景觀鋁合金云巢結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

馬 娟

上海園林綠化建設(shè)有限公司 上海 200333

現(xiàn)代景觀建筑物造型日趨復(fù)雜奇特，異形建筑物常選用金屬結(jié)構(gòu)[1]。金屬結(jié)構(gòu)具有造型輕盈、金屬用量小、投影面積大、結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜等特點(diǎn)。傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)建造技術(shù)采用現(xiàn)場(chǎng)拼接安裝，存在措施費(fèi)用高、建造過(guò)程復(fù)雜、施工周期長(zhǎng)等問(wèn)題，亟待改進(jìn)。

本文以2019年北京世園會(huì)上海展園鋁合金云巢為背景，針對(duì)性地介紹了鋁合金云巢結(jié)構(gòu)的高精度拼裝快速施工技術(shù)，旨在研究和總結(jié)一套金屬結(jié)構(gòu)高精度快速拼裝建造工藝，為今后大型綠地金屬景觀建筑物施工提供拼裝技術(shù)范本，也為行業(yè)沉淀和固化技術(shù)作出一定的貢獻(xiàn)。

1 工程概況

2019年北京世界園藝博覽會(huì)園區(qū)位于北京市延慶區(qū)媯水河沿岸，總面積960 hm2，上海展園位于圍欄區(qū)南側(cè)，靠近南部入口處的中華園藝展示區(qū)華東組團(tuán)C30地塊，總面積為2 850 m2。

上海展園以“祥云園”為主題，通過(guò)景觀園藝的手段表達(dá)“祥云獻(xiàn)瑞，雨潤(rùn)萬(wàn)物”的愿景。上海園的東側(cè)一角設(shè)置1座鋁合金景觀建筑物云巢，占地面積大約270 m2，長(zhǎng)約22 m、寬約21 m、高約8.6 m，整個(gè)云巢由弧形的鋼結(jié)構(gòu)作為骨架，內(nèi)部形成一個(gè)無(wú)柱的大型空間，構(gòu)架表皮采用六邊形輕質(zhì)鋁合金構(gòu)件覆蓋。由于表皮構(gòu)件的疏密疊加，從園中不同視角望去，展現(xiàn)出如天上流云一般的變幻效果，形成云的意象（圖1）。

圖1 2019年北京世園會(huì)上海園實(shí)景

2 工程重、難點(diǎn)分析

2.1 節(jié)點(diǎn)、桿件數(shù)量巨大，安裝工作量巨大

計(jì)算模型節(jié)點(diǎn)數(shù)10 206個(gè)，桿件數(shù)量20 016根，屋面板數(shù)量394塊。本項(xiàng)目預(yù)埋件209個(gè)，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)板1 016塊，其連接錨栓超過(guò)48 768個(gè)，六邊形和立柱鋁合金連接件13 564個(gè)，不銹鋼連接件2 502個(gè)，連接螺栓182 784個(gè)。編碼和安裝過(guò)程將耗費(fèi)技術(shù)人員大量精力，且需調(diào)整時(shí)易發(fā)生錯(cuò)誤。

2.2 桿件截面短而小，安裝空間極其狹小

殼體桿件大部分長(zhǎng)度在1 m左右，小的只有30 cm左右，六邊形網(wǎng)格邊長(zhǎng)為500 mm，高度為666 mm。高空作業(yè)，安裝受限。

2.3 多專業(yè)協(xié)同配合施工

本工程是多專業(yè)協(xié)同配合的綜合性工程，除與土建結(jié)構(gòu)施工配合外，與燈光安裝、室內(nèi)景觀等配合時(shí)，均要求有合理科學(xué)的技術(shù)措施加以保證。

3 鋁合金云巢結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)精度保證

本工程針對(duì)造型復(fù)雜的景觀建筑物設(shè)計(jì)精度低的難題，創(chuàng)新研發(fā)了運(yùn)用Rhino與Grasshopper計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)：首先，通過(guò)平面六邊形網(wǎng)格定位確定各個(gè)頂點(diǎn)與形心點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際使用功能高度確定造型整體框架；其次，在多層六邊形網(wǎng)格體現(xiàn)中，根據(jù)漂浮之云的概念，在模型空間限定云的基本邊界輪廓；最后，通過(guò)設(shè)定六邊形空間框架與云邊界的結(jié)合關(guān)系，運(yùn)用遺傳算法，由軟件核算出最佳外輪廓形狀。

