某極地海洋公園場館鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計技術(shù)

張 文 李昊坤 仇 峰 朱 樺

中建鋼構(gòu)江蘇有限公司 江蘇 靖江 214532

1 工程概況

某極地海洋公園工程分為核心游樂區(qū)及服務(wù)配套區(qū)2個區(qū)域。核心游樂區(qū)由9座動物展示場館、6座獨立的商業(yè)餐飲建筑、5個非景觀大型構(gòu)筑物、若干后勤配套用房、4組大型游樂設(shè)施和6個小型游樂設(shè)備組成。服務(wù)配套區(qū)由1座主題度假酒店、1座立體停車樓、1座后勤辦公樓、1座員工宿舍樓及若干配套用房組成?？傆玫孛娣e約297 000 m2，總建筑面積約205 000 m2。該項目是目前世界上最先進(jìn)的第五代大型海洋公園（圖1），建成后將有望成為華東地區(qū)乃至輻射全國的大型休閑旅游目的地。本文重點介紹項目鋼結(jié)構(gòu)工程深化設(shè)計的整體思路及技術(shù)。

2 結(jié)構(gòu)概況

項目鋼結(jié)構(gòu)部分主要由冰山北極館（山體鋼框架）、火山鯨鯊館、冰雪餐廳、企鵝天幕館、海豚表演場、歡樂劇場等組成，鋼結(jié)構(gòu)分布廣泛[1-2]。

本工程結(jié)構(gòu)形式明確，大部分為圓管或H型截面梁、支撐、桁架與柱相連的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)及立體網(wǎng)架鋼屋蓋，且安裝結(jié)構(gòu)面大。圓管桿件36 000余根，總工程量約6 000 t。

圖1 極地海洋公園效果圖

3 項目鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計整體介紹

大型游樂場館鋼結(jié)構(gòu)多以空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)為主，此類結(jié)構(gòu)往往鋼構(gòu)件截面類型較多，構(gòu)件數(shù)量多，部分相貫節(jié)點存在多根桿件交匯，如冰山北極館、火山鯨鯊館、冰雪餐廳等。場館屋面造型新穎，多以管或管桁架組成的立體網(wǎng)架鋼屋面為主，如企鵝天幕館、海豚表演場、歡樂劇場等。下面重點分析各場館鋼結(jié)構(gòu)的深化難點。

3.1 空間網(wǎng)格鋼框架結(jié)構(gòu)深化設(shè)計技術(shù)

冰山北極館、冰雪餐廳、火山鯨鯊館的山體部分均為空間網(wǎng)格鋼框架結(jié)構(gòu)，鋼柱、鋼梁及鋼支撐均為圓管截面，材質(zhì)為Q345B，圓管柱截面為φ460 mm×18 mm、φ245 mm×16 mm、φ203 mm×14 mm、φ194 mm×12 mm，鋼梁截面為φ194 mm×12 mm、φ140mm×10 mm、φ152 mm×10 mm，鋼支撐截面為φ140 mm×6 mm，梁柱采用相貫連接。初步采用Tekla Structures進(jìn)行深化建模、出圖。在冰山北極館模型（圖2）中，紅色為雪國列車軌道下混凝土樓層板，雪國列車軌道圍繞整個冰山館及其場外，由于軌道標(biāo)高跟隨軌道軌跡漸變，且軌道下部受力較大，故通過計算增加斜撐來保證其受力及穩(wěn)定性。

圖2 冰山北極館模型

由于桿件為圓管，且數(shù)量大，這給建模造成了很大困難，為保證桿件截面、定位的準(zhǔn)確性，顯然不可能逐根桿件建模。將結(jié)構(gòu)計算線模進(jìn)行分層處理，根據(jù)Tekla軟件的CAD圖紙導(dǎo)入功能，將線模賦予相對應(yīng)的截面和材質(zhì)并逐層導(dǎo)入Tekla軟件中，建立桿件模型，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)圖紙逐一檢查桿件的參數(shù)[3-4]。

