大型復雜鳳凰造型雕塑結構設計與施工

1 引言

本工程項目為大型復雜鋼結構雕塑， 項目承接初期僅有小尺寸泥塑造型，且施工地點位于河道水面，工程造型復雜且無先例，施工工期被壓縮到只有3 個月，針對該工程特點對三維數字掃描、3D 打印、模塊化建造、無紙化施工、高空吊裝調平等全新技術進行嘗試， 力求在壓縮的極短工期內完成該復雜造型、復雜條件工程施工。

2 項目概況

本項目位于陜西省寶雞市鳳縣， 雕塑工程坐落于嘉陵江鳳縣縣城雙石鋪鎮河道內，河道下游修建了兩座攔水壩，在此河段形成上下高低兩段靜水人工湖面，湖面寬度100~160 m，水深1~3 m，名為鳳凰湖，本工程主要為配合鳳凰湖景區提升改造， 內容包括湖面用噴泉和水下景觀燈拼成長202 m，寬112 m 的平面鳳凰造型和高出水面35 m 的立體鳳凰雕塑兩部分，圖1 為完成后夜景圖片。

該雕塑自湖水靜水面起算高度35 m， 主體下部為混凝土平臺，后尾中部設兩支撐柱，主體鳳凰造型自混凝土平臺起算高度30 m，下部為大片白色浮云，后部為隨風飄揚九尾，兩翼翼展25.1 m， 主體內部結構為空間網格結構， 構件為無縫鋼管，節點為管桁架相貫焊接和焊接球，雕塑外皮為S304 不銹鋼板鍛打成型，次結構為角鋼及圓管焊接。

3 雕塑造型

2017 年12 月，鳳凰外觀造型初步確定（見圖2），造型為泥塑手工完成，優點是造型直觀且方便修改，且修改后造型過渡自然順滑，雖不易保存、運輸，現由便攜數字掃描和3D 打印等現代技術手段彌補。

圖2 造型外形及尺寸（單位：m）

造型初步確定后結構設計人員參與， 提出下部云朵側向剛度不足、尾部四散飄揚和兩翼厚度過薄等修改意見，泥塑師針對性修改，最終的定型方案獲得業主方認可（見圖3），經數字掃描設備形成通用的三維數字文件， 通過用3D 打印輸出1∶50 的實體模型（見圖4）。

圖3 泥塑完成

圖4 3D打印

定型方案鳳凰高30 m， 下部云朵高度8 m， 兩翼展寬25.8 m，長34.7 m，主體長度12.3 m，后側尾部長22.4 m，尾部分散九飄尾用3 小塊云朵連接為整體，整體造型飄逸靈動，兩翼厚度由于結構變形控制加厚。

4 結構選型

現代大型雕塑主要以紀念人物或佛像為主， 以美國1885年完成紐約自由女神像開始，國內和國際上相繼建成的各種大型雕塑，其中以香港天壇大佛、海南三亞南海觀音像、無錫靈山大佛等相對有名，這些雕塑主體結構以鋼框架、鋼桁架結構為主，另設與外部蒙皮過渡的副剛架、副支架，其中尤以設計建造埃菲爾鐵塔聞名的法國人埃菲爾在百年前設計的自由女神像結構設計（見圖5）尤為突出，結構效率高，整體高度46 m 的雕像主結構鋼桁架120 t，外蒙皮為2.5 mm 銅片鍛打成型，質量80 t，次結構20 t（見圖6），合計雕像整體總質量僅225 t，其簡潔有效的結構設計理念值得現代結構工程師學習借鑒。

圖5 自由女神像結構模型

圖6 蒙皮支承結構

鋼框架、鋼桁架主要缺點是對雕塑外形適應能力弱，不適用于體系復雜雕像，結合馬軍等[1]3介紹方法本工程選擇對外形適應性最好的空間網格（鋼網架）結構形式，充分利用桿件及節點可在專用設備進行，生產效率和加工精度高，現場裝配速度快的優點，對文中提及缺點：大量桿件夾角無規律，節點種類多，安裝困難且綜合成本高的缺點，采取焊接球、管桁架結合和數字化建造技術等針對性對策解決， 使其可在形狀不規則雕像結構上得到應用。

