù)人員大量精力,且需調(diào)整時(shí)易發(fā)生錯(cuò)誤。

        2.2 桿件截面短而小,安裝空間極其狹小

        殼體桿件大部分長(zhǎng)度在1 m左右,小的只有30 cm左右,六邊形網(wǎng)格邊長(zhǎng)為500 mm,高度為666 mm。高空作業(yè),安裝受限。

        2.3 多專(zhuān)業(yè)協(xié)同配合施工

        本工程是多專(zhuān)業(yè)協(xié)同配合的綜合性工程,除與土建結(jié)構(gòu)施工配合外,與燈光安裝、室內(nèi)景觀等配合時(shí),均要求有合理科學(xué)的技術(shù)措施加以保證。

        3 鋁合金云巢結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

        3.1 設(shè)計(jì)精度保證

        本工程針對(duì)造型復(fù)雜的景觀建筑物設(shè)計(jì)精度低的難題,創(chuàng)新研發(fā)了運(yùn)用Rhino與Grasshopper計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái):首先,通過(guò)平面六邊形網(wǎng)格定位確定各個(gè)頂點(diǎn)與形心點(diǎn),根據(jù)實(shí)際使用功能高度確定造型整體框架;其次,在多層六邊形網(wǎng)格體現(xiàn)中,根據(jù)漂浮之云的概念,在模型空間限定云的基本邊界輪廓;最后,通過(guò)設(shè)定六邊形空間框架與云邊界的結(jié)合關(guān)系,運(yùn)用遺傳算法,由軟件核算出最佳外輪廓形狀。

        3.2 利用參數(shù)化設(shè)計(jì)編碼

        參數(shù)化設(shè)計(jì)是將工程本身編寫(xiě)為函數(shù)的過(guò)程,通過(guò)修改初始條件并經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算得到工程結(jié)果的設(shè)計(jì)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)化。本工程的每個(gè)零件和每個(gè)結(jié)構(gòu)弧度都不一樣,由國(guó)內(nèi)技術(shù)先進(jìn)的廠(chǎng)家按照編碼定位進(jìn)行預(yù)制后,進(jìn)場(chǎng)精準(zhǔn)裝配,用在景觀園林上還屬創(chuàng)新嘗試。為保證十余萬(wàn)零部件連接可靠性,采用先進(jìn)快速的錨固手段——Huck氣壓拉鉚螺栓。

        3.3 選材時(shí)減輕景觀建筑物質(zhì)量

        本工程針對(duì)框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和質(zhì)量重的技術(shù)難題,采用鋁合金材料作為建筑物的框架,利用鋁合金材料質(zhì)輕且柔軟、強(qiáng)度好、耐蝕性能好、加工性能好、可回收利用等優(yōu)點(diǎn),確保云巢的景觀性能,且符合本次世園會(huì)的可持續(xù)發(fā)展要求。

        3.4 云巢結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

        云巢上部結(jié)構(gòu)采用全鋁合金結(jié)構(gòu),其中橢球面部分采用單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),桿件采用工字型鋼截面150 mm×100 mm×8 mm×10 mm,其余各層結(jié)構(gòu)采用鋁合金六邊形網(wǎng)格梁加立柱結(jié)構(gòu)體系,網(wǎng)格梁截面尺寸為B30 m×80 mm×6 mm,立柱截面為邊長(zhǎng)80 mm等邊三角形,上部各層結(jié)構(gòu)的大部分區(qū)域支撐于下部橢球面單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)之上,其余部分支撐于下部混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上,支座均采用鉸接支座。橢球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)下部支撐于混凝土基礎(chǔ)頂面,支座采用剛接連接。橢球面結(jié)構(gòu)頂部區(qū)域布置屋面板,其余結(jié)構(gòu)均為鏤空構(gòu)架,無(wú)覆蓋材料(圖2)。

        圖2 云巢單層殼體結(jié)構(gòu)和六邊形及立柱結(jié)構(gòu)

        4 施工技術(shù)要點(diǎn)