3.2 利用參數(shù)化設(shè)計(jì)編碼

參數(shù)化設(shè)計(jì)是將工程本身編寫為函數(shù)的過(guò)程，通過(guò)修改初始條件并經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算得到工程結(jié)果的設(shè)計(jì)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)化。本工程的每個(gè)零件和每個(gè)結(jié)構(gòu)弧度都不一樣，由國(guó)內(nèi)技術(shù)先進(jìn)的廠家按照編碼定位進(jìn)行預(yù)制后，進(jìn)場(chǎng)精準(zhǔn)裝配，用在景觀園林上還屬創(chuàng)新嘗試。為保證十余萬(wàn)零部件連接可靠性，采用先進(jìn)快速的錨固手段——Huck氣壓拉鉚螺栓。

3.3 選材時(shí)減輕景觀建筑物質(zhì)量

本工程針對(duì)框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和質(zhì)量重的技術(shù)難題，采用鋁合金材料作為建筑物的框架，利用鋁合金材料質(zhì)輕且柔軟、強(qiáng)度好、耐蝕性能好、加工性能好、可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，確保云巢的景觀性能，且符合本次世園會(huì)的可持續(xù)發(fā)展要求。

3.4 云巢結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

云巢上部結(jié)構(gòu)采用全鋁合金結(jié)構(gòu)，其中橢球面部分采用單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，桿件采用工字型鋼截面150 mm×100 mm×8 mm×10 mm，其余各層結(jié)構(gòu)采用鋁合金六邊形網(wǎng)格梁加立柱結(jié)構(gòu)體系，網(wǎng)格梁截面尺寸為B30 m×80 mm×6 mm，立柱截面為邊長(zhǎng)80 mm等邊三角形，上部各層結(jié)構(gòu)的大部分區(qū)域支撐于下部橢球面單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)之上，其余部分支撐于下部混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，支座均采用鉸接支座。橢球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)下部支撐于混凝土基礎(chǔ)頂面，支座采用剛接連接。橢球面結(jié)構(gòu)頂部區(qū)域布置屋面板，其余結(jié)構(gòu)均為鏤空構(gòu)架，無(wú)覆蓋材料（圖2）。

圖2 云巢單層殼體結(jié)構(gòu)和六邊形及立柱結(jié)構(gòu)

4 施工技術(shù)要點(diǎn)

4.1 精確加工

本工程設(shè)計(jì)的穹頂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及其節(jié)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)的曲線變化處理均在節(jié)點(diǎn)板上考慮，同時(shí)多層六邊形結(jié)構(gòu)桿件、節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，因此節(jié)點(diǎn)的加工精度應(yīng)嚴(yán)格控制，這也是本工程質(zhì)量控制的難點(diǎn)。整個(gè)構(gòu)件加工可分割為五個(gè)步驟。為確保加工精度和提高生產(chǎn)能力，選用精度高的數(shù)控車床和立式多軸加工中心，并配備質(zhì)量過(guò)關(guān)的進(jìn)口刀具。

4.2 預(yù)埋件施工

在土建基礎(chǔ)及云巢結(jié)構(gòu)施工前即引入結(jié)構(gòu)預(yù)埋件的作業(yè)，保證預(yù)埋件及時(shí)準(zhǔn)確的定位安裝，是后續(xù)整體工程順利施工的重點(diǎn)。精確的定位測(cè)量放線是本工程施工成功的前提保證。施工時(shí)采用全站儀、水準(zhǔn)儀等進(jìn)行測(cè)量。

現(xiàn)場(chǎng)要用全站儀嚴(yán)格控制埋件的設(shè)計(jì)精度。位置確定后采用固定支架把預(yù)埋件與基礎(chǔ)鋼筋固定牢固，確保基礎(chǔ)澆筑混凝土?xí)r預(yù)埋件不發(fā)生移位。為防止混凝土結(jié)構(gòu)施工對(duì)埋件位置造成影響，對(duì)埋件進(jìn)行臨時(shí)剛性支撐固定。

1）混凝土澆筑前再次復(fù)核埋件坐標(biāo)，確保埋件位置的準(zhǔn)確性（每個(gè)埋件在不同的施工階段將復(fù)測(cè)3～5次）。

2）澆搗混凝土?xí)r，埋件施工人員、測(cè)量人員不間斷地現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，用紅外線全站儀直接對(duì)準(zhǔn)埋件定位點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核，如出現(xiàn)問(wèn)題立即采取相應(yīng)措施進(jìn)行調(diào)整。

4.3 殼體結(jié)構(gòu)施工

1）按施工圖測(cè)量相應(yīng)的預(yù)埋件，將工廠制作好的鋁合金桿件、節(jié)點(diǎn)從殼體結(jié)構(gòu)的支座處開始安裝，同步搭設(shè)腳手架。

2）從殼體結(jié)構(gòu)采光頂開始安裝，穹頂安裝合攏后固定采光頂支座，然后安裝采光板，再安裝云巢立桿連接件。腳手架根據(jù)云巢的搭設(shè)方向逐步后退，邊搭邊拆，腳手架總高度搭至9 m，基本負(fù)載以人員操作為主，無(wú)堆載。

