鄂爾多斯博物館內(nèi)部GRG鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工探討

盧雷 秦海琴 秦文剛

一、工程概況

鄂爾多斯博物館坐落于鄂爾多斯康巴什新城中心區(qū)，是規(guī)劃建設(shè)的鄂爾多斯七大文化建筑之一。建筑師的創(chuàng)意是將博物館外型設(shè)計(jì)成一個(gè)不規(guī)則的核體，像石頭一樣堅(jiān)固，代表著未來(lái)與時(shí)間的積累，象征著永恒，金屬外表面記錄著鄂爾多斯悠久的文化、展現(xiàn)著鄂爾多斯開(kāi)創(chuàng)未來(lái)的創(chuàng)新精神，鄂爾多斯博物館效果圖見(jiàn)圖1。

鄂爾多斯博物館內(nèi)部為一個(gè)造型奇特的裝飾結(jié)構(gòu)，采用GRG材料將內(nèi)部結(jié)構(gòu)的框架結(jié)構(gòu)分成兩個(gè)獨(dú)立的分區(qū)，其水平展開(kāi)面積約11000m2，最高點(diǎn)距離室外地坪約35m，形狀不規(guī)則。該結(jié)構(gòu)下部落于首層地面以及首層結(jié)構(gòu)樓板上，側(cè)面與內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)的鋼梁連接，頂部則懸掛于外殼鋼結(jié)構(gòu)上。GRG裝飾結(jié)構(gòu)的三維模型如圖2所示。

圖1 鄂爾多斯博物館效果圖

圖2 GRG裝飾結(jié)構(gòu)三維模型

二、結(jié)構(gòu)方案

GRG裝飾結(jié)構(gòu)的造型非常奇異，板材從屋面豎向延伸到地面。根據(jù)裝飾板的尺寸以及連接節(jié)點(diǎn)形式，利用三維建筑軟件Rhino將GRG裝飾面向外偏移300mm作為其鋼結(jié)構(gòu)龍骨的定位面，將龍骨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為隨著GRG裝飾板走向的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。由于GRG定形板的尺寸為600×600mm，且龍骨的頂部需要與外殼鋼結(jié)構(gòu)連接，而外殼鋼結(jié)構(gòu)的分格為3m×3m的等邊三角形，故綜合考慮GRG板材的二次結(jié)構(gòu)的安裝以及結(jié)構(gòu)受力的合理性，將鋼結(jié)構(gòu)龍骨的分格尺寸定為1200×1500mm。

鋼龍骨結(jié)構(gòu)的不規(guī)則形狀導(dǎo)致每個(gè)構(gòu)件的安裝角度都需要進(jìn)行空間準(zhǔn)確定位。為了安裝以及構(gòu)件加工上的方便，所有桿件均采用Q235B的熱軋無(wú)縫鋼管，可以有效地避免其空間扭轉(zhuǎn)的問(wèn)題。

鋼結(jié)構(gòu)龍骨整體結(jié)構(gòu)的三維線條模型如下圖3所示。

三、計(jì)算分析

圖3 GRG鋼結(jié)構(gòu)龍骨三維模型

由于本工程為一個(gè)受力極其復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)計(jì)算選用美國(guó)CSI公司研制開(kāi)發(fā)的大型有限元程序SAP2000（V12版）。計(jì)算模型采用空間三維實(shí)尺模型，桿件選用兩個(gè)節(jié)點(diǎn)、六個(gè)自由度的frame單元，該單元可以考慮拉（壓）、彎、剪、扭四種內(nèi)力的共同作用。

1.結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型

GRG鋼結(jié)構(gòu)龍骨的整體SAP2000有限元模型如下圖4所示。

由圖4可以看出，在計(jì)算模型中用固定鉸支座模擬鋼結(jié)構(gòu)龍骨與地面以及內(nèi)部樓層梁的連接，用滑動(dòng)鉸支座模擬龍骨與外殼鋼結(jié)構(gòu)的連接。

