九華山超高佛像營造工程關鍵技術與應用

張永生 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

1 研究背景

九華山地藏菩薩大銅像（圖1）觀瞻高度139m，像身高度為99m，左手持直徑4.3m摩尼寶珠，右手執109.9m高錫杖；像體由2390塊重800kg～3000kg的銅壁板組成，藝術造型極其復雜。由安徽省佛教協會會長仁德大和尚倡建，為安徽省861計劃重點建設項目。作為世界最高亞金銅佛像，其營造工藝、材料耐蝕和成像效果等技術要求極高。由安徽省建筑科學研究設計院牽頭，聯合洛銅集團、安徽建工集團和合肥工業大學等組成科研技術團隊，開展九華山超高佛像營造工程基礎研究與關鍵技術攻關。

2 技術難點

該項目技術難度極高，采用現有的營造技術、材料工藝和安裝設備難以完成，需解決以下技術難題。

①傳統附著式支撐架會造成巨型像體開口、后期修補、涂裝及維護成本高，須研發一種自平衡外架體系以解決剛架與像體分離、水平與垂直運輸通道、多層次作業平臺等復雜功能問題。

②固定塔吊的高度和臂長不能覆蓋銅像安裝全范圍且工效低，須研制操作靈活、工效高的運輸裝置。

③像體外形復雜，施工作業面廣、變化大，常規作業平臺頻繁裝卸，不能滿足工期及安全要求。

④銅壁板材料以及銅像制作工藝對成像效果和后期維護影響很大，須研制具有超強耐腐蝕能力的新型材料，改進銅壁板安裝工藝及關鍵參數。

3 研究思路

線框圖見圖1。

圖1 項目研究的技術路線

4 關鍵技術

4.1 自平衡環形空間外承力剛架結構體系

發明了營造超高佛像的“自平衡環形空間外承力剛架結構體系”（國家發明專利），通過數值模擬、力學分析和現場監測，揭示了復雜營造工況和地理環境下空間剛架體系的自平衡規律，有效解決了九華山超高佛像安裝過程中承載、吊裝、防護等技術難題，提高銅壁板安裝工效6倍；突破了現有巨型銅像造像技術局限性，滿足了九華山超高佛像營造工藝的極高要求，實現了對佛教教義的充分尊重。

①發明了自平衡環形空間外承力剛架體系，建立了理論力學模型，通過數值分析對現有附著式支撐體系與新研發獨立自平衡剛架體系進行了設計方案比選，從立面、平面和連接等多方面進行科學優化，綜合分析結構承載力、變形和穩定等關鍵參數。

②研發的自平衡環形空間外承力剛架（圖2、圖3、圖4）的結構高度108m，層高6m；下部兩層內、外直徑50m和72m，上部標準層內、外直徑38m和50m，上下結構層通過轉換層連接，環向、徑向、豎向及支撐桿件形成自平衡、閉合、大跨度、輕量化的空間剛架結構體系。剛架桿件均采用易裝配鉸接桿單元，支座鉸接支承于鋼筋混凝土底座柱頂。桿件全部采用無縫鋼管，最大立柱直徑φ325×6.0，最小支撐桿件φ127×3.0；立柱采用法蘭連接，其余均采用端板加高強螺栓連接，鋼材材質均為Q235B。

圖2 剛架正立面

圖3 剛架側剖面

圖4 自平衡環形空間外承力剛架現場實景圖

③通過有限元計算和力學分析，揭示了復雜營造工況和地理環境下空間剛架結構體系的自平衡規律，表明研發的剛架結構體系是高次超靜定結構，具有較強承載力和抗變形能力，安全冗余度高；結構整體剛度均勻，各部件協同工作，滿足各項復雜工況的需求。

④通過標準化拆分設計，自平衡外承力剛架具有單元模塊化、生產工業化、施工裝配化等優勢；空間剛架結構采用拔桿自裝自拆，與銅壁板安裝和涂裝同步，縮短工期；構件90%可回收利用，節約資源，保護環境，符合建筑產業現代化和綠色施工的發展要求。

⑤可視化施工模擬對剛架環形空間進一步優化，使其滿足超高佛像安裝過程中承載、多點起吊、多層次作業、特殊部位吊裝、防護等多功能需求，達到了提高工效數倍、安全零事故的目標。

⑥通過研究環形空間剛架的自平衡規律，解決了現有巨型像體開口造成銅壁板焊接、矯正變形困難和后期維護費用高等難題，為整體涂裝提供了保障，顯著提高了像體表面平順、色澤均勻恒久的成像效果，實現了對佛教教義的尊重。