3）殼體結(jié)構(gòu)施工時(shí)在室內(nèi)搭設(shè)盤扣式腳手架，桿件從支座開始逐步往上施工，主體施工完成后再施工3個(gè)通道處的殼體結(jié)構(gòu)。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件之間采用盤式節(jié)點(diǎn)，安裝時(shí)應(yīng)對(duì)照?qǐng)D紙確認(rèn)桿件、節(jié)點(diǎn)板的類型與規(guī)格準(zhǔn)確無(wú)誤，確認(rèn)鎖緊螺栓的類型和數(shù)量準(zhǔn)確無(wú)誤，使用Huck氣壓拉鉚螺栓，檢查螺栓尾部是否全部脫落，確認(rèn)鎖扣可靠（圖3）。

圖3 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

4.4 立柱及六邊形網(wǎng)格梁施工

1）殼體結(jié)構(gòu)主體封頂后開始施工立柱及六邊形網(wǎng)格梁，從中心點(diǎn)開始向各個(gè)方向往外推進(jìn)。

2）具體步驟為：先放樣立柱位置，臨時(shí)固定立柱，然后安裝此立柱上所有各層節(jié)點(diǎn)板，最后逐層安裝六邊形網(wǎng)格梁。完成第一個(gè)六邊形結(jié)構(gòu)后，先往外安裝一層六邊形網(wǎng)格梁，再插立柱并臨時(shí)固定，然后安裝剩余各層六邊形網(wǎng)格梁，以此類推完成整個(gè)結(jié)構(gòu)的安裝。

3）三角形立柱與六邊形橫梁之間的連接是本項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)采用立柱貫通，橫梁與立柱之間采用鋁合金節(jié)點(diǎn)板連接，節(jié)點(diǎn)板之間在3個(gè)方向分別設(shè)置豎向鋁合金固定件，鋁合金固定件與立柱之間采用不銹鋼螺栓連接（圖4）。

圖4 立柱與六邊形橫梁之間連接構(gòu)造

4）從縱軸線往兩側(cè)搭設(shè)，搭設(shè)時(shí)用全站儀加以監(jiān)測(cè)，三角型材與埋件先作暫時(shí)固定，搭至6層后才能最終固定，確保有調(diào)節(jié)施工誤差的余地?？偲囱b完成后，應(yīng)該檢查網(wǎng)殼曲面形狀的安裝誤差，最大允許誤差應(yīng)不大于直徑的1/3 500或±35 mm。確認(rèn)安裝偏差符合要求之后，方可拆除安裝支架。

4.5 覆蓋材料、收邊施工

六邊形網(wǎng)格梁及立柱結(jié)構(gòu)安裝完畢后，在橢球面結(jié)構(gòu)頂部區(qū)域布置屋面板，屋面板數(shù)量394塊，其余結(jié)構(gòu)均為鏤空構(gòu)架，無(wú)覆蓋材料。屋面板采用厚8 mm的亞克力板作為覆蓋材料，并用硅酮密封膠和泡沫棒密封，最后門洞采用鋁合金板材收邊。

4.6 入口通道增加鋁板、內(nèi)部滴灌栽培保綠

1）現(xiàn)場(chǎng)所有結(jié)構(gòu)已經(jīng)安裝完成，但為了提升云巢整體效果，在三個(gè)通道內(nèi)表面增加三角鋁板，并在鋁板內(nèi)做垂直綠化。

2）云巢的內(nèi)部懸吊花球，運(yùn)用滴管栽培的生物技術(shù)將科技與植物相融合，從而凸顯了植物風(fēng)貌與科技融合的空間感。

3）云洞的投影范圍內(nèi)有一處水面上的綠島，上面種植修竹穿云而出，形成相互穿插的形態(tài)，配合土建小品、燈光布置、音樂(lè)環(huán)繞和植物配置等，最終將云巢打造得像一座科創(chuàng)之城（圖5）。

圖5 云巢施工成品效果

5 結(jié)語(yǔ)

創(chuàng)新應(yīng)用景觀鋁合金云巢結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼裝施工，并在施工過(guò)程中解決了鋁合金云巢結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)多的問(wèn)題，施工便利、安全可靠、質(zhì)量有保障，大大降低了深化人員和現(xiàn)場(chǎng)拼裝人員的工作量，縮短了施工工期。最終，上海園摘得AIPH大獎(jiǎng)和組委會(huì)大獎(jiǎng)，室內(nèi)展區(qū)獲組委會(huì)特等獎(jiǎng)。景觀鋁合金云巢施工技術(shù)，可為今后類似項(xiàng)目提供很好的借鑒價(jià)值。

[1] 陳穎.鋼結(jié)構(gòu)景觀蘑菇樹整體施工技術(shù)[J].建筑施工,2021,43(2):198-200.