1 引言

本工程項目為大型復雜鋼結(jié)構(gòu)雕塑， 項目承接初期僅有小尺寸泥塑造型，且施工地點位于河道水面，工程造型復雜且無先例，施工工期被壓縮到只有3 個月，針對該工程特點對三維數(shù)字掃描、3D 打印、模塊化建造、無紙化施工、高空吊裝調(diào)平等全新技術(shù)進行嘗試， 力求在壓縮的極短工期內(nèi)完成該復雜造型、復雜條件工程施工。

2 項目概況

本項目位于陜西省寶雞市鳳縣， 雕塑工程坐落于嘉陵江鳳縣縣城雙石鋪鎮(zhèn)河道內(nèi)，河道下游修建了兩座攔水壩，在此河段形成上下高低兩段靜水人工湖面，湖面寬度100~160 m，水深1~3 m，名為鳳凰湖，本工程主要為配合鳳凰湖景區(qū)提升改造， 內(nèi)容包括湖面用噴泉和水下景觀燈拼成長202 m，寬112 m 的平面鳳凰造型和高出水面35 m 的立體鳳凰雕塑兩部分，圖1 為完成后夜景圖片。

該雕塑自湖水靜水面起算高度35 m， 主體下部為混凝土平臺，后尾中部設(shè)兩支撐柱，主體鳳凰造型自混凝土平臺起算高度30 m，下部為大片白色浮云，后部為隨風飄揚九尾，兩翼翼展25.1 m， 主體內(nèi)部結(jié)構(gòu)為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)， 構(gòu)件為無縫鋼管，節(jié)點為管桁架相貫焊接和焊接球，雕塑外皮為S304 不銹鋼板鍛打成型，次結(jié)構(gòu)為角鋼及圓管焊接。

3 雕塑造型

2017 年12 月，鳳凰外觀造型初步確定（見圖2），造型為泥塑手工完成，優(yōu)點是造型直觀且方便修改，且修改后造型過渡自然順滑，雖不易保存、運輸，現(xiàn)由便攜數(shù)字掃描和3D 打印等現(xiàn)代技術(shù)手段彌補。

圖2 造型外形及尺寸（單位：m）

造型初步確定后結(jié)構(gòu)設(shè)計人員參與， 提出下部云朵側(cè)向剛度不足、尾部四散飄揚和兩翼厚度過薄等修改意見，泥塑師針對性修改，最終的定型方案獲得業(yè)主方認可（見圖3），經(jīng)數(shù)字掃描設(shè)備形成通用的三維數(shù)字文件， 通過用3D 打印輸出1∶50 的實體模型（見圖4）。

圖3 泥塑完成

圖4 3D打印

定型方案鳳凰高30 m， 下部云朵高度8 m， 兩翼展寬25.8 m，長34.7 m，主體長度12.3 m，后側(cè)尾部長22.4 m，尾部分散九飄尾用3 小塊云朵連接為整體，整體造型飄逸靈動，兩翼厚度由于結(jié)構(gòu)變形控制加厚。

4 結(jié)構(gòu)選型

現(xiàn)代大型雕塑主要以紀念人物或佛像為主， 以美國1885年完成紐約自由女神像開始，國內(nèi)和國際上相繼建成的各種大型雕塑，其中以香港天壇大佛、海南三亞南海觀音像、無錫靈山大佛等相對有名，這些雕塑主體結(jié)構(gòu)以鋼框架、鋼桁架結(jié)構(gòu)為主，另設(shè)與外部蒙皮過渡的副剛架、副支架，其中尤以設(shè)計建造埃菲爾鐵塔聞名的法國人埃菲爾在百年前設(shè)計的自由女神像結(jié)構(gòu)設(shè)計（見圖5）尤為突出，結(jié)構(gòu)效率高，整體高度46 m 的雕像主結(jié)構(gòu)鋼桁架120 t，外蒙皮為2.5 mm 銅片鍛打成型，質(zhì)量80 t，次結(jié)構(gòu)20 t（見圖6），合計雕像整體總質(zhì)量僅225 t，其簡潔有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念值得現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程師學習借鑒。

圖5 自由女神像結(jié)構(gòu)模型

圖6 蒙皮支承結(jié)構(gòu)

鋼框架、鋼桁架主要缺點是對雕塑外形適應(yīng)能力弱，不適用于體系復雜雕像，結(jié)合馬軍等[1]3介紹方法本工程選擇對外形適應(yīng)性最好的空間網(wǎng)格（鋼網(wǎng)架）結(jié)構(gòu)形式，充分利用桿件及節(jié)點可在專用設(shè)備進行，生產(chǎn)效率和加工精度高，現(xiàn)場裝配速度快的優(yōu)點，對文中提及缺點：大量桿件夾角無規(guī)律，節(jié)點種類多，安裝困難且綜合成本高的缺點，采取焊接球、管桁架結(jié)合和數(shù)字化建造技術(shù)等針對性對策解決， 使其可在形狀不規(guī)則雕像結(jié)構(gòu)上得到應(yīng)用。

