孫曉陽(yáng),顏衛(wèi)東,張 朋,于健偉,羅仁軼
(中國(guó)建筑第八工程局有限公司總承包公司,上海 201204)
江蘇省園博園項(xiàng)目——未來(lái)花園位于南京市江寧區(qū)湯山,總建筑面積10萬(wàn)m2,主要包括植物園、崖壁商業(yè)、崖壁劇院等。植物園采用不銹鋼結(jié)構(gòu)作為主體結(jié)構(gòu),上覆蓋透明有機(jī)玻璃板,整體為傘殼結(jié)構(gòu),由42把傘連成一片,長(zhǎng)348m,寬73m,高12.85,22.35m。不銹鋼結(jié)構(gòu)與有機(jī)玻璃帷幕一體化效果如圖1所示。
圖1 不銹鋼結(jié)構(gòu)與有機(jī)玻璃帷幕一體化效果
1)不銹鋼及有機(jī)玻璃采用整體三維建模,五軸激光切割加工、裁切機(jī)床及控溫恒溫加工控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)數(shù)字化精確制作。
2)不銹鋼結(jié)構(gòu)與有機(jī)玻璃帷幕一體化系統(tǒng)為首次應(yīng)用,具有節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜、受力因素眾多、撐桿數(shù)量多、空中安裝定位難度大等難點(diǎn)。
3)采用1∶1三維仿真建模,將結(jié)構(gòu)體系中的有機(jī)玻璃面板、肋板等主要部件進(jìn)行分解,廠內(nèi)預(yù)制拼裝,現(xiàn)場(chǎng)裝配化作業(yè),提高安裝效率。
4)采用專用溫控棚,配備加熱設(shè)備及循環(huán)風(fēng)機(jī)控制溫度,實(shí)現(xiàn)有機(jī)玻璃肋、板拼裝及本體聚合,確保黏結(jié)質(zhì)量及強(qiáng)度要求。
5)采用格構(gòu)柱結(jié)合盤扣式滿堂支撐架方式,并利用有限元軟件分析支撐體系各工況穩(wěn)定性,確保支撐體系穩(wěn)定,有效減少支撐胎架數(shù)量,提高施工效率。
6)采用三維多點(diǎn)定位控制技術(shù),通過(guò)機(jī)械定位代替人工測(cè)量,減少放樣測(cè)量的誤差,安裝快捷且精度高。
7)設(shè)計(jì)專用工裝,采用分區(qū)卸載方案,有效減小卸載范圍,實(shí)現(xiàn)快速卸載,大大縮短工期。
工藝流程:工廠制造→板材復(fù)合→裁切→平板→五軸加工拼裝→打磨拋光→預(yù)拼→包裝運(yùn)輸→現(xiàn)場(chǎng)施工包裝。對(duì)構(gòu)件進(jìn)行分解,分為圓盤、三角葉片、天溝、伸縮縫等部件,進(jìn)行成型加工。
1)有機(jī)玻璃肋板加工 將板材放置在設(shè)備平臺(tái)上,進(jìn)行定位處理,采用精度為±2mm的大鋸進(jìn)行裁切,對(duì)裁切面進(jìn)行精拋處理,并對(duì)精拋面進(jìn)行打磨拋光處理。
2)有機(jī)玻璃節(jié)點(diǎn)、面板加工 通過(guò)溫控棚實(shí)現(xiàn)板材和設(shè)備恒溫,將原板進(jìn)行兩面銑面(厚度≥200mm),節(jié)點(diǎn)開好包埋鑄件孔后,對(duì)板材四周雕刻銑削節(jié)點(diǎn);用專用工裝放置預(yù)埋件,復(fù)核垂直度后,制模澆筑MMA聚合料聚合,聚合后采用階梯控溫退火處理;對(duì)節(jié)點(diǎn)打磨拋光處理。
3)有機(jī)玻璃板預(yù)拼裝 設(shè)計(jì)專業(yè)工裝進(jìn)行預(yù)拼裝,拼接工裝定位后,使其基準(zhǔn)面在同一水平面,組合連接工裝,放置節(jié)點(diǎn)和加強(qiáng)肋進(jìn)行預(yù)拼裝。
采用格構(gòu)體系+盤扣式滿堂架作為結(jié)構(gòu)支撐及操作平臺(tái),并根據(jù)需求設(shè)置堆料平臺(tái)。格構(gòu)體系由格構(gòu)柱、連系梁等組成,走道梁、連系梁與格構(gòu)柱間焊接連接,相鄰連系梁高低錯(cuò)位布置。
不銹鋼結(jié)構(gòu)、格構(gòu)體系焊接及有機(jī)玻璃板施工采用盤扣式滿堂架,間距1.5m,步距1.5m,兩次完成面高度不同,架體需進(jìn)行兩次搭設(shè),以滿足要求。