        4.1 精確加工

        本工程設(shè)計(jì)的穹頂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及其節(jié)點(diǎn),其結(jié)構(gòu)的曲線(xiàn)變化處理均在節(jié)點(diǎn)板上考慮,同時(shí)多層六邊形結(jié)構(gòu)桿件、節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多,節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜,因此節(jié)點(diǎn)的加工精度應(yīng)嚴(yán)格控制,這也是本工程質(zhì)量控制的難點(diǎn)。整個(gè)構(gòu)件加工可分割為五個(gè)步驟。為確保加工精度和提高生產(chǎn)能力,選用精度高的數(shù)控車(chē)床和立式多軸加工中心,并配備質(zhì)量過(guò)關(guān)的進(jìn)口刀具。

        4.2 預(yù)埋件施工

        在土建基礎(chǔ)及云巢結(jié)構(gòu)施工前即引入結(jié)構(gòu)預(yù)埋件的作業(yè),保證預(yù)埋件及時(shí)準(zhǔn)確的定位安裝,是后續(xù)整體工程順利施工的重點(diǎn)。精確的定位測(cè)量放線(xiàn)是本工程施工成功的前提保證。施工時(shí)采用全站儀、水準(zhǔn)儀等進(jìn)行測(cè)量。

        現(xiàn)場(chǎng)要用全站儀嚴(yán)格控制埋件的設(shè)計(jì)精度。位置確定后采用固定支架把預(yù)埋件與基礎(chǔ)鋼筋固定牢固,確?;A(chǔ)澆筑混凝土?xí)r預(yù)埋件不發(fā)生移位。為防止混凝土結(jié)構(gòu)施工對(duì)埋件位置造成影響,對(duì)埋件進(jìn)行臨時(shí)剛性支撐固定。

        1)混凝土澆筑前再次復(fù)核埋件坐標(biāo),確保埋件位置的準(zhǔn)確性(每個(gè)埋件在不同的施工階段將復(fù)測(cè)3~5次)。

        2)澆搗混凝土?xí)r,埋件施工人員、測(cè)量人員不間斷地現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),用紅外線(xiàn)全站儀直接對(duì)準(zhǔn)埋件定位點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核,如出現(xiàn)問(wèn)題立即采取相應(yīng)措施進(jìn)行調(diào)整。

        4.3 殼體結(jié)構(gòu)施工

        1)按施工圖測(cè)量相應(yīng)的預(yù)埋件,將工廠(chǎng)制作好的鋁合金桿件、節(jié)點(diǎn)從殼體結(jié)構(gòu)的支座處開(kāi)始安裝,同步搭設(shè)腳手架。

        2)從殼體結(jié)構(gòu)采光頂開(kāi)始安裝,穹頂安裝合攏后固定采光頂支座,然后安裝采光板,再安裝云巢立桿連接件。腳手架根據(jù)云巢的搭設(shè)方向逐步后退,邊搭邊拆,腳手架總高度搭至9 m,基本負(fù)載以人員操作為主,無(wú)堆載。

        3)殼體結(jié)構(gòu)施工時(shí)在室內(nèi)搭設(shè)盤(pán)扣式腳手架,桿件從支座開(kāi)始逐步往上施工,主體施工完成后再施工3個(gè)通道處的殼體結(jié)構(gòu)。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件之間采用盤(pán)式節(jié)點(diǎn),安裝時(shí)應(yīng)對(duì)照?qǐng)D紙確認(rèn)桿件、節(jié)點(diǎn)板的類(lèi)型與規(guī)格準(zhǔn)確無(wú)誤,確認(rèn)鎖緊螺栓的類(lèi)型和數(shù)量準(zhǔn)確無(wú)誤,使用Huck氣壓拉鉚螺栓,檢查螺栓尾部是否全部脫落,確認(rèn)鎖扣可靠(圖3)。

        圖3 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

        4.4 立柱及六邊形網(wǎng)格梁施工

        1)殼體結(jié)構(gòu)主體封頂后開(kāi)始施工立柱及六邊形網(wǎng)格梁,從中心點(diǎn)開(kāi)始向各個(gè)方向往外推進(jìn)。

