大跨度傘狀不銹鋼結構群施工關鍵技術

羅仁軼 王兆東 員浩陽 馬運強 陳俊杰

1. 中國建筑第八工程局有限公司 上海 201204；

2. 南京筑新建筑工程有限公司 江蘇 南京 211000

1 工程概況

江蘇省園藝博覽會未來花園植物園項目主體結構采用S31603不銹鋼材料，整體為傘狀結構，共有42把傘連成一體（圖1），不銹鋼結構表面采用4K鏡面，造型視覺富有沖擊力，國內乃至世界范圍內均無類似案例。傘狀結構中不銹鋼桿件形式有矩形管、橢圓管、異形漸變橢圓管。結構形式獨特、新穎，國內無類似結構標準和案例供參考。鋼結構工程中有新材料、新型構件和節點等應用。

圖1 傘狀結構BIM模型

2 工程重、難點

1）本項目采用的S31603不銹鋼材料為奧氏體不銹鋼，具有熱導率低、線膨脹系數大、無磁性、耐腐蝕等特性。奧氏體不銹鋼導熱系數大約只有低碳鋼的一半，而線膨脹系數很大，焊接后接頭部位會產生較大的焊接內應力，表現為容易出現焊接裂紋和焊接局部收縮。

2）傘狀不銹鋼結構群橫向長度348 m，最終效果要求是整體不留溫度收縮縫，結構整體的熱脹冷縮量非常大，溫度應力顯著，施工中的溫度應力是施工分析模擬的重點研究對象。要求施工過程中假設的在初始溫度情況下傘狀結構之間的施工應力最小。需要分析考慮設置合理的施工過程中的溫度收縮縫，預留的溫度收縮縫需要在合理的溫度情況下進行合攏。

3）不銹鋼結構焊接收縮變形量大，需要通過分析計算進行安裝焊接順序模擬，計算分析出最合理的桿件安裝焊接順序，從而既保證焊接施工過程中產生的桿件內部應力不大于設計的使用要求，同時又能有效控制桿件的焊接變形量[1-2]。

4）本項目位于廢棄的礦坑中，地況復雜，礦坑地勢高低起伏，需要充分合理地考慮施工機械設備及路線選擇。

5）不銹鋼結構上部為覆水屋面，需要保證覆水屋面的平面度，因此對結構整體精度要求非常高，不但要重視其空間絕對位置精度，更要精確控制各施工環節中桿件安裝的相對精度，以保證后續安裝定位的準確性。

6）項目采用滿堂格構柱和腳手架，造成視野不通透，在礦坑內無法實施測量，因此需要將全站儀架設在輔助高架或者礦坑邊緣位置，并需要高空架設儀器和棱鏡，安裝測量難度大。

7）傘狀不銹鋼結構既作為結構件又作為裝飾件，加工工藝復雜，對加工精度及表面效果要求高。不銹鋼構件加工涉及圓管多曲相貫線切割、厚板折彎、大截面厚方管折彎、激光切割、拼焊、4K拋光等多個復雜的工藝。構件的加工精度會直接影響傘狀樹的拼裝精度和外觀效果，甚至影響42棵傘狀樹整體的體系結構安全。

8）對焊接焊縫的質量驗收標準要求高，大量的現場焊縫要求為一、二級焊縫。焊接焊縫要求打磨、拋光后幾乎看不出來有焊縫的痕跡。

3 施工工藝

現場安裝焊接順序為：樹柱→主肋→外環桿件→次肋→外環交叉桿→中環交叉桿→ 內部斜桿（圖2）。

圖2 不銹鋼傘狀結構安裝步驟

3.1 施工模擬與試驗

1）施工模擬包括了施工現場地況、路網、主體鋼結構、施工器械的BIM動態施工模擬（圖3），以及施工過程中主體鋼結構施工應力的仿真分析模擬（圖4）。做到合理、高效地制定人員、機械投入計劃，并有效控制施工過程安全與質量，確定施工過程監測測點及監測內容。

