九華山超高佛像營(yíng)造工程關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

張永生 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

1 研究背景

九華山地藏菩薩大銅像（圖1）觀瞻高度139m，像身高度為99m，左手持直徑4.3m摩尼寶珠，右手執(zhí)109.9m高錫杖；像體由2390塊重800kg～3000kg的銅壁板組成，藝術(shù)造型極其復(fù)雜。由安徽省佛教協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)仁德大和尚倡建，為安徽省861計(jì)劃重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。作為世界最高亞金銅佛像，其營(yíng)造工藝、材料耐蝕和成像效果等技術(shù)要求極高。由安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院牽頭，聯(lián)合洛銅集團(tuán)、安徽建工集團(tuán)和合肥工業(yè)大學(xué)等組成科研技術(shù)團(tuán)隊(duì)，開展九華山超高佛像營(yíng)造工程基礎(chǔ)研究與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

2 技術(shù)難點(diǎn)

該項(xiàng)目技術(shù)難度極高，采用現(xiàn)有的營(yíng)造技術(shù)、材料工藝和安裝設(shè)備難以完成，需解決以下技術(shù)難題。

①傳統(tǒng)附著式支撐架會(huì)造成巨型像體開口、后期修補(bǔ)、涂裝及維護(hù)成本高，須研發(fā)一種自平衡外架體系以解決剛架與像體分離、水平與垂直運(yùn)輸通道、多層次作業(yè)平臺(tái)等復(fù)雜功能問題。

②固定塔吊的高度和臂長(zhǎng)不能覆蓋銅像安裝全范圍且工效低，須研制操作靈活、工效高的運(yùn)輸裝置。

③像體外形復(fù)雜，施工作業(yè)面廣、變化大，常規(guī)作業(yè)平臺(tái)頻繁裝卸，不能滿足工期及安全要求。

④銅壁板材料以及銅像制作工藝對(duì)成像效果和后期維護(hù)影響很大，須研制具有超強(qiáng)耐腐蝕能力的新型材料，改進(jìn)銅壁板安裝工藝及關(guān)鍵參數(shù)。

3 研究思路

線框圖見圖1。

圖1 項(xiàng)目研究的技術(shù)路線

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 自平衡環(huán)形空間外承力剛架結(jié)構(gòu)體系

發(fā)明了營(yíng)造超高佛像的“自平衡環(huán)形空間外承力剛架結(jié)構(gòu)體系”（國(guó)家發(fā)明專利），通過數(shù)值模擬、力學(xué)分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，揭示了復(fù)雜營(yíng)造工況和地理環(huán)境下空間剛架體系的自平衡規(guī)律，有效解決了九華山超高佛像安裝過程中承載、吊裝、防護(hù)等技術(shù)難題，提高銅壁板安裝工效6倍；突破了現(xiàn)有巨型銅像造像技術(shù)局限性，滿足了九華山超高佛像營(yíng)造工藝的極高要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)佛教教義的充分尊重。

①發(fā)明了自平衡環(huán)形空間外承力剛架體系，建立了理論力學(xué)模型，通過數(shù)值分析對(duì)現(xiàn)有附著式支撐體系與新研發(fā)獨(dú)立自平衡剛架體系進(jìn)行了設(shè)計(jì)方案比選，從立面、平面和連接等多方面進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化，綜合分析結(jié)構(gòu)承載力、變形和穩(wěn)定等關(guān)鍵參數(shù)。

②研發(fā)的自平衡環(huán)形空間外承力剛架（圖2、圖3、圖4）的結(jié)構(gòu)高度108m，層高6m；下部?jī)蓪觾?nèi)、外直徑50m和72m，上部標(biāo)準(zhǔn)層內(nèi)、外直徑38m和50m，上下結(jié)構(gòu)層通過轉(zhuǎn)換層連接，環(huán)向、徑向、豎向及支撐桿件形成自平衡、閉合、大跨度、輕量化的空間剛架結(jié)構(gòu)體系。剛架桿件均采用易裝配鉸接桿單元，支座鉸接支承于鋼筋混凝土底座柱頂。桿件全部采用無縫鋼管，最大立柱直徑φ325×6.0，最小支撐桿件φ127×3.0；立柱采用法蘭連接，其余均采用端板加高強(qiáng)螺栓連接，鋼材材質(zhì)均為Q235B。