圖4 GRG鋼結(jié)構(gòu)龍骨SAP2000計(jì)算模型

2.計(jì)算荷載

本工程為內(nèi)部裝飾結(jié)構(gòu)的龍骨，故在計(jì)算中僅考慮GRG板材自重 （包括二次結(jié)構(gòu)連接件）。根據(jù)廠家提供的資料，板材的自重為0.25kN/m2，鋼結(jié)構(gòu)龍骨自重由程序自動(dòng)計(jì)算。

3.分析結(jié)果

對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，其在自重荷載作用下的變形如圖5～圖6所示。

圖5 GRG鋼結(jié)構(gòu)龍骨整體變形云圖 圖6GRG鋼結(jié)構(gòu)龍骨細(xì)部變形云圖

由圖可以看出，整體結(jié)構(gòu)的變形情況比較均勻，只是在主入口處由于網(wǎng)殼的跨度和坡度都較大，結(jié)構(gòu)上在此處設(shè)置了支撐桁架以提高剛度。通過(guò)調(diào)整桁架的高度從而滿足結(jié)構(gòu)的變形要求，整體結(jié)構(gòu)的最大變形為88mm。整體結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)變形信息如下圖7所示。

4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于本工程計(jì)算時(shí)僅考慮了板材的自重恒荷載，故在構(gòu)件的設(shè)計(jì)時(shí)采用1.35恒荷載作為控制荷載組合。

整體結(jié)構(gòu)的構(gòu)件應(yīng)力比云圖及桿件應(yīng)力比信息如下圖8～圖9所示。由圖可以看出，鋼結(jié)構(gòu)龍骨各個(gè)構(gòu)件在自重荷載作用下的應(yīng)力水平較低，最大的桿件應(yīng)力比也小于0.9，均滿足設(shè)計(jì)要求。

四、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

由于本工程設(shè)計(jì)之前，外殼鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)施工完畢，外殼設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定內(nèi)部的GRG整體結(jié)構(gòu)的自重不超過(guò)50kg/m2，因此內(nèi)部本工程的桿件管徑比較小，剛度較差，因此需要外殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行良好的支撐。

圖7 GRG鋼結(jié)構(gòu)龍骨節(jié)點(diǎn)變形信息

圖8 GRG鋼結(jié)構(gòu)龍骨桿件應(yīng)力比云圖

圖9 GRG鋼結(jié)構(gòu)龍骨桿件應(yīng)力比信息

1.與外殼的連接節(jié)點(diǎn)

外殼鋼結(jié)構(gòu)已施工完成，因此在受力過(guò)程中不能對(duì)其受力桿件進(jìn)行焊接，故此處節(jié)點(diǎn)采用抱箍節(jié)點(diǎn)。利用兩個(gè)環(huán)形扣件與外殼相連，既實(shí)現(xiàn)了吊桿的作用，同時(shí)又不會(huì)對(duì)原結(jié)構(gòu)的構(gòu)件造成不必要的影響。

具體的連接節(jié)點(diǎn)如下圖10所示。

2.與內(nèi)部鋼梁的連接節(jié)點(diǎn)

GRG側(cè)面鋼龍骨與內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)的鋼梁連接，且距離較遠(yuǎn)，為了實(shí)現(xiàn)其固定鉸支座的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)SAP2000的計(jì)算反力，在鋼梁側(cè)面挑出桁架結(jié)構(gòu)。

具體的連接節(jié)點(diǎn)如下圖11所示。

圖10 GRG龍骨與外殼鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)

圖11 GRG龍骨與內(nèi)部鋼梁的連接節(jié)點(diǎn)

3.與地下室頂板的連接節(jié)點(diǎn)

GRG底面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的地下室頂板連接，反力較大，而且地下室頂板的板厚較小，采用傳統(tǒng)的植筋做法難以滿足錨固要求。在本工程中采用THD非膨脹機(jī)械錨栓，能夠在較小的錨固長(zhǎng)度前提下在滿足受力要求。

具體的連接節(jié)點(diǎn)如圖12所示。

圖12 GRG龍骨與內(nèi)部樓板的連接節(jié)點(diǎn)

