鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘要：合肥國際創新展示館棚罩鋼結構屬于一種空間網格管結構，由于極度無序的外觀形狀而被稱“合肥鳥巢”。本文全面介紹了這一無序空間網格管結構的概念設計與施工，包括結構組成、桿件截面和節點形式、節點工法、節點構造、深化設計、加工安裝等。重點介紹了等徑管相貫節點的變換技術、多枝空間異型節點的構造設計，以弘揚復雜問題簡單化的設計理念。
關鍵詞：棚罩 管結構 多分枝空間異型節點 等徑管相貫 焊接節點 相切節點
1. 工程概況
合肥國際創新展示館（圖1、圖2）位于合肥市濱湖新區，建筑面積1.4萬?，設計新穎、獨特，由長短不一的金屬桿件空間無序交叉桿組成棚罩。建筑設計理念來自于兒童積木游戲棒，由其外觀聯想而被稱“合肥鳥巢”。展館鋼結構平面近似形成一個不規則六角形（圖3），高約28m，由346根鋼管架設而成。桿件分布復雜，最多處有8根桿件交匯于一點。
圖1 合肥鳥巢建筑實景照片
圖2 合肥鳥巢建筑夜景照片
2. 結構設計
2.1 結構組成
該工程鋼結構棚罩桿件布置由建筑效果確定。
棚罩桿件大致分為五級：
一級桿件38根，每組三根,空間交叉相貫搭建，且每根落地；二級桿件43根，相貫搭建于一級桿件上，為一級桿件提供支撐，部分桿件直接落地；三級桿件140根，結合一二級桿件相貫搭建,形成圍護折面；一二三級桿件不規則分布，共同組成棚罩鋼結構，屬于“無序空間網格管結構”。
圖3 合肥鳥巢平面圖
四級桿件93根、五級桿件32根，系為豐富建筑物形體所設置的裝飾桿件，與一二三級桿件相切搭接。
2.2 桿件截面與節點形式
建筑效果要求，整個工程的所有桿件一律采用直徑d700mm的鋼管，節點形式為相貫、相切、咬合三種。
其中，多管“相貫節點”數量最多，約有上百處，用于一二三級桿件，即結構桿件之間的連接節點，稱作“主節點。”四五級裝飾桿件與主管為“相切節點”或“銷貫節點”。由于建筑效果的特別選擇，極少數節點自然形成“咬合節點”。相切節點和咬合節點稱作“次節點”。
2.3 結構設計
該結構設計考慮的荷載除自重、恒載、檢修活荷載、風、地震外，更重要的是要考慮積雪、結冰、裹冰荷載，以及溫度應力。
由建筑確定布置的桿件較密，空間雜亂交叉。這種雜亂，極度的無序，實際上形成了自然的“勻稱”，“自然界的相對均勻布置”。無限相象，可以認為“雜亂的極限趨于均勻”。試想想，鳥筑之巢，桿件密實，基本勻稱，屬于無序中又些許有序的“編織網殼”。但不存在一般網殼的穩定問題，受力變形性能尚可。
據此概念分析和多年的工程設計經驗判斷，在建筑要求的結構組成、桿件截面和節點形式等技術條件下，荷載作用下的結構桿件受力變性性能應該相對次要，安全可靠度容易滿足，主要是構造問題，核心問題是節點構造。設計應該著力最大限度地改善加工安裝技術條件，盡可能地做到經濟、合理。
管壁厚度在滿足加工焊接基本構造要求的前提下，盡可能的薄，以求經濟。設計采用d700X10、d700X8直縫鋼管，低碳鋼Q235B。結構受力變形分析結果（另文）驗證了結構設計師初期的概念分析判斷。
2.4 節點工法選擇
節點設計可采用焊接節點，也可選用鑄鋼節點。
鑄鋼節點屬于新技術，但已成熟，只要構造倒角滿足澆鑄工藝要求，節點應力分析清楚，況且本工程受力相對次要，為此，采用鑄鋼節點，設計最為簡單。但鑄鋼節點造價較高，尤其是本工程幾百個節點，沒有一個重復的，如果采用鑄鋼，則勢必一點一開模。恐怕每個節點的澆鑄工藝必須適應千變萬化的分叉交角、倒角的不同條件，技術難度也不小。致使鑄鋼節點的造價必定相當昂貴，工期較長。
