王寶和項(xiàng)目鋁合金單層網(wǎng)殼系統(tǒng)實(shí)踐

馬建平　舒志田

（上海富藝幕墻工程有限公司，上海　201617）

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王寶和項(xiàng)目鋁合金單層網(wǎng)殼系統(tǒng)實(shí)踐

馬建平舒志田

（上海富藝幕墻工程有限公司，上海201617）

摘要：以王寶和大酒店項(xiàng)目為例，建立了鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型，闡述了鋁合金網(wǎng)殼構(gòu)件加工及數(shù)據(jù)處理過程，并介紹了鋁合金網(wǎng)殼的現(xiàn)場(chǎng)安裝方法，有利于鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在工程中的推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鋁合金網(wǎng)殼，模型，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)

1　工程概況

本項(xiàng)目位于上海九江路浙江路口，為王寶和大酒店二期空中宴會(huì)廳曲面外裝飾工程（見圖1）。該項(xiàng)目為三軸橢球體的球殼結(jié)構(gòu)及面板。該橢球體的外觀造型近似三軸橢球體：水平長(zhǎng)軸40 m、短軸26. 4 m，高度12. 2 m，頂標(biāo)高為22. 500 m，表面采用三角形網(wǎng)格劃分，典型邊長(zhǎng)為1. 0 m。中間主體段采用聯(lián)方格式、兩端采用凱威特式分格，以實(shí)現(xiàn)變化表面網(wǎng)格自然流暢地拼接。外飾材料為米乳色貝殼板，板塊總數(shù)量為4 956，約1 650 m2。

圖1　效果圖

表面體系采用鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)部位以鉸接支座支撐于主體鋼結(jié)構(gòu)環(huán)形鋼梁。節(jié)點(diǎn)總數(shù)為2 549個(gè)（包括收邊節(jié)點(diǎn)），桿件為7 505根。建模、設(shè)計(jì)、安裝均以控制中心點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行定位控制，采用空間散裝法進(jìn)行施工安裝。

2　結(jié)構(gòu)建模

2.1理論模型

理論模型外表為左右對(duì)稱三軸橢球體，由于建筑效果的需要，建筑模型對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行一定幅度的變形處理，球體下部非均勻拉伸從而底部變得更平坦，處理后球體外形曲面為左右對(duì)稱的類三軸橢球體的自由曲面。

初始模型為橢球體19 550 mm×13 200 mm×6 500 mm和15 450 mm×13 200 mm×6 500 mm拼合成的復(fù)合表面，兩個(gè)橢球體以橢圓13 200 mm×6 500 mm為公共接觸面進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了表面的連續(xù)光滑過渡（見圖2）。整體外觀呈現(xiàn)近似芒果形狀，造型別具一格。

根據(jù)建筑設(shè)計(jì)概念，為充分抬高球體底部咖啡廳空間，須將球體底部向上提升，經(jīng)過對(duì)比分析確定提升高度為765 mm。變形處理過程中需保證最低點(diǎn)的水平坐標(biāo)不能偏移，同時(shí)需確保曲面斜率的單調(diào)性，最終實(shí)現(xiàn)曲面的光滑過渡，變形后的模型平面圖依然為軸對(duì)稱。變形處理采用AutoCAD，Rhino及3DMax等多種軟件的綜合處理及對(duì)比分析，從而選出外觀及幾何參數(shù)最優(yōu)的模型。

2.2網(wǎng)格劃分

圖2　表面控制曲線透視圖

本工程位于室內(nèi)，要求分格細(xì)膩、線條流暢，主分格處裝飾大燈槽勾勒的線條來突出整體造型，主分格內(nèi)部對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分，以充分表現(xiàn)曲面的平緩過渡和分格線條的流暢，因此分格尺寸不宜過大；從曲率分布來看，該曲面的曲率分布雖呈現(xiàn)層次規(guī)律性，但最大與最小曲率相差極大，側(cè)面最小曲率半徑僅為2. 1 m，需要采用較小的分格，否則將會(huì)產(chǎn)生明顯的折線，使得分格線條不柔順、燈槽走向生硬，無法完美表達(dá)原設(shè)計(jì)構(gòu)想。考慮到網(wǎng)格模數(shù)，經(jīng)過對(duì)比分析，64 m大圓周長(zhǎng)分為8×9，共72格，邊長(zhǎng)約0.9 m。

