摘要：江蘇省園藝博覽會未來花園植物園采用不銹鋼作為主體結構，上覆蓋透明的亞克力板，并有照明、水景等。42個傘柱狀結構單元構成其主體不銹鋼結構，每個傘狀結構單元為外切圓直徑21米的正12邊形，傘單元總覆蓋面積約15000平方米，表面4K鏡面。不銹鋼作為大型建筑結構材料使用屬于國內首例，本篇文章總結了不銹鋼傘狀結構施工的關鍵技術，供后續類似不銹鋼結構項目施工參考。
關鍵詞：異形鋼結構、傘狀結構，不銹鋼結構，4K鏡面。
公司是一家集精密機械零部件加工，北京不銹鋼零件加工,北京鈦合金加工各類工裝夾具、治具、非標設備設計制造以及沖壓模具、注塑模具、橡膠模具加工的專業廠家，是中國模具協會會員企業。
圖1 傘狀樹平面圖
圖2 傘狀樹立面圖
1.工程概況
未來花園植物園主體結構采用S31603不銹鋼材料，整體結構形式為傘殼結構，共有42把傘連成一體，不銹鋼結構表面4K鏡面，造型視覺富有沖擊力，國內乃至世界范圍內均無類似案例。傘狀結構中不銹鋼桿件形式有矩管、橢圓管、異形漸變橢圓管。結構形式獨特、新穎，國內無類似結構標準和案例供參考。鋼結構工程中有新材料、新型構件和節點等應用。
圖3 傘狀樹效果圖
2.項目特點、難點
1）本項目采用的S31603不銹鋼材料為奧氏體不銹鋼，具有熱導率低、線膨脹系數大、無磁性、耐腐蝕等特性。奧氏體不銹鋼導熱系數大約只是低碳鋼的一半，而線膨脹系數很大，焊接后接頭部位會產生較大的焊接內應力，表現為容易出現焊接裂紋和焊接局部收縮。
2）傘狀不銹鋼結構群橫向長度348米，***終效果要求是整體不留溫度收縮縫，整體的熱脹冷縮量非常大，溫度應力顯著，施工中的溫度應力是施工分析模擬的重點研究對象。要求施工過程中假設的初始溫度情況下傘狀結構之間的施工應力***小。需要分析考慮設置合理的施工過程中的溫度收縮縫，預留的溫度收縮縫需要在合理的溫度情況下進行合攏。
3）不銹鋼結構焊接收縮變形量大，需要通過分析計算進行安裝焊接順序模擬，計算分析出***合理的桿件安裝焊接順序，實現焊接施工過程中產生的桿件內部應力不大于設計的使用要求，同時又能有效控制桿件的焊接變形量。
4）本項目位于廢棄的礦坑中，地況復雜，礦坑地勢高低起伏，需要充分合理的考慮施工機械設備及路線選擇。
5）因不銹鋼結構上部為覆水屋面，需要保證覆水屋面的平面度，對結構整體精度要求就非常高，不但要重視其空間******位置精度，更需******控制各施工環節中桿件安裝的相對精度，以保證后續安裝定位的準確性。
6）項目采用滿堂的格構柱和腳手架，造成視野不通透，在礦坑內無法實施測量，需要將全站儀架設在輔助高架或者礦坑邊緣位置，并需要高空架設儀器和棱鏡，安裝測量難度大。
7）傘狀不銹鋼結構既做為結構件又做為裝飾件的項目。加工工藝復雜，加工精度及表面效果要求高。不銹鋼構件加工涉及到圓管多曲相貫線切割、厚板折彎、大截面厚方管折彎、激光切割、拼焊、4K拋光等多個復雜的加工工藝。構件的加工精度會直接影響傘狀樹的拼裝精度和外觀效果，甚至影響42棵樹整體體系結構安全。
8）對焊縫焊接質量驗收標準要求高，大量的現場焊縫要求為一、二級焊縫。焊接焊縫要求打磨、拋光后幾乎看不出來有焊縫的痕跡。
3.施工關鍵技術和工序
3.1施工模擬與試驗
1）施工模擬包括了施工現場地況、路網、主體鋼結構、施工器械的BIM動態施工模擬，以及施工過程中主體鋼結構施工應力的仿真分析模擬。做到合理高效的制定人員、機械投入計劃，并有效控制施工過程安全質量，確定施工過程監測測點及監測內容。
圖4 BIM施工模擬
a 單顆傘狀結構桿件安裝有限元仿真計算分析
b 整體傘狀結構有限元仿真計算分析
圖5 有限元仿真計算分析