柱梁、支撐圓管節(jié)點均為相貫節(jié)點，且數(shù)量在整個工程中占比較大，為保證網(wǎng)架的拼裝精度和安裝精度，鋼管桿件的下料切割精度須準(zhǔn)確，因而對模型中桿件的切割精度提出了高要求；由于相貫節(jié)點數(shù)量多，且有些節(jié)點為多個桿件相貫，采用普通的多邊形切割較困難且工作量較大，這就需要用到Tekla中的“Tube-Saddle＋Hole”節(jié)點，遵循“次要構(gòu)件貫主要構(gòu)件，梁貫柱，斜撐貫梁、柱”以及現(xiàn)場桿件貫工廠構(gòu)件及其他原設(shè)計規(guī)定的特殊原則，并按照現(xiàn)場安裝順序，將模型桿件貫口依次開設(shè)。此種做法提高了模型的精確性，大大減少了建模的工作量（圖3）。

圖3 Tube-Saddle＋Hole節(jié)點屬性及梁柱斜撐相貫?zāi)Ｐ?/p>

本工程結(jié)構(gòu)安裝面積大，施工作業(yè)面廣，安裝施工作業(yè)面高度高，如何做好分段來降低現(xiàn)場安裝難度也是整個深化過程中需要重點考慮的。除遵循設(shè)計規(guī)范、制作及運輸、焊縫焊接及探傷空間等常規(guī)要求外，還應(yīng)充分考慮整個工程的實際狀況，根據(jù)現(xiàn)場條件及工程結(jié)構(gòu)特點充分考慮構(gòu)件分段方案。主要從2個方面考慮：

1）冰山館每個網(wǎng)格為2 m×2 m×2 m，將2根鋼柱及中間的鋼梁斜撐在工廠里焊為一個整體形成一個構(gòu)件，然后分區(qū)、分類型進(jìn)行構(gòu)件編號，并通過散發(fā)桿件與該構(gòu)件現(xiàn)場焊接。此種做法編號清晰、分布明確，減少了現(xiàn)場的焊接工作量，降低了現(xiàn)場安裝難度（圖4）。

圖4 工廠構(gòu)件與現(xiàn)場桿件組拼整體模型

2）對于未與地面混凝土連接的鋼柱，經(jīng)與原設(shè)計溝通并征得其同意，采用將首層網(wǎng)格處鋼柱斷開并與鋼梁、斜撐組成一榀管桁架，然后與兩側(cè)鋼柱現(xiàn)場焊接。此做法大大減少了現(xiàn)場胎架的鋪設(shè)，提高了現(xiàn)場安裝的方便性及經(jīng)濟(jì)性（圖5）。

圖5 斷開鋼柱并與梁、斜撐組拼模型

冰雪餐廳、火山鯨鯊館的山體部分的結(jié)構(gòu)形式與冰山北極館大同小異，其主要變化在于建筑本身的造型及外部輪廓變化，內(nèi)部的鋼截面類型及結(jié)構(gòu)節(jié)點形式都基本相似，故不再多做介紹（圖6、圖7）。

圖6 冰雪餐廳模型

圖7 火山鯨鯊館模型

火山鯨鯊館東側(cè)由鋼桁架、鋼梁組成，材質(zhì)為Q345B及Q390GJC，鋼桁架、鋼梁由H型鋼梁組成，南北長度約46.8 m，東西長度36 m。立面桁架兩側(cè)為鋼骨混凝土柱，鋼骨為H型鋼和十字鋼（圖8）。這就需要充分了解土建的配筋圖，將混凝土鋼筋建入模型中，做好混凝土鋼筋與鋼柱的連接（穿孔、機(jī)械連接或搭接）處理，以保證混凝土的內(nèi)部強(qiáng)度。

由于跨度大，部分鋼梁須作分段處理，除考慮現(xiàn)場臨時連接措施外，還應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求對分段鋼梁做工廠預(yù)起拱。優(yōu)先采取鋼梁分段前，工廠車間對其整體起拱，然后將鋼梁按位置分段。