五、施工詳圖設(shè)計(jì)

由于本工程結(jié)構(gòu)形式非常不規(guī)則，而且很難找到一個(gè)對(duì)稱面，因此桿件的空間定位點(diǎn)沒(méi)有規(guī)律可循，給鋼結(jié)構(gòu)施工詳圖設(shè)計(jì)提出了很高的要求。施工詳圖設(shè)計(jì)采用了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的Tekla Structures Xsteel 14.0、STCAD2.0等詳圖設(shè)計(jì)軟件及Midas Gen、3D3S等分析軟件，通過(guò)軟件細(xì)部節(jié)點(diǎn)二次開(kāi)發(fā)等手段很好的保證了整個(gè)工程深化設(shè)計(jì)的進(jìn)度和質(zhì)量。在深化設(shè)計(jì)中構(gòu)件之間的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是整個(gè)工程深化的難點(diǎn)和重點(diǎn)。由于本工程采用的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)曲面造型復(fù)雜，結(jié)構(gòu)曲面全部采用桿件直線彎折的方式，桿件全部采用管徑比較小的無(wú)縫鋼管，且桿件截面尺寸比較接近。桿件之間連接節(jié)點(diǎn)采用管管相貫的節(jié)點(diǎn)形式，節(jié)點(diǎn)全部采用全熔透焊接節(jié)點(diǎn)，通常一個(gè)節(jié)點(diǎn)上有5根或者6根的桿件相貫的情況，給整個(gè)結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)造成了很大的難度。根據(jù)這種情況，在深化過(guò)程中根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)首先確定桿件的主次關(guān)系，由此確定桿件的相貫順序，再根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和焊接要求進(jìn)一步確定二級(jí)次管和三級(jí)次管。只有桿件之間的主次關(guān)系搞清楚了才能準(zhǔn)確進(jìn)行桿件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，從而滿足整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力要求。

六、鋼結(jié)構(gòu)加工及運(yùn)輸

在鋼結(jié)構(gòu)加工前首先根據(jù)結(jié)構(gòu)的曲面形式劃分加工區(qū)域，分界線盡量要設(shè)置在結(jié)構(gòu)受力比較小的部位，區(qū)域劃分完成之后，采用分區(qū)分片細(xì)化編號(hào)的辦法把整個(gè)工程分解開(kāi)來(lái)進(jìn)行細(xì)化加工。由于整個(gè)工程全部采用圓鋼管相貫焊接的節(jié)點(diǎn)連接形式，為了保證加工精度，本工程采用六維數(shù)控相貫線切割機(jī)進(jìn)行圓管切割，既保證了加工精度又提高了加工效率。

桿件按技術(shù)要求加工好之后，構(gòu)件的打包運(yùn)輸方案的制定和實(shí)施是另一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)工程的具體情況制定了以下幾點(diǎn)措施。

1.構(gòu)件包裝的目的

（1）在運(yùn)輸過(guò)程中，保護(hù)構(gòu)件使之不易損壞。

（2）每個(gè)箱包有一一對(duì)應(yīng)的構(gòu)件清單，因此發(fā)運(yùn)方與接受方有據(jù)可參，不致引起混亂。

（3）使構(gòu)件的運(yùn)輸體積比較緊湊，在減少運(yùn)輸費(fèi)用的同時(shí)便于構(gòu)件裝卸。

2.包裝遵循的原則

（1）同部位的桿件盡量包裝在一起?？梢耘c安裝進(jìn)度配套運(yùn)輸，保證現(xiàn)場(chǎng)所需構(gòu)件的及時(shí)供應(yīng)，否則會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)堆積的構(gòu)件很多，但是桿件不配套，影響安裝進(jìn)度。

（2）包裝牢固。運(yùn)輸過(guò)程中不要出現(xiàn)散包的現(xiàn)象，導(dǎo)致構(gòu)件混亂，影響施工現(xiàn)場(chǎng)的交接。