作者秉承“復雜問題簡單化”的理念，將“復雜建筑簡單結構，復雜結構簡單加工安裝”作為結構設計的最高境界。設法運用最簡單的傳統工法與技術，將幾何上為相貫、相切、咬合的三種節點全部設計為普通的焊接節點。
2.5 主節點設計
主節點為相貫節點，在整個工程中有幾百多個，建筑師追求“等徑”桿件平滑相貫效果。如直接相貫焊接，相貫線切割出的管壁相貫邊口倒角尖銳，無法保證受力焊縫的焊縫質量與焊接外觀效果。設計采用了“等徑管變徑轉換相貫技術”，巧妙的選取節點處的一根，尤其是落地管，作為主管，保持d700mm直徑不變；將其它桿件變徑為d400mm，再與主管相貫焊接（圖4）。相貫焊接完成后，再將變徑部分用薄鋼板外包，與直通桿件等徑。
圖4 合肥鳥巢等徑管變徑轉換相貫節點
圖5 合肥鳥巢相切銷貫節點
鋼管縮徑轉換的方法可以多種多樣。可采用環布徑向加勁肋將兩個不等徑管貼角焊，焊縫以受剪為主，構造簡單，強度可靠。也可采用變徑錐管轉換，等強對接焊接。具體宜結合加工安裝單位技術條件和經驗選用。本工程采用前者。
等徑管變換后，采用的一般主次管（不等徑管）相貫焊接節點，可按照規范[1][2]并參考有關文獻[3]-[8]進行構造設計和承載力驗算。
2.6 次節點
相切節點，用于四五級裝飾桿件與主管的連接，屬于非結構桿件節點，相對次要。設計采用小徑管同時穿銷兩個相切主管，與兩個相切主管相貫焊接（圖5）。桿件管在小徑銷管端部的相貫缺口面，即在桿件管上切下的管片，待銷貫焊接后，復原修復焊接，封堵銷管端頭。相切節點的管軸錯位一個管徑，銷管有受扭作用，設計注意驗算其抗扭強度。
咬合節點，即等徑管管軸錯位小于管徑，交叉形成管管咬合相貫，屬于建筑效果中特殊選擇的極少數，直接采用咬合相貫焊接。
2.7 設計小結
對于本工程無序空間網格管結構，除了結構桿件一律等徑d700mm的特殊要求外，由于所有節點交角千變萬化，沒有一個重復的，有些夾角極小，造成以往設計宜于規避的問題都云集出現。為了符合建筑師的原創設計理念，結構設計師絞盡腦汁，想盡一切辦法，仍實現相貫焊接節點，避免了鑄鋼節點，取得了顯著的經濟效益，加快了工程進度。
焊接與鑄鋼節點比選考慮的主要因素如下表。
焊接與鑄鋼節點比選表
3. 深化設計
鋼結構深化設計采用芬蘭X-STEEL軟件，根據設計要求的桿件貫通、節點勁板設置原則，完成桿件分段、節點細化、臨時連接措施設計、加工詳圖繪制。由于各桿件分布無規律，桿件交匯數量多，角度各異，無相同構件（圖6），深化設計無法采用參數化節點進行批量模型處理，手工操作量大。
受桿件三維不規則影響，常規的平、立、剖圖紙很難將構件的空間關系表達清楚，為此深化設計圖紙上加入了構件關鍵特征點坐標、三維軸測圖和平面位置縮影圖。此外深化設計還必須考慮各專業的交叉問題，將水、電、風（某些桿件設計作為通風管或管線管道）、幕墻等與桿件有關的節點一并反映到深化圖上，避免出現鋼構件安裝后，后續施工專業無法開展工作的情況。
a 相貫節點 b 相切節點
圖6 合肥鳥巢深化設計典型節點
4. 加工安裝
4.1 工廠加工
多分枝空間異型節點制作復雜，構件制作精度要求高，桿件交匯，任何一根桿件的微小制作偏差，經對接段放大，都可造成相鄰桿件的大偏差。管管相貫節點采用計算機編程，自動切割機完成相貫線切割。構件采用胎膜、地樣線錘法組立，全站儀坐標復測，采用半自動二氧化碳氣保焊對稱施焊，有效控制焊接變形，將構件制作誤差控制在3mm以內。運輸過程做好防變形保護措施。
4.2 現場安裝