2）鋼結構工程中有新材料、新形構件和節點應用時，采用設計分析與試驗驗證方式是國內工程中通行方式，也是后續各種審查和專家論證時的必要技術條件。試驗***終目的是和設計分析、相關規范共同構成完整設計，達到結構安全且經濟、施工可行方便，同時也要滿足建筑效果。基于以上原因不銹鋼結構需要做相應的試驗。
不銹鋼結構承載力試驗共分為三部分：
（a）1：3 整體承載力試驗；
（b）1：1 局部節點承載力試驗；
（c）變截面異形橢圓交叉管承載力試驗。
圖6 試驗驗證
3.2專家論證
項目屬于國內不銹鋼材料在建筑鋼結構領域的首次使用，無類似施工案例參考，施工方法具有一定的特殊性，因此組織相關專業技術人員制定專項施工方案，并對施工方案進行專家論證。
《不銹鋼結構技術規程》 CECS 410:2015，針對不銹鋼施工驗收所規定的內容并不詳盡，因此專門編制了《未來花園不銹鋼結構施工質量驗收標準》，并進行了專家論證。
圖7 專家論證
3.3下料加工
傘狀樹因其特殊的外觀要求，所有結構均沒有現成的型材可供使用，所有型材均有不銹鋼鋼板加工而成，主要為板變圓、圓變方、圓邊橢圓等，其主要工序如下圖：
圖8 型材加工
不銹鋼型材加工完成后開始結構加工，主要包括：下料、拼裝、焊接、矯正、打磨拋光等工序。用******的設備依據三維模型數控下料加工避免人工放樣，按照工藝參數嚴格控制焊接、打磨工藝，開發構件定位、定形尺寸的模具把復雜異形的構件標準化裝配。
圖9 構件加工定位工裝
3.5現場安裝
現場安裝焊接順序：樹柱→主肋ZL→外環桿件WH→次肋CL→外環交叉桿WX→中環交叉桿ZX→ 內部斜桿NX。
圖10 不銹鋼傘狀結構安裝步驟
3.6支撐塔架及腳手架安裝
支撐塔架主要為不銹鋼傘狀結構安裝時，結構未形成完整的受力體系，根據midas軟件施工模擬分析計算施工過程中***易變形、***薄弱的點位，布置相應的支撐塔架，為傘狀結構安裝的桿件提供一個穩定的支撐，同時因為傘狀結構形狀復雜，采用盤扣式腳手架搭設時靈活性更大些，更能結合結構特性作出適應性的變化。
圖11支撐塔架及腳手架搭設立面圖
3.7測量
測量控制網應遵循先整體、后局部，高精度控制低精度的原則建立。測量控制網的基準點要選在通視條件良好、安全、易保護的地方。相應等級基準點的埋設要不能低于《工程測量規范》的要求。測量控制網建立后要做好測量控制網協同維護工作。
本工程平面控制網分二級布設，******級四邊形邊角網作為整體控制，第二級主軸線控制網直接用于施工放樣。
由于兩個基準點都位于礦坑頂部的路面上，在礦坑中進行測量時，可采用后方交會法。方便傘狀樹測量，對建站位置基本無要求，能夠自由建站；對建站地面無要求，不需要進行設站點的硬化與固定。可同時多個全站儀進行建站測量，同時開展工作，加快測量進度。
圖12 礦坑基準點位布置
3.9不銹鋼結構焊接
傘狀不銹鋼結構焊接主要采用GTAW+GMAW結合的方式進行。異形構件無法在焊縫根部設置襯墊，通過GTAW打底，有效確保焊縫根部成型質量；采用GMAW焊接中間層，提高焊接成型效率；采用GTAW蓋面，控制焊縫余高及表面成型質量，減少后續打磨拋光工作量。
圖13 結構焊接及檢測
3.10表面打磨拋光
打磨拋光工藝流程：表面檢查→（焊縫及兩側）粗磨→半精磨→精磨→拋光→擦亮。
打磨拋光質量控制：
1）材質表面不允許有雜質點、沙孔；
2）后道工序須消除前道工序打磨痕跡；
3）制定成品保護方案，避免產品二次受損，不允許有夾傷、壓痕、碰傷、擦花。
圖14 表面打磨拋光
3.11健康監測