圖2 剛架正立面

圖3 剛架側(cè)剖面

圖4 自平衡環(huán)形空間外承力剛架現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景圖

③通過有限元計(jì)算和力學(xué)分析，揭示了復(fù)雜營(yíng)造工況和地理環(huán)境下空間剛架結(jié)構(gòu)體系的自平衡規(guī)律，表明研發(fā)的剛架結(jié)構(gòu)體系是高次超靜定結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)承載力和抗變形能力，安全冗余度高；結(jié)構(gòu)整體剛度均勻，各部件協(xié)同工作，滿足各項(xiàng)復(fù)雜工況的需求。

④通過標(biāo)準(zhǔn)化拆分設(shè)計(jì)，自平衡外承力剛架具有單元模塊化、生產(chǎn)工業(yè)化、施工裝配化等優(yōu)勢(shì)；空間剛架結(jié)構(gòu)采用拔桿自裝自拆，與銅壁板安裝和涂裝同步，縮短工期；構(gòu)件90%可回收利用，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境，符合建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化和綠色施工的發(fā)展要求。

⑤可視化施工模擬對(duì)剛架環(huán)形空間進(jìn)一步優(yōu)化，使其滿足超高佛像安裝過程中承載、多點(diǎn)起吊、多層次作業(yè)、特殊部位吊裝、防護(hù)等多功能需求，達(dá)到了提高工效數(shù)倍、安全零事故的目標(biāo)。

⑥通過研究環(huán)形空間剛架的自平衡規(guī)律，解決了現(xiàn)有巨型像體開口造成銅壁板焊接、矯正變形困難和后期維護(hù)費(fèi)用高等難題，為整體涂裝提供了保障，顯著提高了像體表面平順、色澤均勻恒久的成像效果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)佛教教義的尊重。

4.2 萬(wàn)向轉(zhuǎn)輪底座可伸縮拔桿技術(shù)

針對(duì)特殊山地環(huán)境和超高的吊裝運(yùn)輸要求，發(fā)明了萬(wàn)向轉(zhuǎn)輪底座可伸縮拔桿裝置（國(guó)家發(fā)明專利），克服了大型吊裝設(shè)備在特殊環(huán)境下操作的局限性，采用多點(diǎn)起吊顯著提高運(yùn)輸進(jìn)度；解決其吊裝安全技術(shù)難題，顯著提高銅壁板安裝工效。

①由于佛像超高、超復(fù)雜的外形及山地環(huán)境的限制，固定塔吊不能覆蓋銅像安裝全范圍的材料運(yùn)輸，傳統(tǒng)拔桿也不能在變化的施工空間內(nèi)完成不同擺幅的垂直起吊和水平運(yùn)輸作業(yè)。

②運(yùn)用機(jī)械力學(xué)的杠桿原理，在傳統(tǒng)拔桿的基礎(chǔ)上，引入多組滑輪和萬(wàn)向轉(zhuǎn)輪底座，發(fā)明了萬(wàn)向轉(zhuǎn)輪底座可伸縮拔桿裝置（圖5和圖6）。

③工作原理：鋼管拔桿通過附帶轉(zhuǎn)盤的底座固定在承力外架上，使得拔桿可以左右轉(zhuǎn)動(dòng)；轉(zhuǎn)盤上部通過轉(zhuǎn)軸與拔桿相連實(shí)現(xiàn)拔桿上下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而形成萬(wàn)向轉(zhuǎn)輪底座；在拔桿的大管徑鋼管內(nèi)設(shè)置滑動(dòng)軌槽，小管徑鋼管內(nèi)設(shè)置導(dǎo)軌，通過一組動(dòng)滑輪帶動(dòng)拔桿伸縮；水平滑輪組、垂直滑輪組共同完成重物起吊。

④通過可視化施工模擬等方法，優(yōu)化了伸縮拔桿、吊裝滑輪組、限位滑輪組等重要部件和關(guān)鍵尺寸參數(shù)，使萬(wàn)向轉(zhuǎn)輪底座可伸縮拔桿裝置，既保留短桿垂直運(yùn)輸?shù)撵`活性，又發(fā)揮了長(zhǎng)桿水平運(yùn)輸?shù)墓δ苄?，可?shí)現(xiàn)全方位的吊裝作業(yè)；同時(shí)拔桿裝置具有自重輕、安裝靈活、造價(jià)低的優(yōu)勢(shì)，可在環(huán)形外承力剛架上多點(diǎn)均勻布置以提高工效。