圖3 BIM施工模擬

圖4 有限元仿真計算分析

2）鋼結構工程中有新材料、新型構件和節點應用時，采用設計分析與試驗驗證是國內工程中的通行方式，也是

后續各種審查和專家論證時的必要技術條件。試驗最終目的是和設計分析、相關規范共同構成完整設計，達到結構安全、經濟、施工可行且滿足建筑效果的目的。基于以上原因，不銹鋼結構需要做相應的試驗。不銹鋼結構承載力試驗共分為三部分：1∶3整體承載力試驗、1∶1局部節點承載力試驗、變截面異形橢圓交叉管承載力試驗。

3.2 下料加工

不銹鋼結構加工包括下料、拼裝、焊接、矯正、打磨拋光等工序。用先進的設備依據三維模型進行數控下料加工，避免人工放樣，按照工藝參數嚴格控制焊接、打磨工藝，開發構件定位、定形尺寸的模具，將復雜異形的構件進行標準化裝配（圖5）。

圖5 構件加工定位工裝

3.3 構件預拼裝

每棵傘狀樹傘冠部位的加工桿件出廠前應先進行預拼裝，預拼裝時發現有問題的桿件應整改合格后再出廠。采用整個傘冠倒扣的預拼裝方式，預拼裝桿件之間臨時點焊固定，拼裝過程中注意成品保護，應避免磕碰和劃擦。

預拼裝工藝要求：

1）根據構件的特點，在廠內用枕木、鋼板等搭建預拼裝場地，并進行水平校正，使所有基準點在同一平面上。

2）在場地上畫出基準線、中心線及各節點位置。

3）預拼裝檢查合格后，拆除構件，準備裝運。

4）對預拼裝過的桿件做相應的標記。

3.4 樹柱安裝

在傘狀樹安裝過程中，樹柱中心定位精度的控制為質量控制關鍵點之一。樹干中心點定位由全站儀現場放線和柱底板激光刻線搭配控制。樹干垂直度由激光水平儀和經緯儀控制。樹柱先進行初步就位，將樹柱底部柱底板上螺栓孔與預埋螺栓進行對孔，根據全站儀和水平儀調整螺栓在一個平面上，然后讓樹柱的柱底板落在調平螺栓上，下一步再固定上部的螺栓。固定螺栓時注意絕緣套筒和絕緣墊片的設置，同時在樹柱安裝時應檢查水電管線是否安裝到位。樹柱中心點位置的精確確定至關重要，其既是工程安裝的開始點，也是傘狀樹主次肋軸線正確、樹間完美對接的保證。根據圖紙提供的傘狀樹位置，輸出中心點坐標，在礦坑現場使用全站儀進行放樣，放樣點要非常準確。根據放樣后確定的中心點，畫直徑為1 200 mm的圓，粗略作為樹干吊裝時底板的邊緣線。根據圖紙輸出每棵樹軸線與底板邊緣的交點坐標，現場放樣后作為樹干安裝的精確定位。

柱底板在工廠內除了開螺栓孔與中心孔外，還需根據三維模型進行如圖6所示的激光刻線。其中，作為與樹干矩形管精確對接的保證，矩形管輪廓線在工廠內加工時只需將樹干與線對齊，即可保證樹干中心與底板中心重合。

圖6 柱底板定位標記線

垂直度與水平檢測：樹干吊裝時，在混凝土基座周圍非直線地布置2臺激光水平儀，通過2臺激光水平儀的垂直線粗略確定樹干垂直度，同時在附近布置經緯儀，精確測量樹干矩形管垂直度。總體思路為先粗略再精確，既保證安裝速度，又保證安裝精確性。

3.5 纜風繩安裝

在樹柱安裝調整以后，通過相互垂直的4根纜風繩進行固定，在纜風繩固定過程中需要對樹柱垂直度進行再次復測。垂直度的復測采用2臺呈90°夾角的全站儀進行測量觀察。保證纜風繩的設置不影響樹柱垂直度。

