上海自然博物館（新館）“細(xì)胞壁”式鋼結(jié)構(gòu)成套施工技術(shù)研究

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 工程概況

上海自然博物館（新館）（上海科技分館）工程位于上海靜安區(qū)山海關(guān)路、北京西路、石門二路地塊， 建筑總高度18 m，地上3層，地下2層。建筑的整體靈感源于鸚鵡螺的殼體形式，建筑核心區(qū)域“細(xì)胞壁”為兼顧結(jié)構(gòu)性承載和勾勒建筑造型的藝術(shù)鋼結(jié)構(gòu)。網(wǎng)殼平面投影為“鸚鵡螺”形，立面為同心不同軸空間展開橢圓面（圖1）。

圖1 上海自然博物館工程效果圖

“細(xì)胞壁”結(jié)構(gòu)體系為空間異形豎向承重網(wǎng)殼，以五邊形和六邊形網(wǎng)格組成的空間異形不規(guī)則單層網(wǎng)架（結(jié)構(gòu)外邊緣處為三角形和四邊形形式），整個建筑造型呈半橢圓形螺旋上升，結(jié)構(gòu)形態(tài)垂直豎立于地面，弧形中部向橢圓內(nèi)傾斜（最大內(nèi)傾5 m），結(jié)構(gòu)最高處為32.2 m。

“細(xì)胞壁”由核心區(qū)、延伸區(qū)、懸挑區(qū)組成（圖2）。核心區(qū)自-16.1 m起，最高達(dá)16.1 m；延伸區(qū)自-0.50 m起，最高達(dá)7.5 m；懸挑區(qū)自5.6 m起，最高達(dá)16.1 m。鋼構(gòu)件均采用焊接箱形截面，截面規(guī)格為500 mm×275 mm×16 mm×14 mm，構(gòu)件形式分為節(jié)點(diǎn)和桿件，鋼結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約555 t。

圖2 “細(xì)胞壁”三維模型及展開示意

2 特點(diǎn)與難點(diǎn)分析

1）深化設(shè)計難度大。將結(jié)構(gòu)分解為節(jié)點(diǎn)和桿件，結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)和桿件眾多，且節(jié)點(diǎn)與桿件均不相同。節(jié)點(diǎn)由3～6肢牛腿組成，節(jié)點(diǎn)牛腿軸線夾角各異，牛腿法線與節(jié)點(diǎn)法線夾角各異。利用以往的深化設(shè)計手段將每一個節(jié)點(diǎn)表述出來顯然不現(xiàn)實(shí)，同時也難以準(zhǔn)確地表現(xiàn)矩形桿交匯這種復(fù)雜的多維角度[1]。

2）節(jié)點(diǎn)制作難度大、精度要求高、檢驗困難。此類結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)由3～6肢牛腿組成，由于是矩形桿匯交，存在空間多維角度。必須制定一套切實(shí)可行的加工制作工藝才能確保構(gòu)件精度[2]。

3）現(xiàn)場安裝難度大。由于結(jié)構(gòu)為矩形桿件空間多桿交匯，結(jié)構(gòu)在安裝過程中，單個節(jié)點(diǎn)需與3～6根桿件精確定位，必須采用一套合理的施工工藝，滿足鋼網(wǎng)殼的安裝精度，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜造型[3]。

3 無紙化深化設(shè)計技術(shù)

由于“細(xì)胞壁”式鋼結(jié)構(gòu)為多矩形桿空間交匯的異形網(wǎng)架，節(jié)點(diǎn)達(dá)900多個，桿件達(dá)1 300多根，且構(gòu)件無一相同。采用常規(guī)的深化設(shè)計手段，無法準(zhǔn)確地表達(dá)不同節(jié)點(diǎn)的空間尺寸和節(jié)點(diǎn)桿件間的相對關(guān)系，深化工作非常繁重，深化過程中極易出錯且無法復(fù)核。基于新型的機(jī)器人加工技術(shù)，一種無紙化深化設(shè)計手段應(yīng)運(yùn)而生。無紙化深化設(shè)計技術(shù)是一種利用軟件實(shí)現(xiàn)3D模型數(shù)據(jù)采集和處理，轉(zhuǎn)換成機(jī)器人可識別的加工數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人切割裝配的技術(shù)。無紙化深化技術(shù)總體流程如下[4-6]：

1）確定“細(xì)胞壁”式鋼結(jié)構(gòu)單線模型，明確單線模型與玻璃幕墻、遮陽鋁條面的相互關(guān)系及邊界；

2）生成“細(xì)胞壁”式鋼結(jié)構(gòu)全三維實(shí)體模型，并由設(shè)計確認(rèn)，作為深化設(shè)計依據(jù)，形成封樣；

3）利用“多桿匯交瓣式網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)深化”軟件提取實(shí)體模型加工數(shù)據(jù)。軟件自動分析每根桿件的空間位置和截面方向，提取桿件牛腿截面控制點(diǎn)坐標(biāo)及中心控制點(diǎn)坐標(biāo)并轉(zhuǎn)換成機(jī)器人可識別的加工數(shù)據(jù)；