不銹鋼構(gòu)件安裝時(shí),架體高度為柱頂面標(biāo)高向下1~1.5m,根據(jù)需要,在焊接區(qū)域鋪設(shè)踏板,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況調(diào)整高度。不銹鋼構(gòu)件安裝后,對(duì)操作架進(jìn)行二次搭設(shè)增高至有機(jī)玻璃板完成面以下1~1.5m,滿鋪沖壓型腳手板,為有機(jī)玻璃板提供施工界面。
測(cè)控樹干位置,樹干底部設(shè)置調(diào)整螺栓,頂部設(shè)置拉索調(diào)整樹柱垂直度。吊點(diǎn)分別布置在柱頂和柱底鋼板上,柱底吊點(diǎn)為輔助吊點(diǎn),采用吊車安裝,樹柱吊裝孔布置如圖2所示。
圖2 樹柱吊裝孔布置
為減少溫度影響,將結(jié)構(gòu)分區(qū),整體施工為自中間向兩邊(見圖3),分區(qū)內(nèi)的樹之間固定連接,跨區(qū)樹之間在施工過(guò)程中暫不焊接,各區(qū)均施工完成后,通過(guò)施工模擬分析計(jì)算選擇合適的合攏溫度,再將跨區(qū)兩棵樹之間的構(gòu)件焊接固定。
圖3 不銹鋼結(jié)構(gòu)分區(qū)及安裝順序
單把傘安裝順序?yàn)橹骼遉L→次肋CL→內(nèi)部斜桿NX →中環(huán)交叉桿ZX→外環(huán)交叉桿WX→外環(huán)桿件WH;單把傘焊接順序?yàn)橹骼遉L→次肋CL→外環(huán)桿件WH→外環(huán)交叉桿WX→中環(huán)交叉桿ZX→ 內(nèi)部斜桿NX,如圖4所示。
圖4 單把不銹鋼傘安裝及焊接順序
采用汽車式起重機(jī)或塔式起重機(jī)安裝主肋,主肋一端由樹干頂部弧形構(gòu)件承托,另一端和中部分別采用主肋工裝支撐固定,主肋工裝由千斤頂和可調(diào)夾具組合而成,利用千斤頂調(diào)整主肋高度,可調(diào)夾具調(diào)整主肋水平位移和角度,并將主肋完全固定。
次肋在主肋安裝后,采用汽車式起重機(jī)或塔式起重機(jī)安裝。次肋一端與樹干臨時(shí)固定,另一端和中部分別采用次肋工裝支撐固定,次肋工裝由千斤頂和可調(diào)夾具組合而成,利用千斤頂調(diào)整次肋高度,可調(diào)夾具調(diào)整次肋水平位移和角度,并將次肋完全固定。
在格構(gòu)柱工作平臺(tái)上放樣環(huán)桿水平面投影線,將環(huán)桿中心線對(duì)準(zhǔn)投影線,輔以水平儀控制安裝高程。
在桿件末端通過(guò)繩索綁定木板搭設(shè)在主次肋,粗略定位后,對(duì)交叉桿中心進(jìn)行測(cè)量微調(diào),在交叉點(diǎn)處粘貼反光片,通過(guò)全站儀進(jìn)行精確復(fù)測(cè)與定位,確保交叉桿高度與坐標(biāo)。
傘狀樹長(zhǎng)度較長(zhǎng),為了避免施工過(guò)程中累計(jì)溫度應(yīng)力過(guò)大對(duì)結(jié)構(gòu)不利,設(shè)置3道溫度釋放區(qū),3道溫度釋放區(qū)將傘狀樹整體分為4個(gè)區(qū)域(見圖5),施工到溫度釋放區(qū)時(shí),兩側(cè)的傘狀樹之間不做焊接固定,待所有區(qū)域施工完成后再進(jìn)行溫度釋放區(qū)傘狀樹之間的焊接施工。
圖5 不銹鋼結(jié)構(gòu)分區(qū)施工示意
通過(guò)設(shè)計(jì)狀態(tài)與分區(qū)施工狀態(tài)合攏溫度變化過(guò)程仿真模擬(分區(qū)施工完成→降溫10℃→合攏→卸載→結(jié)構(gòu)整體升溫20℃→結(jié)構(gòu)整體降溫20℃),考慮設(shè)計(jì)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)升溫和降溫20℃過(guò)程應(yīng)力及變形影響,得出最佳分區(qū)合攏溫度,在同一合攏溫度下,將溫度分區(qū)處的傘狀樹相連固定。
工藝流程:表面質(zhì)量檢查→粗磨→精拋→鏡面拋光→擦亮→潔亮劑保護(hù)。構(gòu)件在工廠通過(guò)機(jī)械拋光加工為鏡面,在拼焊現(xiàn)場(chǎng)組裝完成,僅對(duì)焊縫及焊縫周邊打磨拋光。整棵樹安裝后,對(duì)整個(gè)傘狀樹進(jìn)行精拋,確保整體鏡面效果。