但由于車間空間及設(shè)備的局限性，無法進(jìn)行分段前整體起拱，這就需要對每段鋼梁單獨起拱。根據(jù)整根構(gòu)件建立分析模型，創(chuàng)建數(shù)值公式并根據(jù)整體起拱值和整個構(gòu)件長度進(jìn)行計算，進(jìn)而算出每段構(gòu)件工廠起拱的長度。經(jīng)工廠對2種預(yù)起拱方法的比較，2種方法的起拱效果幾近相同，完全滿足了原設(shè)計對構(gòu)件的預(yù)起拱要求。構(gòu)件分段后預(yù)起拱方便了工廠加工，降低了加工難度[5-7]。

3.2 立體鋼網(wǎng)架屋蓋深化設(shè)計技術(shù)

本工程的立體鋼網(wǎng)架屋蓋形狀較多，有圓弧形、曲面網(wǎng)架型、多邊形網(wǎng)架型，存在涉及專業(yè)面廣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、跨度較大等特點，如何依據(jù)設(shè)計圖紙，更好地滿足項目構(gòu)件的制作與安裝，是深化設(shè)計質(zhì)量控制的重難點。

1）合理利用軟件精準(zhǔn)建模、出圖。屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用AutoCAD、Tekla軟件及自行開發(fā)輔助插件進(jìn)行建模、出圖；在深化圖紙中提供胎架坐標(biāo)用于現(xiàn)場拼裝，同時提供安裝坐標(biāo)用于現(xiàn)場就位安裝，通過精準(zhǔn)的坐標(biāo)點控制，從而達(dá)到有效保證現(xiàn)場構(gòu)件拼裝、構(gòu)件安裝精度的要求。

2）處理好與各專業(yè)的協(xié)調(diào)配合。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋與土建、金屬屋面、排水、馬道等各種專業(yè)存在交叉，深化設(shè)計過程中除精準(zhǔn)地表達(dá)結(jié)構(gòu)圖紙及建筑圖紙的內(nèi)容外，還應(yīng)根據(jù)各專業(yè)的條件圖，將與鋼結(jié)構(gòu)交叉的部分統(tǒng)籌考慮進(jìn)去。各專業(yè)交叉部分存在矛盾或沖突的，應(yīng)組織各專業(yè)圖紙會審，將問題在鋼結(jié)構(gòu)深化前期系統(tǒng)解決。

3）合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖紙。通過圖紙會審及設(shè)計工藝評審對工程結(jié)構(gòu)、構(gòu)件規(guī)格和材質(zhì)、節(jié)點形式、制作工藝、吊裝分段、打包運輸?shù)确矫孢M(jìn)行研討，在滿足計算條件下，以提高工廠加工效率、節(jié)約成本、縮短工期為基本點，合理提出優(yōu)化方案，并得到原設(shè)計同意后方可實施。

4）通過輔助計算服務(wù)現(xiàn)場安裝。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋跨度較大，深化設(shè)計階段對屋面結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行受力分析和驗算，并進(jìn)行預(yù)起拱設(shè)計，計算出各個部位的坐標(biāo)預(yù)調(diào)值，在深化設(shè)計圖紙中表達(dá)，從而指導(dǎo)車間制作過程，進(jìn)而保證項目現(xiàn)場拼裝及安裝位置。

場館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋雖然形狀不一，但類型相似，通過剖析重難點并采取有效措施，從而實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋深化工作的順利完成（圖9～圖11）。

4 結(jié)語

圖8 火山鯨鯊館東側(cè)屋頂層鋼結(jié)構(gòu)模型

圖9 企鵝天幕館屋蓋模型

圖10 海豚表演場屋蓋模型

圖11 歡樂劇場屋蓋模型

本工程場館多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造型獨特、多樣，且工期緊、任務(wù)重，給深化設(shè)計及現(xiàn)場施工帶來了不少挑戰(zhàn)。但是我們根據(jù)多年的深化經(jīng)驗，合理利用各方資源，熟練、精準(zhǔn)地發(fā)掘重點、剖析難點、綜合考慮，最終使項目的工期、質(zhì)量、安全得到了有效保障。