3.6 支撐塔架及腳手架安裝

根據Midas軟件模擬分析施工過程中最易變形、最薄弱的點位，布置相應的支撐塔架，為傘狀結構桿件的安裝提供一個穩定的支撐。同時，傘狀結構形狀復雜，故搭設盤扣式腳手架，便于結合結構特性作出適應性的變化。

3.7 樹冠安裝

傘狀不銹鋼結構樹冠采用高空散拼的方式安裝，樹冠桿件眾多，單個傘冠面積約350 m2，含108根桿件。每根桿件的測量定位難度大，輔助格構柱比較多，視野不通透，影響在礦坑內的測量。對安裝后節點中心偏差要求高，焊接完成后桿件允許偏差限值為±20 mm。

樹冠部分的安裝需要保證空間定位的準確性，通過將復雜的空間定位轉化為平面定位與高程定位這2種簡單的定位方式來解決。平面控制方式由主、次肋軸線在格構柱頂工作平臺的豎直投影組成，用于限定樹冠水平位置；高程控制方式由樹干頂部高程控制點組成。由于所有樹頂的絕對高程一致，故可通過在樹干頂確定高程控制點，進而控制整個樹冠的高程。

3.7.1 主肋安裝

采用汽車吊或塔吊安裝主肋。主肋一端由樹干頂部弧形構件承托，另外一端和中部分別采用主肋工裝支撐固定，主肋工裝由機械螺桿千斤頂和可調節夾具組合而成，千斤頂進行主肋高度調整，可調夾具進行主肋水平位移調整和角度調整，并可對主肋進行完全固定（圖7）。

圖7 主、次肋末端定位點

由于次肋首端與主肋首端不在同一平面，主肋首端只需要對齊樹干矩形管頂部，次肋則需要根據樹干頂部的高程控制點往下移動設計長度，在粗略對準后，用激光水平儀的豎直激光線對準格構柱工作臺上的軸線，調整主、次肋，使主、次肋的中心點對準激光線，即可保證主、次肋水平軸線方向的定位。在與軸線對準后，再調整主、次肋末端位置。格構柱上通過全站儀進行主、次肋末端定位點放線，將五線激光水平儀放置在該點，通過頂部的十字交叉激光線定位主、次肋在軸線方向上的位置。主、次肋高程上的位置可用水平儀借助樹干頂部高程控制點確定，從而實現主、次肋末端在空間上的精確定位。

3.7.2 環肋安裝

環肋定位與主、次肋定位方法一致，通過在格構柱工作平臺上進行環肋水平面投影線的放樣，安裝時將環肋中心線對準投影線，輔以水平儀控制高程即可（圖8）。

圖8 環肋安裝支撐結構

3.7.3 次肋安裝

次肋在主肋安裝完成后，采用汽車吊或塔吊安裝。次肋一端與樹干臨時固定，另外一端和中部分別采用次肋工裝支撐固定，次肋工裝由機械螺桿千斤頂和可調節夾具組合而成，千斤頂進行次肋高度調整，可調夾具進行次肋水平位移調整和角度調整，并可對次肋進行完全固定。

3.7.4 交叉桿安裝

亞克力安裝的支撐桿定位在不銹鋼傘狀樹交叉桿的中心點，考慮到受力分布的均勻性與支撐桿長度的不變性，交叉桿中心點需要定位準確。交叉桿構件兩側在場內根據模型進行精確激光切割，能夠較好匹配主、次肋。在前2步精確定位安裝主、次肋后，在安裝交叉桿件時，由于主、次肋夾角與交叉桿切割后出現一邊大一邊小的形狀，將交叉桿放置在主、次肋之間就可粗略定位。然后通過全站儀對交叉桿中心進行測量微調，即可較好地保證交叉桿安裝的高度與坐標。中間桿件的安裝可采取如圖9所示的輔助構件，桿件末端通過繩索綁定木板搭設在主、次肋上，起到臨時固定的作用。交叉位置需要定位準確，定位方法與定位主、次肋相似，在格構柱頂部放樣確定桿件交叉點處的水平位置，通過五線激光水平儀進行定位。同時在交叉點處粘貼反光片，通過全站儀進行精確復測與定位。

