71 m機(jī)器人雕塑主體鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工技術(shù)

李子清 周鐵剛 李 強(qiáng) 劉丁剛 鄒 鵬 馬江濱

中建三局集團(tuán)有限公司 湖北 武漢 430064

隨著城市化進(jìn)程的加快，文化地標(biāo)雕塑逐漸成為城市的名片，承載著提升市民文化自信與文化認(rèn)同的使命。大型地標(biāo)雕塑往往具有外形復(fù)雜、結(jié)構(gòu)特異的特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)缺少對(duì)大型地標(biāo)雕塑的系統(tǒng)性研究，尤其是針對(duì)人形鋼結(jié)構(gòu)雕塑工程，尚無相關(guān)研究。在人形鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，采用三維仿真模擬、Midas非線性分析輔助施工模擬分析，為類似大型異形雕塑項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工提供了參考[1-6]。

1 工程概況

迪夢(mèng)溫泉小鎮(zhèn)（一期）項(xiàng)目機(jī)器人雕塑工程位于濰坊市峽山區(qū)濰峽路以東、濰膠路以南，星球大戰(zhàn)（機(jī)器人）雕塑底部為筏板基礎(chǔ)，局部為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層為②細(xì)砂層，上部建設(shè)高71.3 m鋼結(jié)構(gòu)機(jī)器人，手中武器至場(chǎng)館底部。

鋼結(jié)構(gòu)形式采用單層殼體＋鋼管桁架組合結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)主鋼架高67.952 m，平面尺寸19.4 mh 33.3 m，按照結(jié)構(gòu)部位，機(jī)器人可以劃分為主骨架部分＋外層部分＋寶劍部分＋背部部分（圖1）。

圖1 機(jī)器人雕塑結(jié)構(gòu)組成

主骨架為整個(gè)機(jī)器人的首要受力傳力結(jié)構(gòu)，采用空間管桁架結(jié)構(gòu)，f 0 m以下基礎(chǔ)部分為外包混凝土鋼管柱，各部位均為主管和次管形成的空間結(jié)構(gòu)，其中腳部、腿部、手部和頭部均為4根主管形成的空間管結(jié)構(gòu)，胸腹部位為6根主管形成的空間管結(jié)構(gòu)。機(jī)器人外層結(jié)構(gòu)通過中間的連接結(jié)構(gòu)和內(nèi)層主結(jié)構(gòu)連接。劍和背部結(jié)構(gòu)均為管桁架空間結(jié)構(gòu)，背部為全懸挑，懸挑跨度達(dá)到6 m。

2 工程特點(diǎn)和難點(diǎn)

1）機(jī)器人鋼結(jié)構(gòu)主鋼架高67.952 m，大構(gòu)件質(zhì)量達(dá)17 t，吊裝高度高、異形空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，撓度控制及吊裝難度大。

2）機(jī)器人背部結(jié)構(gòu)為全懸挑結(jié)構(gòu)，懸挑跨度達(dá)6 m，而火箭筒結(jié)構(gòu)總質(zhì)量達(dá)44.4 t，超重懸挑結(jié)構(gòu)安裝變形控制難度大。

3）機(jī)器人雕塑含多層結(jié)構(gòu)（主骨架＋外層骨架＋外層金屬壁板），工程量大，工期緊張，如何通過合理部署實(shí)現(xiàn)3層結(jié)構(gòu)不等高同步施工，是實(shí)現(xiàn)工期目標(biāo)的關(guān)鍵。

3 鋼結(jié)構(gòu)吊裝關(guān)鍵技術(shù)

3.1 吊裝方案選擇

機(jī)器人鋼結(jié)構(gòu)主鋼架尺寸過大，高度高，無法拼裝成整體后一次性吊裝到位，故而采用主骨架分段吊裝、外層結(jié)構(gòu)整散結(jié)合的方法減少短時(shí)間內(nèi)所需要的人、材、機(jī)配置，同時(shí)降低吊裝機(jī)械要求及對(duì)周圍地上障礙物影響。