5 結構建模

根據本雕塑整體造型將整體結構分為兩翼、主體和尾部，另將需轉動頭部結構與主體分離，用轉動機械裝置連接，其中主體和兩翼結構建模難度較大。

5.1 主體部分

根據馬軍等[1]5提出的結構建?；痉椒?，并根據造型變化特征，采用自下而上共計16 個橫斷面（見圖7），斷面間距分別為1 000 mm、1 300 mm、2 000 mm，既要能準確表達結構造型，同時構件長度還不至過短，造成結構桿件過多，底部橫截面標高為支承平臺面，頂部為切除頭部斷口，標高23.800 m，各橫截面形狀和尺寸變化很大（見圖8），大致分為下部云段、中部身段和上部頸段，下部云段為0.00~7.90 m，長度7.5~11.2 m，寬度6~7 m 左右，中部身段9.2~19.2 m，長度3.5~5.0 m，寬度3.6~5.7 m，頸部為19.2 m 以上，為圓形（橢圓形），直徑1.5~2.1 m。

圖7 主體橫斷面標高

根據各斷面形狀， 預留300 mm 外皮及次結構空間后，先布置外圍桿件和節點，之后在截面內部布置節點和桿件，由于本雕塑內部無功能要求，截面內部桿件和節點布置未受制約，布置結果見圖9。

圖9 各層結構布置

在各層平面的結構布置完成后，進行豎向結構布置，沿高度方向連接各層平面上的節點， 并適當布置高度方向的斜向支撐桿件。

馬軍等[1]5提及的由于雕塑表面輪廓的內凹部分，豎向桿件有可能的內凹表皮外露的所謂“犯界”問題，在結構布置過程中綜合調整橫斷面標高、 橫向節點退讓、 桿件布置等各變量，最終完成主體結構的空間線框，主體結構正視圖見圖10，側視圖見圖11，透視圖見圖12。

圖10 主體結構正視圖

圖11 主體結構側視圖

圖12 主體結構透視圖

5.2 兩翅結構

本雕塑造型手工完成，兩翅尺寸外形基本一致，具體尺寸略有差別，兩翅高度4.5 m，翼展12 m 左右，厚度2 m，外形如圖13 所示。

圖13 兩翅外形尺寸

扣除兩側退讓外皮及次結構各200 mm 后，兩翅結構厚度僅有1 600 mm，根據外形及等距各斷面尺寸，兩翅結構高度方向等距布置5 道桁架，桁架之間設置斜向和豎向連接桿件，形成整體空間網格結構，遠端造型制約過渡為單層，兩外側配合造型的凸起設置單層結構配合，翅結構線框圖見圖14。

圖14 翅結構線框透視圖

5.3 尾部結構

尾部厚度僅500 mm 左右，另行布置主結構無空間，主要采用外皮次結構， 在尾部斷面的芯部有限空間盡可能布置φ140 mm×12.0 mm 截面無縫鋼管輔助受力， 增強尾部結構剛度。

尾部自主結構外伸長度達20m， 在尾部小云造型位置設置兩根獨立支承柱，將原20m 的懸挑長度減半。

6 結構計算

6.1 構件

計算模型線框搭建完成后， 利用幾款常用計算軟件對結構進行反復計算和設計，全部構件選用無縫鋼管，材質Q355B，桿件為φ219 mm×16 mm、φ219 mm×12 mm 和φ180 mm×12 mm。

6.2 荷載

1）恒載：結構構件考慮自重，放大系數1.2，雕塑外皮按0.30 kN/m2均布荷載加載在零剛度的殼單元，雙向傳遞到相鄰桿件。

2）活載：在主體中部考慮設置的頭部旋轉裝置配電裝置、兩翅噴水管路水泵、噴火裝置燃料罐集中點荷載；同時在兩翼端部對應位置節點布置旋轉噴水噴頭集中點荷載， 兩翼中部均布集中點荷載考慮噴頭供水管道及管道內水重。