4）采用了“正解”的方法，重新將數(shù)據(jù)進(jìn)行各零件的三維建模。并通過計算機(jī)虛擬裝配來復(fù)核數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 機(jī)器人加工制作工藝

機(jī)器人加工制作工藝是利用5自由度混聯(lián)機(jī)器人通過加工制作數(shù)據(jù)進(jìn)行牛腿相貫線切割，并利用三維工裝臺進(jìn)行節(jié)點(diǎn)組裝，最終利用三坐標(biāo)檢測儀實(shí)現(xiàn)構(gòu)件精度復(fù)核的成套工藝。

節(jié)點(diǎn)加工采用制作標(biāo)準(zhǔn)塊、機(jī)器人加工相貫線、三維組裝、數(shù)控加工的工藝，將幾個獨(dú)立的牛腿構(gòu)造單元按設(shè)計定位角度與中心圓柱組合成焊接構(gòu)件，如圖3所示。

圖3 相貫牛腿節(jié)點(diǎn)裝配示意

機(jī)器人加工技術(shù)總體流程為：加工數(shù)據(jù)處理→標(biāo)準(zhǔn)桿件切割→牛腿相貫線切割→三維工裝臺裝配→節(jié)點(diǎn)組焊接→節(jié)點(diǎn)熱處理→節(jié)點(diǎn)機(jī)加工→三坐標(biāo)檢測→表面處理涂裝→成品出廠。

5 “細(xì)胞壁”式鋼結(jié)構(gòu)安裝工藝

“細(xì)胞壁”式鋼結(jié)構(gòu)總體安裝施工路線采用利用結(jié)構(gòu)自身剛度，自下而上逐環(huán)施工，節(jié)點(diǎn)桿件高空懸拼的方法。采用6015型塔吊分件散裝，吊裝構(gòu)件主要為節(jié)點(diǎn)+桿件的組合構(gòu)件，組合構(gòu)件質(zhì)量控制在1 t左右。

5.1 第1階段施工

-16.10～±0.00 m間“細(xì)胞壁”結(jié)構(gòu)施工。“細(xì)胞壁”分成4環(huán)（每環(huán)4 m），自下而上逐環(huán)施工，每環(huán)施工均自東向西進(jìn)行（從“細(xì)胞壁”鋼柱邊界向混凝土柱邊界）。利用結(jié)構(gòu)環(huán)箍效應(yīng)，形成自穩(wěn)定體系。

5.2 第2階段施工

±0.00～16.10 m間“細(xì)胞壁”結(jié)構(gòu)施工。“細(xì)胞壁”分成4環(huán)（每環(huán)4 m），自下而上逐環(huán)施工，每環(huán)施工均自東向西進(jìn)行（從“細(xì)胞壁”鋼柱邊界向混凝土柱邊界）。利用結(jié)構(gòu)環(huán)箍效應(yīng)，形成自穩(wěn)定體系。“細(xì)胞壁”延伸段的懸挑段分別采用1臺250 kN汽車吊散裝。

為了確保結(jié)構(gòu)的安裝精度，現(xiàn)場測量采用了全站儀坐標(biāo)法進(jìn)行構(gòu)件的安裝定位。構(gòu)件控制點(diǎn)選用節(jié)點(diǎn)牛腿外表面中心坐標(biāo)，控制點(diǎn)采用貼反射片的方法。

6 結(jié)語

上海自然博物館“細(xì)胞壁”式鋼結(jié)構(gòu)工程項目采用無紙化深化設(shè)計技術(shù)，完成了復(fù)雜異形網(wǎng)架的建模和加工制作數(shù)據(jù)的采集；項目采用了機(jī)器人加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了空間多桿交匯節(jié)點(diǎn)的加工制作，并采用了三坐標(biāo)檢測儀檢測技術(shù)，大大提高了構(gòu)件的制作精度。“細(xì)胞壁”式鋼結(jié)構(gòu)安裝采用了無支撐高空懸拼施工工藝，利用結(jié)構(gòu)自身剛度，自下而上逐環(huán)施工，通過全站儀三維坐標(biāo)法，精確控制構(gòu)件空間定位。

成套施工技術(shù)在“細(xì)胞壁”式鋼結(jié)構(gòu)工程的成功應(yīng)用，對今后類似復(fù)雜異形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計、制作、安裝具有借鑒意義[7]。