圖9 交叉桿安裝輔助措施布置

3.8 測量

測量控制網應遵循先整體、后局部，高精度控制低精度的原則建立。測量控制網的基準點要選在通視條件良好、安全、易保護的地方。相應等級基準點的埋設不能低于規范的要求。測量控制網建立后要做好測量控制網的協同維護工作。

本工程平面控制網分兩級布設，第1級四邊形邊角網作為整體控制，第2級主軸線控制網直接用于施工放樣。

由于2個基準點都位于礦坑頂部的路面上，故在礦坑中進行測量時，可采用后方交會法，方便傘狀樹測量，且能自由建站，不需要進行設站點的硬化與固定?？赏瑫r采用多個全站儀進行建站測量，加快測量進度。

3.9 不銹鋼結構焊接

傘狀不銹鋼結構焊接主要采用GTAW（鎢極惰性氣體保護焊）＋GMAW（手工電弧焊）結合的方式進行。異形構件無法在焊縫根部設置襯墊，通過GTAW打底，有效確保焊縫根部成形質量；采用GMAW焊接中間層，提高焊接成形效率；采用GTAW蓋面，控制焊縫余高及表面成形質量，減少后續打磨拋光工作量。

3.10 表面打磨拋光

打磨拋光工藝流程：表面檢查→（焊縫及兩側）粗磨→半精磨→精磨→拋光→擦亮。

打磨拋光質量控制：材質表面不允許有雜質點、砂孔；后道工序須消除前道工序打磨痕跡；制定成品保護方案，避免產品二次受損，不允許有夾傷、壓痕、擦花。

3.11 結構監測

本項目的傘柱狀結構采用不銹鋼作為主材，且結構造型新穎，不僅作為植物園罩棚的支承結構，還承載自重和亞克力板上部水荷載，施工過程中的安裝方案也較為復雜。傘柱狀結構空間定位難度大，施工過程復雜，結構施工過程中的主要受力構件與一些關鍵部位的內力、位移等參數的變化情況以及結構卸載期間的受力狀態是否與初始設計相符，是否仍處于容許范圍以內，成為一個不可忽視的問題。這就要求本工程在施工階段對鋼結構關鍵構件的應力應變、結構位移進行監測。

3.12 注意事項

1）不銹鋼焊接收縮變形量大，焊接工人應嚴格按照焊接工藝評定中規定的參數施焊，嚴格控制焊接電流、電壓和焊接速度。焊工需經考試合格后持證上崗。

2）不銹鋼桿件在出廠前應進行打磨、拋光處理，以減少現場打磨拋光的工作量，現場安裝、焊接完成后需要對所有構件進行二次打磨拋光，以避免不同時期打磨拋光造成的表面明顯色差。

3）溫度收縮縫處理應嚴格控制在25 ℃±2 K的情況下閉合施焊，旁邊放置測溫計進行溫度監測。若在一天中25 ℃±2 K的時段內未完成閉合施焊，應停止施焊，待第2天繼續在25 ℃±2 K的時段完成施焊。

4 結語

在傘狀樹不銹鋼結構施工過程中，通過采取BIM模擬施工、仿真分析計算、關鍵控制部位健康檢測等措施，傘狀不銹鋼結構的安裝精度、焊接質量、表觀效果等均得到了良好的控制。在此基礎上，編制形成了不銹鋼結構施工的驗收標準和不銹鋼結構焊縫探傷標準，為不銹鋼作為主受力結構在建筑工程中的推廣應用奠定了相關技術基礎。