4.2 萬向轉輪底座可伸縮拔桿技術

針對特殊山地環境和超高的吊裝運輸要求，發明了萬向轉輪底座可伸縮拔桿裝置（國家發明專利），克服了大型吊裝設備在特殊環境下操作的局限性，采用多點起吊顯著提高運輸進度；解決其吊裝安全技術難題，顯著提高銅壁板安裝工效。

①由于佛像超高、超復雜的外形及山地環境的限制，固定塔吊不能覆蓋銅像安裝全范圍的材料運輸，傳統拔桿也不能在變化的施工空間內完成不同擺幅的垂直起吊和水平運輸作業。

②運用機械力學的杠桿原理，在傳統拔桿的基礎上，引入多組滑輪和萬向轉輪底座，發明了萬向轉輪底座可伸縮拔桿裝置（圖5和圖6）。

③工作原理：鋼管拔桿通過附帶轉盤的底座固定在承力外架上，使得拔桿可以左右轉動；轉盤上部通過轉軸與拔桿相連實現拔桿上下轉動，從而形成萬向轉輪底座；在拔桿的大管徑鋼管內設置滑動軌槽，小管徑鋼管內設置導軌，通過一組動滑輪帶動拔桿伸縮；水平滑輪組、垂直滑輪組共同完成重物起吊。

④通過可視化施工模擬等方法，優化了伸縮拔桿、吊裝滑輪組、限位滑輪組等重要部件和關鍵尺寸參數，使萬向轉輪底座可伸縮拔桿裝置，既保留短桿垂直運輸的靈活性，又發揮了長桿水平運輸的功能性，可實現全方位的吊裝作業；同時拔桿裝置具有自重輕、安裝靈活、造價低的優勢，可在環形外承力剛架上多點均勻布置以提高工效。

圖5 拔桿布置示意圖

圖6 萬向轉輪底座可伸縮拔桿

4.3 可伸縮拼裝作業平臺技術

研發了由標準桁架、非標準桁架及“U”型孔螺栓連接形成的可伸縮拼裝作業平臺（圖7），可以通過桁架伸縮來滿足佛像復雜外形的安裝需求，通過標準桁架的高周轉率提高工效及操作安全性。

①由于像體尺寸變化幅度大，按傳統的方法，像體安裝作業平臺需逐個下料，借助外承力剛架分層搭設，工作量大周轉率低，且質量安全難以保證。

②課題組應用統計學原理結合可視化施工模擬，分析作業平臺尺寸變化幅度，以50%的周轉率為目標，確定標準桁架的規格，研發了由標準桁架、非標準桁架拼裝的作業平臺，具有裝卸靈活、標準桁架通用的優勢，易實現桁架長度自由擴展，適應像體不同部位安裝需求。

③標準桁架、非標準桁架均由工廠加工，現場采用“U”型孔可調節高強螺栓拼接，具有工效高、質量可控、安全有保障的顯著優勢。

圖7 作業平臺示意

4.4 耐蝕亞金銅技術

研發了新型耐蝕亞金銅新材料（洛銅集團專利技術），具有18K黃金光澤及超強耐腐蝕性；優化了耐蝕亞金巨型銅像制作關鍵工藝及重要參數，滿足了佛像的高質成像效果和高耐久性的要求。

①耐蝕亞金銅合金具有良好的鑄造性能、耐腐蝕和工藝加工性能；具有美麗的金黃色澤；可使用氬弧焊接工藝，具有較好的焊接性能，適用于露天大型銅像的建造。

②佛像主體制作工藝分為銅壁板鑄造、安裝、焊接、表面打磨、表面涂裝五個重要環節，完美展現耐蝕亞金銅的金色魅力及銅壁板鑄件的藝術效果。

5 推廣應用及研究意義

①本項目研究成果對于弘揚地藏精神和佛教文化，振興佛教名山，促進旅游業發展和經濟建設具有重要意義。

②本項目的研究與應用，為巨型宗教像體的安全建造、后期維護和文化傳承提供了創新思路。部分成果成功應用于青島嶗山老子銅像、浙江臺州觀音像等多項工程，促進了我國文化旅游事業的發展；研究成果在渡江戰役紀念館勝利塔等重要建筑工程中得到了推廣和應用，解決了相關技術難題。

③自平衡空間網格結構體系優良的受力性能對于大跨度、層高較高的罩棚結構設計提供新的思路，可以利用空間網格墻替代傳統的格構柱進行設計，形成整體性能優越、剛度均勻的空間網格結構。