（3）為了節(jié)約運(yùn)輸成本，使構(gòu)件箱盡量成一定的級(jí)配。例如，小箱可以置于大箱內(nèi)部，細(xì)管可以置于粗管內(nèi)部。

（4）每個(gè)包裝箱內(nèi)的構(gòu)件必須與裝箱清單一一對(duì)應(yīng)，便于交接與查找。

3.包裝形式

構(gòu)件的包裝形式如下圖13所示。

圖13 構(gòu)件包裝示意圖

在工廠里把上述的準(zhǔn)備工作做好做細(xì)，材料運(yùn)輸?shù)焦さ噩F(xiàn)場(chǎng)后安裝工人才能很快的安裝所需的桿件，給工程的順利安裝也提供了很好的保障。

七、鋼結(jié)構(gòu)的安裝

1.安裝順序的確定

由于本工程結(jié)構(gòu)形式非常復(fù)雜，施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)安裝誤差是難以避免的，因此結(jié)構(gòu)合攏位置的選定是整個(gè)工程順利安裝完成的關(guān)鍵。根據(jù)本工程的建筑特點(diǎn)，建筑物兩端都設(shè)有主要出入口，且兩端結(jié)構(gòu)曲面造型非常復(fù)雜。相比兩端，中間部位建筑造型相對(duì)比較簡(jiǎn)單，所包含的桿件數(shù)量相對(duì)也比較少，故綜合考慮后確定從兩端向中間開(kāi)始安裝，最后在中間部位合攏。

安裝順序示意圖如下圖14所示。

2.桿件的空間定位

圖14 安裝順序示意圖

由于結(jié)構(gòu)造型的不規(guī)則性，整個(gè)工程桿件安裝如果采用以前的老辦法根本無(wú)法安裝。根據(jù)本工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用高精度全站儀空間定位的辦法來(lái)使桿件精確就位安裝。

安裝步驟大致如下：

（1）根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況和建筑的結(jié)構(gòu)分布情況確定幾個(gè)測(cè)控點(diǎn)，這幾個(gè)測(cè)控點(diǎn)的測(cè)射范圍必須涵蓋整個(gè)工程的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。

（2）在結(jié)構(gòu)模型中建立一個(gè)控制原點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的所有節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)全部相對(duì)此原點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注。

（3）使用全站儀，利用事先確定的測(cè)控點(diǎn)根據(jù)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行桿件空間定位。

工人在施工現(xiàn)場(chǎng)采用高精度全站儀進(jìn)行桿件空間定位測(cè)量狀況如下圖15所示。

圖15 采用高精度全站儀進(jìn)行桿件空間定位

3.支撐體系的搭設(shè)

本工程采用單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度和穩(wěn)定性非常差，在進(jìn)行分片安裝時(shí)臨時(shí)支撐措施非常重要。

本工程的腳手架支撐方案采用腳手架順著結(jié)構(gòu)的曲面變形形狀搭設(shè)，單根桿件空間就位后先支撐在腳手架上，整個(gè)區(qū)域安裝完成形成一個(gè)整體的受力體系后，腳手架就可以有計(jì)劃的拆除一部分再用于下片區(qū)域的安裝，但結(jié)構(gòu)的主要受力部位的支撐體系在整個(gè)工程結(jié)構(gòu)合攏前不得拆除。

施工現(xiàn)場(chǎng)腳手架搭設(shè)方案如下圖16所示。

圖16 桿件安裝搭設(shè)的腳手架支撐體系

八、結(jié)論

鄂爾多斯博物館內(nèi)部GRG鋼結(jié)構(gòu)龍骨結(jié)構(gòu)在滿足建筑造型的前提下，對(duì)其剛度調(diào)整使得其滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，實(shí)現(xiàn)了其建筑和結(jié)構(gòu)的完美統(tǒng)一。施工過(guò)程中采用合理的施工方案及空間定位方法，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)能夠順利的完成，不僅取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，也為同行業(yè)類似工程的實(shí)施積累了經(jīng)驗(yàn)。