5 結(jié)構(gòu)建模

根據(jù)本雕塑整體造型將整體結(jié)構(gòu)分為兩翼、主體和尾部，另將需轉(zhuǎn)動頭部結(jié)構(gòu)與主體分離，用轉(zhuǎn)動機械裝置連接，其中主體和兩翼結(jié)構(gòu)建模難度較大。

5.1 主體部分

根據(jù)馬軍等[1]5提出的結(jié)構(gòu)建?；痉椒ǎ⒏鶕?jù)造型變化特征，采用自下而上共計16 個橫斷面（見圖7），斷面間距分別為1 000 mm、1 300 mm、2 000 mm，既要能準確表達結(jié)構(gòu)造型，同時構(gòu)件長度還不至過短，造成結(jié)構(gòu)桿件過多，底部橫截面標高為支承平臺面，頂部為切除頭部斷口，標高23.800 m，各橫截面形狀和尺寸變化很大（見圖8），大致分為下部云段、中部身段和上部頸段，下部云段為0.00~7.90 m，長度7.5~11.2 m，寬度6~7 m 左右，中部身段9.2~19.2 m，長度3.5~5.0 m，寬度3.6~5.7 m，頸部為19.2 m 以上，為圓形（橢圓形），直徑1.5~2.1 m。

圖7 主體橫斷面標高

根據(jù)各斷面形狀， 預留300 mm 外皮及次結(jié)構(gòu)空間后，先布置外圍桿件和節(jié)點，之后在截面內(nèi)部布置節(jié)點和桿件，由于本雕塑內(nèi)部無功能要求，截面內(nèi)部桿件和節(jié)點布置未受制約，布置結(jié)果見圖9。

圖9 各層結(jié)構(gòu)布置

在各層平面的結(jié)構(gòu)布置完成后，進行豎向結(jié)構(gòu)布置，沿高度方向連接各層平面上的節(jié)點， 并適當布置高度方向的斜向支撐桿件。

馬軍等[1]5提及的由于雕塑表面輪廓的內(nèi)凹部分，豎向桿件有可能的內(nèi)凹表皮外露的所謂“犯界”問題，在結(jié)構(gòu)布置過程中綜合調(diào)整橫斷面標高、 橫向節(jié)點退讓、 桿件布置等各變量，最終完成主體結(jié)構(gòu)的空間線框，主體結(jié)構(gòu)正視圖見圖10，側(cè)視圖見圖11，透視圖見圖12。

圖10 主體結(jié)構(gòu)正視圖

圖11 主體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

圖12 主體結(jié)構(gòu)透視圖

5.2 兩翅結(jié)構(gòu)

本雕塑造型手工完成，兩翅尺寸外形基本一致，具體尺寸略有差別，兩翅高度4.5 m，翼展12 m 左右，厚度2 m，外形如圖13 所示。

圖13 兩翅外形尺寸

扣除兩側(cè)退讓外皮及次結(jié)構(gòu)各200 mm 后，兩翅結(jié)構(gòu)厚度僅有1 600 mm，根據(jù)外形及等距各斷面尺寸，兩翅結(jié)構(gòu)高度方向等距布置5 道桁架，桁架之間設(shè)置斜向和豎向連接桿件，形成整體空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，遠端造型制約過渡為單層，兩外側(cè)配合造型的凸起設(shè)置單層結(jié)構(gòu)配合，翅結(jié)構(gòu)線框圖見圖14。

圖14 翅結(jié)構(gòu)線框透視圖

5.3 尾部結(jié)構(gòu)

尾部厚度僅500 mm 左右，另行布置主結(jié)構(gòu)無空間，主要采用外皮次結(jié)構(gòu)， 在尾部斷面的芯部有限空間盡可能布置φ140 mm×12.0 mm 截面無縫鋼管輔助受力， 增強尾部結(jié)構(gòu)剛度。

尾部自主結(jié)構(gòu)外伸長度達20m， 在尾部小云造型位置設(shè)置兩根獨立支承柱，將原20m 的懸挑長度減半。

6 結(jié)構(gòu)計算

6.1 構(gòu)件

計算模型線框搭建完成后， 利用幾款常用計算軟件對結(jié)構(gòu)進行反復計算和設(shè)計，全部構(gòu)件選用無縫鋼管，材質(zhì)Q355B，桿件為φ219 mm×16 mm、φ219 mm×12 mm 和φ180 mm×12 mm。

6.2 荷載

1）恒載：結(jié)構(gòu)構(gòu)件考慮自重，放大系數(shù)1.2，雕塑外皮按0.30 kN/m2均布荷載加載在零剛度的殼單元，雙向傳遞到相鄰桿件。

2）活載：在主體中部考慮設(shè)置的頭部旋轉(zhuǎn)裝置配電裝置、兩翅噴水管路水泵、噴火裝置燃料罐集中點荷載；同時在兩翼端部對應(yīng)位置節(jié)點布置旋轉(zhuǎn)噴水噴頭集中點荷載， 兩翼中部均布集中點荷載考慮噴頭供水管道及管道內(nèi)水重。