支座定位復(fù)核后,安裝支撐立桿(不含外圈12個(gè)),校正垂直后點(diǎn)焊。
安裝有機(jī)玻璃肋,肋全部安裝及聚合后,焊接支撐與不銹鋼傘之間的焊縫(除外圈)。
有機(jī)玻璃肋板支撐調(diào)校工裝采用快裝卡扣式盤扣組件,可360°不同部位及角度調(diào)校,將其吊運(yùn)至樹冠下部操作平臺(tái),以樹冠其中一條主肋板為中心,1.5m×1.5m間距組拼,鋪設(shè)面積大于有機(jī)玻璃覆蓋面。
不銹鋼結(jié)構(gòu)及有機(jī)玻璃支撐桿位置復(fù)核、焊接后,以外圈12個(gè)安裝于不銹鋼支撐座的節(jié)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn),進(jìn)行有機(jī)玻璃肋板布置和表面調(diào)校排序,由外延向中間進(jìn)行鋪設(shè),如圖6所示。
圖6 有機(jī)玻璃肋板安裝排列
利用塔式起重機(jī)及專用吸盤工具,吸吊有機(jī)玻璃面板于肋板位置排列調(diào)校就位。以中心為基準(zhǔn)調(diào)校點(diǎn),布置調(diào)校排序,由中心向四周擴(kuò)散進(jìn)行鋪設(shè)。以首件為起點(diǎn)按順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行整列布置安裝。
面板與肋板粘接縫控制在一定范圍內(nèi),當(dāng)肋板聚合為一體結(jié)構(gòu)后,在肋板與面板接觸表面預(yù)放厚2~5mm有機(jī)玻璃顆粒,用于控制面板與肋板聚合間隙及施工時(shí)面板平整度的調(diào)整。
3.10三角區(qū)粘接
三角區(qū)有機(jī)玻璃肋板在工廠內(nèi)進(jìn)行最大規(guī)格尺寸預(yù)制,在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行批量面板整體粘接,如圖7所示。
圖7 現(xiàn)場(chǎng)三角區(qū)有機(jī)玻璃結(jié)構(gòu)批量粘接
3.11有機(jī)玻璃本體聚合
本體聚合工藝:灌料(板之間封閉腔)→聚合反應(yīng)(塑料膜包覆,恒溫25℃,清潔環(huán)境)→升溫至 90~120℃, 再降溫(去除應(yīng)力)→表面打磨。
3.11.1有機(jī)玻璃肋板本體聚合
1)肋板注料 將肋板和節(jié)點(diǎn)定位組裝后,用快速制模法制模,配置MMA拼接料進(jìn)行注料。
2)肋板拼接固化 固化溫度采用恒溫(與工廠加工環(huán)境溫度一致),溫差波動(dòng)±3℃。
3)肋板拼縫打磨 拼接縫采用專業(yè)工具切削加工,表面磨平、拋光。
3.11.2有機(jī)玻璃面板本體聚合
1)面板注料 按照?qǐng)D紙編號(hào)組裝,調(diào)整后進(jìn)行制模,從邊緣到中心逐步進(jìn)行注料。
2)面板拼接固化 板材在恒溫下固化,本體料注入拼接縫后24~48h固化,超過(guò)20h后用手按壓聚合縫表面,已硬化則視為聚合固化完成。
3)圓盤整體高溫聚合 按照階梯溫度曲線進(jìn)行控溫,退火溫度70~85℃(高溫聚合)。溫控棚內(nèi)上下、中間位置布置循環(huán)風(fēng)機(jī),期間通過(guò)溫度檢測(cè)儀器實(shí)現(xiàn)智能控制。
4)圓盤拼縫處理打磨拋光 用清潔水清洗板材銑削的端面,砂皮打磨表面。
3.12溫控棚安裝
搭設(shè)傘面溫控棚滿足有機(jī)玻璃施工潔凈和工藝操作需求,溫控棚采用組裝式結(jié)構(gòu),頂部為整體結(jié)構(gòu),用于不同保溫棚吊裝使用,棚布和鋼結(jié)構(gòu)可快速安裝。
棚中設(shè)內(nèi)側(cè)循環(huán)風(fēng)機(jī)、外側(cè)恒溫空調(diào)、加熱設(shè)備及輸送風(fēng)管,根據(jù)操作方式調(diào)整恒溫期間空調(diào)和加熱器布置方法,以適應(yīng)不同工況使用。
利用卡扣和螺絲將溫控棚底座固定;將保溫被套裝在PVDF膜結(jié)構(gòu)棚房外層后,整體吊裝膜結(jié)構(gòu)棚房,膜結(jié)構(gòu)棚房立面如圖8所示。
圖8 膜結(jié)構(gòu)棚房立面
3.13有機(jī)玻璃燈槽施工