根據(jù)建筑設(shè)計(jì)要求，垂直于長(zhǎng)軸方向?yàn)橹本€分格，其他方向?yàn)樾毕蚍指瘛Ｖ胁坎捎寐?lián)方格分布形式，直至分格轉(zhuǎn)化控制線，球體端頭部位分為8個(gè)扇形區(qū)域，每個(gè)扇形區(qū)域分為9層，底層為72/8 =9個(gè)分格，如此剛好可以完美實(shí)現(xiàn)凱威特扇形網(wǎng)格劃分，端部劃分完成后的三角形變長(zhǎng)約1. 0 m，見圖3。

圖3　分格原則

2.3主體鋼結(jié)構(gòu)測(cè)量

主體鋼結(jié)構(gòu)梁為圓弧重型鋼構(gòu)，多根構(gòu)件以空間角度進(jìn)行匯交，故施工過程中偏差較大，出現(xiàn)明顯外凸犄角。為實(shí)現(xiàn)鋁合金結(jié)構(gòu)完全包裹鋼結(jié)構(gòu)，需要對(duì)主體鋼結(jié)構(gòu)外凸犄角進(jìn)行精確測(cè)量。以評(píng)估主體鋼結(jié)構(gòu)外圍尺寸與表皮模型的關(guān)系。

施工放樣前采用全站儀對(duì)主體鋼結(jié)構(gòu)外表面進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)輸入電腦構(gòu)建主體結(jié)構(gòu)外凸點(diǎn)離散模型。

以控制中心點(diǎn)為基準(zhǔn)對(duì)比完成表面的理論模型與鋼結(jié)構(gòu)外圍輪廓的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，保證理論表面模型內(nèi)表面與鋼結(jié)構(gòu)外表面有充分的操作空間，最小空間距離為80 mm。在計(jì)算機(jī)中逐點(diǎn)對(duì)測(cè)量點(diǎn)與理論表面距離進(jìn)行測(cè)量，確認(rèn)理論模型能夠滿足全包裹鋼結(jié)構(gòu)外表面，并有充分的操作空間，故表面模型尺寸不需要調(diào)整，可以進(jìn)行下一步工作。

3　鋁合金網(wǎng)殼系統(tǒng)介紹

本工程支撐結(jié)構(gòu)采用鋁合金材質(zhì)，主要是基于加工精度高，鋁合金擠壓型材表面平整度是鋼材無法比擬的，同時(shí)結(jié)合機(jī)加工處理，能使得鋁合金體系可以實(shí)現(xiàn)高精度的工廠化預(yù)制。另外自重輕、耐腐蝕性能好、全裝配式施工工藝簡(jiǎn)單快速等優(yōu)勢(shì)也是選用鋁合金結(jié)構(gòu)重要因素［1，2］。單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)占用空間少，保證建筑外觀的前提下，能夠適應(yīng)較大曲率的表面形狀，且安裝誤差小。

鋁合金節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)采用上下兩層環(huán)形鋁合金實(shí)體，周邊以設(shè)計(jì)的方位、角度和深度進(jìn)行銑槽，并在槽底開孔。桿件兩端以鋁型材連接件進(jìn)行封頭，便于桿件兩端與節(jié)點(diǎn)以槽口為接觸面緊密配合，故槽口的方位唯一確定了桿件的空間位置和角度。所有連接部位采用螺絲或螺栓連接，操作方便快捷；全過程為冷加工，避免了類似鋼結(jié)構(gòu)焊接引起的變形及殘余應(yīng)力等不利影響，這樣能充分保證加工精度、簡(jiǎn)化加工流程，提高了生產(chǎn)效率，從而可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的高質(zhì)量的批量化生產(chǎn)。