3）風載：由于本雕塑體型特殊，風載為控制荷載，選擇本地重復周期100 年基本風載0.40 kN/m2，陣風系數2.0，風載體型系數偏安全統一按迎風面0.8，背風面0.5 選用，采用前后左右4 向風載工況，其中左右風工況，兩翅重復考慮加載，不考慮前后兩翅的遮擋。

4）地震荷載：抗震設防烈度為7 度，基本地震加速度為0.12g，地震分組為第三組，場地類別二類，按橫向和縱向雙向地震力設置地震計算工況。

6.3 應力

根據陳紹藩疲勞研究分析及結論[2]，將結構應力比最大值控制在0.6 以下，以此降低結構在長期風載作用下的應力變化幅值，避免風載作用下疲勞應力破壞，以期保證整體結構的長期可靠。

6.4 風載變形

類似大型雕塑結構尚無對應規范對結構變形限值， 可供參考規范有GB 50135－2019《高聳構筑物設計規范》和CECS 148—2003《戶外廣告設施鋼結構技術規程》，GB 50135－2019對變形限值為H/75（H 為結構高度），CECS 148—2003 對頂部水平位移限值為H/100，懸臂橫梁水平位移限值為L/150（L 為梁長），以作為參考的兩規范（規程）限值判斷，風載作用下結構變形如表1 所列，結構變形在正常范圍。

表1 結構風載變形

6.5 蒙皮效應

作為外部造型的不銹鋼外蒙皮和次結構依附在主體結構上，其對應主體結構受力有一定的有利影響，參考梁元瑋研究成果[3]，目前對蒙皮效應對主體結構受力影響尚無定量精準結論，本工程嘗試將外皮不銹鋼按實際厚度、連帶次結構的折算厚度等不同數值輸入結構模型進行試算， 計算結果對減少結構變形和降低結構自振周期有一定幫助，但效果并不明顯，實際工程未考慮此有利影響。

6.6 結構主要振型及周期

1） 根據結構主要振型周期等數據和振型變形形態分析（見表2），與對整體結構的初步概念判斷基本一致，下部云段和中部身段交接部位結構寬度急劇收窄， 對結構側向剛度有較大削弱，側向變形為第1 振型變形形態，側向風載作用結構側向變形較大，同時間接影響第2、第3 振型。

表2 結構振型及形態

2）兩翅結構厚度受造型形態約束，根部厚度1.5 m 左右，振型4 為兩翼同向前后變形形態， 隨后的振型也主要是以兩翼的上下和前后變形為主要形態。

3）在主體結構桿件截面選擇上將兩翼根部和主體腰部截面頸縮部位桿件予以加強。

7 現場施工

1）平臺：本工程下部平臺樁基礎于2018 年2 月春節前施工，樁承臺及上部混凝土平臺施工于2018 年3 月16 日開始，4 月9 日完成混凝土澆筑，5 月初養護結束具備承載條件。

2）主體鋼結構：材料于3 月29 日進場開始拼裝，5 月7 日完成結構部件現場拼裝，交付后續工序。

3）不銹鋼外皮：3 月13 日人員及材料進場，5 月17 日基本完成各部件外皮鍛打。

4）整體吊裝：分上下兩部分，下半云尾部分5 月18 日下午完成，上半身翅部分5 月19 日下午完成起吊離地、平移、后背調平支架及試調平等準備，5 月20 日上午完成就位和臨時固定。

5）外部修補和面漆：搭設整體腳手架進行高空外皮局部修補和面漆施工，主體結構同步進行結構加固、鋼構件防腐油漆和防火涂料施工。

整體工程于6 月15 日初步完成，并于當晚配合業主方與同期完工的水下燈光及噴泉工程進行首場演藝表演， 后期在每年夏季豐水季節每周定期噴泉和燈光表演， 成為當地標志性景觀，項目整體于2022 年完成竣工驗收，正式交付業主方投入使用，工程完成后水面蓄水后圖片（見圖15）。

圖15 工程完成

8 結語