圖5 拔桿布置示意圖

圖6 萬(wàn)向轉(zhuǎn)輪底座可伸縮拔桿

4.3 可伸縮拼裝作業(yè)平臺(tái)技術(shù)

研發(fā)了由標(biāo)準(zhǔn)桁架、非標(biāo)準(zhǔn)桁架及“U”型孔螺栓連接形成的可伸縮拼裝作業(yè)平臺(tái)（圖7），可以通過桁架伸縮來滿足佛像復(fù)雜外形的安裝需求，通過標(biāo)準(zhǔn)桁架的高周轉(zhuǎn)率提高工效及操作安全性。

①由于像體尺寸變化幅度大，按傳統(tǒng)的方法，像體安裝作業(yè)平臺(tái)需逐個(gè)下料，借助外承力剛架分層搭設(shè)，工作量大周轉(zhuǎn)率低，且質(zhì)量安全難以保證。

②課題組應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理結(jié)合可視化施工模擬，分析作業(yè)平臺(tái)尺寸變化幅度，以50%的周轉(zhuǎn)率為目標(biāo)，確定標(biāo)準(zhǔn)桁架的規(guī)格，研發(fā)了由標(biāo)準(zhǔn)桁架、非標(biāo)準(zhǔn)桁架拼裝的作業(yè)平臺(tái)，具有裝卸靈活、標(biāo)準(zhǔn)桁架通用的優(yōu)勢(shì)，易實(shí)現(xiàn)桁架長(zhǎng)度自由擴(kuò)展，適應(yīng)像體不同部位安裝需求。

③標(biāo)準(zhǔn)桁架、非標(biāo)準(zhǔn)桁架均由工廠加工，現(xiàn)場(chǎng)采用“U”型孔可調(diào)節(jié)高強(qiáng)螺栓拼接，具有工效高、質(zhì)量可控、安全有保障的顯著優(yōu)勢(shì)。

圖7 作業(yè)平臺(tái)示意

4.4 耐蝕亞金銅技術(shù)

研發(fā)了新型耐蝕亞金銅新材料（洛銅集團(tuán)專利技術(shù)），具有18K黃金光澤及超強(qiáng)耐腐蝕性；優(yōu)化了耐蝕亞金巨型銅像制作關(guān)鍵工藝及重要參數(shù)，滿足了佛像的高質(zhì)成像效果和高耐久性的要求。

①耐蝕亞金銅合金具有良好的鑄造性能、耐腐蝕和工藝加工性能；具有美麗的金黃色澤；可使用氬弧焊接工藝，具有較好的焊接性能，適用于露天大型銅像的建造。

②佛像主體制作工藝分為銅壁板鑄造、安裝、焊接、表面打磨、表面涂裝五個(gè)重要環(huán)節(jié)，完美展現(xiàn)耐蝕亞金銅的金色魅力及銅壁板鑄件的藝術(shù)效果。

5 推廣應(yīng)用及研究意義

①本項(xiàng)目研究成果對(duì)于弘揚(yáng)地藏精神和佛教文化，振興佛教名山，促進(jìn)旅游業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要意義。

②本項(xiàng)目的研究與應(yīng)用，為巨型宗教像體的安全建造、后期維護(hù)和文化傳承提供了創(chuàng)新思路。部分成果成功應(yīng)用于青島嶗山老子銅像、浙江臺(tái)州觀音像等多項(xiàng)工程，促進(jìn)了我國(guó)文化旅游事業(yè)的發(fā)展；研究成果在渡江戰(zhàn)役紀(jì)念館勝利塔等重要建筑工程中得到了推廣和應(yīng)用，解決了相關(guān)技術(shù)難題。

③自平衡空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系優(yōu)良的受力性能對(duì)于大跨度、層高較高的罩棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新的思路，可以利用空間網(wǎng)格墻替代傳統(tǒng)的格構(gòu)柱進(jìn)行設(shè)計(jì)，形成整體性能優(yōu)越、剛度均勻的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。