核心主骨架、劍體、背部結(jié)構(gòu)均考慮工廠制作為立體吊裝單元體，現(xiàn)場(chǎng)分單元吊裝；外層和連接結(jié)構(gòu)部分盡可能在工廠分層制作成片狀單元，分層安裝過程各層自成工作平臺(tái)，輔以局部腳手架，自下至上逐層安裝。為滿足工期要求，主骨架與外層結(jié)構(gòu)、連接結(jié)構(gòu)考慮不等高同步施工，分段主骨架吊裝完成后，外層結(jié)構(gòu)同步安裝，同時(shí)進(jìn)行下一段主骨架吊裝準(zhǔn)備。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置1臺(tái)TC7013塔吊，主要吊裝散件等較輕構(gòu)件，同時(shí)配備1臺(tái)150 t履帶吊、1臺(tái)150 t汽車吊吊裝分段單元（圖2）。

圖2 總體安裝布置

3.2 主體鋼結(jié)構(gòu)分段

機(jī)器人雕塑主骨架按照結(jié)構(gòu)部位最大吊裝高度達(dá)71 m，核心主骨架、劍體、背部結(jié)構(gòu)均考慮工廠制作為立體吊裝單元體，現(xiàn)場(chǎng)分單元吊裝。分段時(shí)要綜合考慮分段質(zhì)量、分段尺寸大?。ㄊ欠穹奖氵\(yùn)輸）及其安裝順序。

3.2.1 核心主骨架分段

核心主骨架分為腳、腿、軀干、手臂、頭部等幾個(gè)安裝單體，每個(gè)安裝單體根據(jù)質(zhì)量、尺寸分成若干個(gè)吊裝單元進(jìn)行吊裝，每個(gè)吊裝單元自重控制在不超過17 t。分段全部在主管位置進(jìn)行劃分，考慮到吊裝變形控制，大腿部位設(shè)置臨時(shí)加固單元進(jìn)行加固。

3.2.2 寶劍及背部結(jié)構(gòu)分段

寶劍部分單元工廠按12 m段加工，質(zhì)量原則不超過17 t?，F(xiàn)場(chǎng)逐段吊裝，其中第1段和第2段各分2段加工，長(zhǎng)度約12 m，上部根據(jù)后續(xù)吊裝的需要進(jìn)行分段。背部部分單元吊裝全部在地面拼裝后再分段進(jìn)行吊裝。

3.3 懸挑結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐設(shè)置

機(jī)器人雕塑背部結(jié)構(gòu)為懸挑結(jié)構(gòu)，總質(zhì)量達(dá)44.4 t，為控制背部結(jié)構(gòu)的受力變形，經(jīng)過受力驗(yàn)算，采用設(shè)置臨時(shí)支撐方式，于背部結(jié)構(gòu)底部設(shè)置2處臨時(shí)支撐架（圖3）。

圖3 臨時(shí)支撐架設(shè)置示意

臨時(shí)支撐架以6 m為一標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，由A、B、C共3個(gè)組件構(gòu)成，可在施工中根據(jù)需要隨意組合，任意擴(kuò)展。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)支撐架截面寬度為1.5 mh 1.5 m，垂直步距為2 m，立桿采用φ168 mmh 8 mm無縫鋼管，其他腹桿采用φ89 mmh 5 mm無縫鋼管；連接法蘭板厚16 mm，其他節(jié)點(diǎn)板厚12 mm。鋼結(jié)構(gòu)采用Q235B普通結(jié)構(gòu)鋼，鋼管采用無縫鋼管；支撐所有組件均由圓管構(gòu)成。

3.4 三維施工模擬

確定好最優(yōu)的桿件拼裝順序后，利用BIM技術(shù)三維模擬建模（圖4、圖5），分析驗(yàn)證起重設(shè)備不同工況下在各個(gè)站位的吊裝能力，同時(shí)避免起重設(shè)備與塔吊等的碰撞，確定最優(yōu)的施工順序和吊裝方案。同時(shí)對(duì)桿件的拼裝工序進(jìn)行三維可視化模擬，通過三維可視化的施工模擬，使施工現(xiàn)場(chǎng)拼裝有序進(jìn)行，保證施工進(jìn)度與質(zhì)量。