本工程鋼結構桿件呈空間多向交織狀態，桿件之間相互牽連、制約。根據結構特點，采用“高空原位散裝工藝”，使用MIDAS，X-STEEL等軟件進行臨時支撐胎架設計、驗算、定位和制作詳圖編制。經過設計的許可，構件安裝總體順序不拘泥于桿件結構受力主次關系，根據空間位置情況采用“由內到外，由低到高，分層分片”的原則實施安裝（圖7）。為確保吊裝施工的順利開展，施工前采用計算機仿真模擬技術，在計算機上模擬構件吊裝，優選出最佳吊裝順序方案，規避吊序不當造成后續構件無法安裝等問題。
選擇合理的胎架結構形式，是確保桿件安全、順利安裝的基礎。根據桿件在空間無序、密集分布的特點，針對性設計了獨立和格構相結合的胎架結構形式，胎架材料采用H400*400*13*21、H300*300*10*15、H200*200*8*12型鋼，連系梁采用D159*8無縫管，材質均為Q235B。H型鋼強軸面向受荷方向，頂部設置月牙仿形工裝。組合胎架較好的解決了承載力、穩定性、防碰撞三大難題，且工效高，安全性好。
現場建立全站儀測控網，構件吊裝到位后，利用激光反射片和小棱鏡捕獲構件主桿及至少一個牛腿中心坐標，精確定位每根構件的空中姿態，避免累計誤差（圖8）。還采用管壁三面拉設通線等方法確保多構件拼裝后，桿件的直線度，滿足建筑美觀要求。
構件采用全焊接連接，仰焊量大且施焊空間有限，焊前搭設高度適宜的焊接操作平臺，提高工人操作舒適度。因構件管壁薄，控制管件對接錯邊對控制焊接質量尤為重要，為防止焊接變形，每個接口位置設置拘束板，由兩名焊工對稱施焊。構件焊接需保持另一端為自由端，以便于焊接殘余應力的釋放。
圖7 合肥鳥巢現場吊裝
圖8 合肥鳥巢現場測量
5. 小結
本工程無序空間網格管結構的設計與加工安裝的實踐，成為以“復雜問題簡單化”的理念，將“復雜建筑簡單結構，復雜結構簡單加工安裝[10][11]”，作為結構設計的最高境界的又一個成功案例。具體體會如下：
1) 等徑管變徑轉換相貫技術應用于無序空間網格管結構主節點是成功可靠、經濟合理的。
2) 相貫和相切及咬合三種節點形式，在無序空間網格管結構的結合使用是適宜的。
3) 雜亂空間網格管結構宜采用焊接節點，避免采用鑄鋼節點的經濟社會效益顯著。
4) 全站儀坐標測控法的運用和組合式施工措施胎架的設計，有效的確保了無序空間網格管結構構件的制作和安裝精度，達到了美觀的建筑效果。
參考文獻
[1] 鋼結構設計規范 GB 50017
[2] 鋼結構焊接及驗收規程 JGJ 18
[3] 陳以一 陳揚驥 鋼管結構相貫節點的研究現狀 管結構技術交流會論文集p227 2001年11月
[4] Xiao-Ling Zhao Research and Design of Tubular Structures 管結構技術交流會論文集p119 2001年11月
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[7] 徐一鳴 周觀根 空間管結構節點設計與加工 管結構技術交流會論文集p280 2001年11月
[8] 劉錫良 林彥 鑄鋼節點的工程應用與研究 建筑鋼結構進展 VOL.6 NO.1 2004
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[10] 郭滿良 凌江 三鉸剛架交叉結構的概念設計 深圳土木建筑 2011.09
[11] 虎秉銀 郭滿良等 交叉彎扭剛架的深化設計與加工 深圳土木建筑 2011.09
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