燈槽加工流程:加強(qiáng)筋銑加工開槽→槽內(nèi)打磨拋光。將需要銑槽的筋條,經(jīng)過(guò)鉆拋加工后,移至開槽機(jī),分9次進(jìn)刀進(jìn)行銑削凹槽,最后2次進(jìn)行1mm以內(nèi)精刀銑削處理,保證銑削面光滑,使用小型手提式打磨機(jī)將凹槽內(nèi)打磨拋光處理。
3.14伸縮縫處理
伸縮縫底部由T形托板對(duì)伸縮縫進(jìn)行托起,在有機(jī)玻璃伸縮縫板下用環(huán)氧樹脂貼聚四氟乙烯墊片,如圖9所示。
圖9 伸縮縫托板示意
3.15有機(jī)玻璃面板打磨、拋光
用清潔水清洗板材銑削的端面,依次選擇80,120,240,400,600,800,1 500號(hào)砂紙打磨表面,進(jìn)行中拋→精拋→鏡面拋光。
3.16分區(qū)卸載
為保證卸載后有機(jī)玻璃面板接近同一水平面,確保不銹鋼結(jié)構(gòu)、有機(jī)玻璃面板均達(dá)到效果,采用分步卸載方案,一次卸載4把傘,按有機(jī)玻璃安裝順序自中間向兩邊擴(kuò)散。卸載后采用千斤頂工裝對(duì)天溝進(jìn)行水平度調(diào)整,對(duì)有機(jī)玻璃面板變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。第1次卸載完成后依次卸載。
在設(shè)計(jì)荷載條件(不銹鋼+有機(jī)玻璃板)下,進(jìn)行有限元卸載計(jì)算,確保面板在此撓度下偏安全,結(jié)果如圖10,11所示。
圖10 不銹鋼卸載結(jié)構(gòu)變形
圖11 有機(jī)玻璃卸載變形及應(yīng)力
3.17結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)
選取有限元分析計(jì)算較大應(yīng)力桿件,如組合柱、樹冠、有機(jī)玻璃面板等進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)關(guān)鍵部位的內(nèi)力、位移等參數(shù)變化情況及結(jié)構(gòu)卸載期間受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),及時(shí)反饋,確保結(jié)構(gòu)安全。采用自動(dòng)采集設(shè)備,將測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式傳送至記錄和分析終端,實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)測(cè)、分析。
江蘇園博園項(xiàng)目以礦坑生態(tài)修復(fù)結(jié)合江蘇水韻特色、區(qū)域文化和特色建筑建造,實(shí)現(xiàn)城市功能修補(bǔ),坑內(nèi)的植物花園主結(jié)構(gòu)為傘狀網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),共42個(gè)巨型傘狀結(jié)構(gòu)連成整體,傘狀網(wǎng)殼外幕墻及屋面均采用有機(jī)玻璃,為國(guó)內(nèi)最大的有機(jī)玻璃面板系統(tǒng),不銹鋼傘狀結(jié)構(gòu)與有機(jī)玻璃屋面的結(jié)合,在國(guó)內(nèi)外均無(wú)類似案例。為確保工程順利實(shí)施,開展了大量試驗(yàn)研究和工法創(chuàng)新;研發(fā)了不銹鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)、工業(yè)化制造、智能化建造一體化施工技術(shù),實(shí)現(xiàn)不銹鋼構(gòu)件的精確制作與安裝;開發(fā)了有機(jī)玻璃設(shè)計(jì)狀態(tài)與分區(qū)施工狀態(tài)合龍溫度變化過(guò)程的仿真模擬技術(shù)及集循環(huán)風(fēng)機(jī)、恒溫空調(diào)、加熱設(shè)備、輸送風(fēng)管一體的溫控棚控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)了有機(jī)玻璃現(xiàn)場(chǎng)高效安裝與本體聚合,保證了效果。