圖4 主龍骨吊裝施工模擬

圖5 背部結(jié)構(gòu)吊裝施工模擬

3.5 不等高同步吊裝

主骨架與外層骨架、連接結(jié)構(gòu)考慮不等高同步施工，分段主骨架吊裝完成后，外層骨架同步安裝，同時(shí)進(jìn)行下一段主骨架吊裝準(zhǔn)備。軀干部3個(gè)單元及散件（最大自重≤15 t）吊裝就位后，開始搭設(shè)底部局部腳手架，自下至上分層安裝腳部、腿部至腰部外層結(jié)構(gòu)。

后續(xù)主骨架與外層結(jié)構(gòu)同步不等高施工，直至完成整體安裝（圖6）。

圖6 不等高同步吊裝示意

4 異形鋼結(jié)構(gòu)有限元分析

根據(jù)總體施工方案，運(yùn)用Midas非線性施工過程分析模塊，將計(jì)算模型定義為一個(gè)施工序列，按照施工順序，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐步激活，得到結(jié)構(gòu)在整個(gè)施工過程中剛度及內(nèi)力的變化情況，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)安裝順序、臨時(shí)支撐方案，確保結(jié)構(gòu)在施工過程中的穩(wěn)固安全，以及結(jié)構(gòu)在施工過程中內(nèi)力不超限，變形不超差，并根據(jù)結(jié)構(gòu)逐步成形過程中各臨時(shí)支撐點(diǎn)的受力分析結(jié)果，進(jìn)行臨時(shí)支撐體系的設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)施工過程中的荷載包括結(jié)構(gòu)自重及施工過程中的施工活荷。結(jié)構(gòu)自重考慮1.2倍的系數(shù)。結(jié)構(gòu)位移變形按照結(jié)構(gòu)荷載標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行考慮，結(jié)構(gòu)受力荷載組合按1.2恒＋1.4活進(jìn)行分析考慮。

臨時(shí)支撐架所承受的荷載包括懸挑桁架結(jié)構(gòu)部分自重、支撐架自重、風(fēng)荷載。由于安裝過程存在諸多不可預(yù)見的不利因素，需對(duì)主要的荷載進(jìn)行工況組合。支撐架最大支撐高度為37.0 m，上部所承受最大集中力按照360 kN考慮，同時(shí)考慮支撐架上部施工活荷載為2 kN/m2。查GB 50009ü 2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，按照濰坊地區(qū)10年一遇風(fēng)荷載考慮臨時(shí)支撐架風(fēng)荷載，基本風(fēng)壓取0.30 kN/m2。

有限元分析結(jié)果顯示，整個(gè)吊裝過程中，結(jié)構(gòu)最大位移為26.984 mm，最大應(yīng)力比為0.253，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求位移率不超過1/400、最大應(yīng)力比不超過1，經(jīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)位移率為0.001 7，小于1/400，滿足變形和強(qiáng)度要求，因此，結(jié)構(gòu)分段安裝階段結(jié)構(gòu)安全，施工可行。

從有限元分析結(jié)果還可以看出，背部結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐最大位移為16.005 mm，最大應(yīng)力比為0.252，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求位移率不超過1/400，最大應(yīng)力比不超過1，背部結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐的最大位移率為0.000 4，小于1/400，滿足變形和強(qiáng)度要求，因此，臨時(shí)支撐設(shè)置滿足結(jié)構(gòu)要求。

5 結(jié)語

本文以71 m機(jī)器人雕塑工程為研究對(duì)象，針對(duì)安裝高度高、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、懸挑結(jié)構(gòu)變形控制要求高等難點(diǎn)，研究出 分段拼裝＋整散結(jié)合＋不等高同步吊裝 方式，同時(shí)采用三維仿真模擬進(jìn)行碰撞分析，利用非線性分析方法得到剛度及內(nèi)力變化，驗(yàn)證了方案可行性。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際實(shí)施，降低了異形鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)安裝難度，施工效率大為提高，可為類似大型異形雕塑項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工提供參考。