        2)具體步驟為:先放樣立柱位置,臨時(shí)固定立柱,然后安裝此立柱上所有各層節(jié)點(diǎn)板,最后逐層安裝六邊形網(wǎng)格梁。完成第一個(gè)六邊形結(jié)構(gòu)后,先往外安裝一層六邊形網(wǎng)格梁,再插立柱并臨時(shí)固定,然后安裝剩余各層六邊形網(wǎng)格梁,以此類(lèi)推完成整個(gè)結(jié)構(gòu)的安裝。

        3)三角形立柱與六邊形橫梁之間的連接是本項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn),設(shè)計(jì)時(shí)采用立柱貫通,橫梁與立柱之間采用鋁合金節(jié)點(diǎn)板連接,節(jié)點(diǎn)板之間在3個(gè)方向分別設(shè)置豎向鋁合金固定件,鋁合金固定件與立柱之間采用不銹鋼螺栓連接(圖4)。

        圖4 立柱與六邊形橫梁之間連接構(gòu)造

        4)從縱軸線(xiàn)往兩側(cè)搭設(shè),搭設(shè)時(shí)用全站儀加以監(jiān)測(cè),三角型材與埋件先作暫時(shí)固定,搭至6層后才能最終固定,確保有調(diào)節(jié)施工誤差的余地??偲囱b完成后,應(yīng)該檢查網(wǎng)殼曲面形狀的安裝誤差,最大允許誤差應(yīng)不大于直徑的1/3 500或±35 mm。確認(rèn)安裝偏差符合要求之后,方可拆除安裝支架。

        4.5 覆蓋材料、收邊施工

        六邊形網(wǎng)格梁及立柱結(jié)構(gòu)安裝完畢后,在橢球面結(jié)構(gòu)頂部區(qū)域布置屋面板,屋面板數(shù)量394塊,其余結(jié)構(gòu)均為鏤空構(gòu)架,無(wú)覆蓋材料。屋面板采用厚8 mm的亞克力板作為覆蓋材料,并用硅酮密封膠和泡沫棒密封,最后門(mén)洞采用鋁合金板材收邊。

        4.6 入口通道增加鋁板、內(nèi)部滴灌栽培保綠

        1)現(xiàn)場(chǎng)所有結(jié)構(gòu)已經(jīng)安裝完成,但為了提升云巢整體效果,在三個(gè)通道內(nèi)表面增加三角鋁板,并在鋁板內(nèi)做垂直綠化。

        2)云巢的內(nèi)部懸吊花球,運(yùn)用滴管栽培的生物技術(shù)將科技與植物相融合,從而凸顯了植物風(fēng)貌與科技融合的空間感。

        3)云洞的投影范圍內(nèi)有一處水面上的綠島,上面種植修竹穿云而出,形成相互穿插的形態(tài),配合土建小品、燈光布置、音樂(lè)環(huán)繞和植物配置等,最終將云巢打造得像一座科創(chuàng)之城(圖5)。

        圖5 云巢施工成品效果

        5 結(jié)語(yǔ)

        創(chuàng)新應(yīng)用景觀鋁合金云巢結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼裝施工,并在施工過(guò)程中解決了鋁合金云巢結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)多的問(wèn)題,施工便利、安全可靠、質(zhì)量有保障,大大降低了深化人員和現(xiàn)場(chǎng)拼裝人員的工作量,縮短了施工工期。最終,上海園摘得AIPH大獎(jiǎng)和組委會(huì)大獎(jiǎng),室內(nèi)展區(qū)獲組委會(huì)特等獎(jiǎng)。景觀鋁合金云巢施工技術(shù),可為今后類(lèi)似項(xiàng)目提供很好的借鑒價(jià)值。

        [1] 陳穎.鋼結(jié)構(gòu)景觀蘑菇樹(shù)整體施工技術(shù)[J].建筑施工,2021,43(2):198-200.

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