從曲面形式及分格可知，選擇節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)尺寸不能過大，且需要有很好的空間角度適應(yīng)性。本節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)采用的兩層環(huán)形鋁合金，最大外徑為110 mm，相對(duì)密集的節(jié)點(diǎn)依然協(xié)調(diào)，能夠完全滿足板塊的安裝和分格線條的平緩過渡。同時(shí)采用的桿件寬度小，僅30 mm，桿件在節(jié)點(diǎn)盤上分布范圍廣，可以實(shí)現(xiàn)較小的桿件分度角而不會(huì)擴(kuò)大節(jié)點(diǎn)區(qū)域的重疊范圍（見圖4）。

圖4　網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

4　數(shù)據(jù)處理

對(duì)于空間自由曲面，網(wǎng)格劃分單線模型已經(jīng)確定了節(jié)點(diǎn)和桿件中心線的位置，但未確定節(jié)點(diǎn)和桿件的局部坐標(biāo)即構(gòu)件的空間放置方位。由此，需要對(duì)構(gòu)件的方位控制原則進(jìn)行確認(rèn)。網(wǎng)格模型為連續(xù)非光滑的離散結(jié)構(gòu)，但每個(gè)分格相對(duì)于整體結(jié)構(gòu)外形尺寸很小，故可借用光滑曲面的切面或法線的概念來確定節(jié)點(diǎn)的空間方位：節(jié)點(diǎn)法向?yàn)榕c之相連接三角形外法線（單位向量）矢量算術(shù)平均值；桿件法向?yàn)榕c之相連接兩個(gè)三角形外法線（單位向量）矢量算術(shù)平均值，從而構(gòu)建節(jié)點(diǎn)局部坐標(biāo)系。本方法未考慮各三角形頂角α在求矢量平均值過程中對(duì)面法線權(quán)值的影響，經(jīng)過對(duì)比考慮α權(quán)值和不考慮結(jié)果，誤差在1%之內(nèi)，本工程在具體計(jì)算過程中未考慮α權(quán)值的影響。從工程實(shí)踐來看，離散曲面簡(jiǎn)化法線確認(rèn)法足以滿足建筑外觀要求。

模型確立后，加工圖的數(shù)據(jù)化是實(shí)現(xiàn)CAM關(guān)鍵一步。針對(duì)本節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)主要是參數(shù)化表示各個(gè)槽口空間位置。在此可采用球面坐標(biāo)參數(shù)表達(dá)方式來唯一確定槽口底平面，但考慮到桿件繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，需要在球面坐標(biāo)參數(shù)基礎(chǔ)上增加桿件軸向扭轉(zhuǎn)參數(shù)，故最終以四維向量形式表述單個(gè)槽口的分度角、俯仰角、銑槽深度和扭轉(zhuǎn)角。

以上為單個(gè)槽口數(shù)據(jù)計(jì)算過程，對(duì)于同一節(jié)點(diǎn)其他槽口和其他節(jié)點(diǎn)亦采用同樣方法，所以對(duì)于全部加工圖的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)重復(fù)和繁瑣的計(jì)算過程，這一點(diǎn)剛好可采用程序進(jìn)行循環(huán)運(yùn)算來完成。由此，深化設(shè)計(jì)全過程轉(zhuǎn)化為程序設(shè)計(jì)過程。

采用獨(dú)立開發(fā)的專用程序完成，出圖速度快、精度高、管理方便，更為重要的是能夠與CAM加工中心進(jìn)行數(shù)據(jù)無縫對(duì)接，為CAM加工中體提供標(biāo)準(zhǔn)格式的輸入數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無紙化的設(shè)計(jì)、加工流程，極大地提高了工作效率。