3）風載：由于本雕塑體型特殊，風載為控制荷載，選擇本地重復周期100 年基本風載0.40 kN/m2，陣風系數(shù)2.0，風載體型系數(shù)偏安全統(tǒng)一按迎風面0.8，背風面0.5 選用，采用前后左右4 向風載工況，其中左右風工況，兩翅重復考慮加載，不考慮前后兩翅的遮擋。

4）地震荷載：抗震設(shè)防烈度為7 度，基本地震加速度為0.12g，地震分組為第三組，場地類別二類，按橫向和縱向雙向地震力設(shè)置地震計算工況。

6.3 應(yīng)力

根據(jù)陳紹藩疲勞研究分析及結(jié)論[2]，將結(jié)構(gòu)應(yīng)力比最大值控制在0.6 以下，以此降低結(jié)構(gòu)在長期風載作用下的應(yīng)力變化幅值，避免風載作用下疲勞應(yīng)力破壞，以期保證整體結(jié)構(gòu)的長期可靠。

6.4 風載變形

類似大型雕塑結(jié)構(gòu)尚無對應(yīng)規(guī)范對結(jié)構(gòu)變形限值， 可供參考規(guī)范有GB 50135－2019《高聳構(gòu)筑物設(shè)計規(guī)范》和CECS 148—2003《戶外廣告設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，GB 50135－2019對變形限值為H/75（H 為結(jié)構(gòu)高度），CECS 148—2003 對頂部水平位移限值為H/100，懸臂橫梁水平位移限值為L/150（L 為梁長），以作為參考的兩規(guī)范（規(guī)程）限值判斷，風載作用下結(jié)構(gòu)變形如表1 所列，結(jié)構(gòu)變形在正常范圍。

表1 結(jié)構(gòu)風載變形

6.5 蒙皮效應(yīng)

作為外部造型的不銹鋼外蒙皮和次結(jié)構(gòu)依附在主體結(jié)構(gòu)上，其對應(yīng)主體結(jié)構(gòu)受力有一定的有利影響，參考梁元瑋研究成果[3]，目前對蒙皮效應(yīng)對主體結(jié)構(gòu)受力影響尚無定量精準結(jié)論，本工程嘗試將外皮不銹鋼按實際厚度、連帶次結(jié)構(gòu)的折算厚度等不同數(shù)值輸入結(jié)構(gòu)模型進行試算， 計算結(jié)果對減少結(jié)構(gòu)變形和降低結(jié)構(gòu)自振周期有一定幫助，但效果并不明顯，實際工程未考慮此有利影響。

6.6 結(jié)構(gòu)主要振型及周期

1） 根據(jù)結(jié)構(gòu)主要振型周期等數(shù)據(jù)和振型變形形態(tài)分析（見表2），與對整體結(jié)構(gòu)的初步概念判斷基本一致，下部云段和中部身段交接部位結(jié)構(gòu)寬度急劇收窄， 對結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度有較大削弱，側(cè)向變形為第1 振型變形形態(tài)，側(cè)向風載作用結(jié)構(gòu)側(cè)向變形較大，同時間接影響第2、第3 振型。

表2 結(jié)構(gòu)振型及形態(tài)

2）兩翅結(jié)構(gòu)厚度受造型形態(tài)約束，根部厚度1.5 m 左右，振型4 為兩翼同向前后變形形態(tài)， 隨后的振型也主要是以兩翼的上下和前后變形為主要形態(tài)。

3）在主體結(jié)構(gòu)桿件截面選擇上將兩翼根部和主體腰部截面頸縮部位桿件予以加強。

7 現(xiàn)場施工

1）平臺：本工程下部平臺樁基礎(chǔ)于2018 年2 月春節(jié)前施工，樁承臺及上部混凝土平臺施工于2018 年3 月16 日開始，4 月9 日完成混凝土澆筑，5 月初養(yǎng)護結(jié)束具備承載條件。

2）主體鋼結(jié)構(gòu)：材料于3 月29 日進場開始拼裝，5 月7 日完成結(jié)構(gòu)部件現(xiàn)場拼裝，交付后續(xù)工序。

3）不銹鋼外皮：3 月13 日人員及材料進場，5 月17 日基本完成各部件外皮鍛打。

4）整體吊裝：分上下兩部分，下半云尾部分5 月18 日下午完成，上半身翅部分5 月19 日下午完成起吊離地、平移、后背調(diào)平支架及試調(diào)平等準備，5 月20 日上午完成就位和臨時固定。

5）外部修補和面漆：搭設(shè)整體腳手架進行高空外皮局部修補和面漆施工，主體結(jié)構(gòu)同步進行結(jié)構(gòu)加固、鋼構(gòu)件防腐油漆和防火涂料施工。

整體工程于6 月15 日初步完成，并于當晚配合業(yè)主方與同期完工的水下燈光及噴泉工程進行首場演藝表演， 后期在每年夏季豐水季節(jié)每周定期噴泉和燈光表演， 成為當?shù)貥酥拘跃坝^，項目整體于2022 年完成竣工驗收，正式交付業(yè)主方投入使用，工程完成后水面蓄水后圖片（見圖15）。

圖15 工程完成

8 結(jié)語