5　構(gòu)件加工

由于各節(jié)點(diǎn)加工數(shù)據(jù)均不相同，即沒有相同的節(jié)點(diǎn)，但外觀極為相似，故視覺難以辨認(rèn)單個(gè)節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立特征，以至于無法加工和安裝。由此需要確立完備的編號(hào)原則，考慮到節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，為方便產(chǎn)品管理和安裝，需根據(jù)分格的特點(diǎn)將編號(hào)原則進(jìn)行簡(jiǎn)化，提高操作工的操作效率。同時(shí)，為保證現(xiàn)場(chǎng)安裝的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行構(gòu)件預(yù)拼裝。

為保證產(chǎn)品質(zhì)量，需要對(duì)整體節(jié)點(diǎn)及桿件進(jìn)行成品檢測(cè)。由于全過程采用數(shù)據(jù)對(duì)接和數(shù)控加工，要求長(zhǎng)度精度為0. 2 mm，角度精度為0. 1°，以加工的精度保證安裝精度。

6　現(xiàn)場(chǎng)安裝

1）面板節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。本項(xiàng)目鋁網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和面板的詳細(xì)組合情況見圖5。

圖5　典型節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

2）鋁網(wǎng)殼及面板的安裝（略）。分階段完成龍骨及面板安裝后，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景如圖6，圖7所示，安裝精度及外觀滿足設(shè)計(jì)要求。由于構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)盤之間為螺栓抗拉抗剪組合連接，具有一定的調(diào)節(jié)功能，故合龍桿件配合良好，無明顯次要應(yīng)力。

圖6　鋁網(wǎng)殼曲面結(jié)構(gòu)

圖7　完工的鋁網(wǎng)殼曲面

7　結(jié)語

本項(xiàng)目采用獨(dú)立開發(fā)鋁網(wǎng)殼體系來構(gòu)建貝殼板龍骨系統(tǒng)。運(yùn)用室外單層網(wǎng)殼技術(shù)，對(duì)構(gòu)件的精確設(shè)計(jì)、精密加工和現(xiàn)場(chǎng)高精度的安裝控制，實(shí)現(xiàn)了精確、流暢的線條和完美的裝飾效果。與傳統(tǒng)的室內(nèi)裝飾相比，體現(xiàn)了相當(dāng)高的技術(shù)難度。

由于內(nèi)部有主體鋼結(jié)構(gòu)的支撐，鋁合金構(gòu)件的計(jì)算跨度小，且該工程位于室內(nèi)除自重外其他合作不大，故本工程所采用的鋁合金構(gòu)件截面尺寸偏小。如需將本鋁合金系統(tǒng)運(yùn)用于室外大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，還需要對(duì)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分的研究，以滿足室外結(jié)構(gòu)大跨度、大分格及復(fù)雜荷載組合的要求。

參考文獻(xiàn)：

［1］歐陽元文，尹建，宋克余.鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在大跨度建筑中的應(yīng)用［A］.第十四屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集［C］.2012.

［2］房慶強(qiáng)，趙金城，李亞明.上海科技城單層鋁合金橢球體網(wǎng)殼設(shè)計(jì)［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2001，31（6）：34-36.

［3］吳小平，沈林敏.大型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)安裝施工技術(shù)［J］.建筑技術(shù)，2002，33（8）：601-602.

［4］JGJ 61—2003，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

Practice of aluminum single-layer lattice shell system of Wangbaohe project

Ma Jianping Shu Zhitian
（Shanghai Fuyi Curtain Wall Engineering Co.，Ltd，Shanghai 201617，China）

Abstract：Taking Wangbaohe hotel project as an example，the paper establishes aluminum alloy single-layer lattice shell structure model，describes aluminum alloy lattice shell component processing and data processing，and finally illustrates the in-situ installation methods of aluminum alloy lattice shell，which will be good for promoting aluminum alloy single-layer lattice shell structure in engineering.

Key words：aluminum alloy lattice shell，model，lattice structure，lattice joint

中圖分類號(hào)：TU332

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-6825（2016）09-0043-03

收稿日期：2016-01-20

作者簡(jiǎn)介：馬建平（1965-），男，碩士，高級(jí)工程師