本項目的傘柱狀結構采用不銹鋼作為主材，且結構造型新型，不僅作為植物園罩棚的支承結構，還承載自重和亞克力板上部水荷載，施工過程的安裝方案也較為復雜。傘柱狀結構空間定位難度大，施工過程復雜，結構施工過程中的主要受力構件與一些關鍵部位的內力、位移等參數的變化情況以及結構卸載期間的受力狀態是否與初始設計相符，是否仍處于容許范圍以內，成為一個不可忽視的問題。這就要求本工程在施工階段對鋼結構關鍵構件的應力應變、結構位移進行監測。
圖15 施工過程中監測布置及監測結果曲線
4.注意事項
1）不銹鋼結構桿件的加工、安裝精度應符合設計、規范要求，構件出廠前應進行構件的預拼裝，運輸過程中要對桿件做好成品保護。
2）不銹鋼焊接收縮變形量大，焊接工人應嚴格按照焊接工藝評定中規定的參數施焊，嚴格控制焊接電流、電壓和焊接速度。焊工需經考試合格后持證上崗。
3）不銹鋼桿件在出廠前應進行打磨、拋光處理，以減少現場打磨拋光的工作量，現場安裝、焊接完成后需要對所有構件進行二次打磨拋光，以避免不同時期打磨拋光造成的表面明顯色差。
4）溫度收縮縫處理應嚴格控制在25±2度的情況下閉合施焊，旁邊放置測溫計進行溫度監測。若一天中25±2度的時段內未完成閉合施焊，應停止施焊，待第二天繼續在25±2度的時段完成施焊。
5.結語
傘狀樹不銹鋼結構施工過程中通過BIM模擬施工工況進行組織施工；通過midas軟件進行全過程的施工仿真分析計算；對結構的關鍵控制部位進行施工過程的健康檢測；梳理了質量控制關鍵點，并在施工過程中進行重點把控，傘狀不銹鋼結構的安裝精度、焊接質量、表觀效果得到良好的控制。并編制形成了不銹鋼結構施工的驗收標準和不銹鋼結構焊縫探傷標準。為不銹鋼作為主受力結構在建筑工程中的推廣應用奠定相關技術基礎。
作者簡介
1、 王兆東、員浩陽、賈連軍，南京筑新建筑工程有限公司
2、 羅仁軼，中國建筑第八工程局有限公司總承包公司
參考文獻●●
//1
｜中國建筑股份有限公司，中建鋼構有限公司． 鋼結構工程施工規范：GB50755-2012 [S]. 北京：中國建筑工業出版社，2012．
//2
｜張倩，樹狀結構找形優化分析及結構性能研究 [D] . 天津：天津大學，2013．
//3
｜張建亮． 樹狀結構形態分析與工程應用[D] .哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011．
//4
｜武岳，張建亮，曹正罡． 樹狀結構找形分析及工程應用[J] .建筑結構學報，2011（11）：162-168．
//5
｜楊石杰． 長沙南站大型樹狀柱施工技術[J] .建筑施工，2010（6）:517-519．
//6
｜林暉，吳杰，陳海洲，等． 雙枝不等重大型樹狀結構的旋轉提升法研究[J] .施工技術，2015,44（18）:177-122．
往期 ·推薦
《民法典》建設工程合同中，建筑行業應重點關注要點提示與剖析（一）
END
本公眾號旨在為從事工程及相關行業的同仁提供專業探討、信息交流、資源共享的平臺。以信息技術、移動互聯網和大數據等協助各企業和同仁做好管理、做好項目，并達到互幫互助，共同進步之目的。
本公眾號會不定期地發布工程行業的政策資訊、關注行業動態、解讀行業法律法規、分析工程事故原因并提出解決方案、發布企業招聘信息和個人求職信息、提供工程方面的供需信息、推介工程行業的相關企業等。同時歡迎各位工程界的同仁投稿。
華東工程交流群是公眾號華東工程******線上實時交流群，現已有三個微信交流群，近1500名工程界同仁，歡迎各位加微信號DSAD2020投稿和進群交流。（進群請務必備注具體行業，且需實名）
公眾號二維碼 DSAD2020二維碼
//風險提示
///
NOCITCE
本公眾號旨在溝通信息，交流分享經驗。部分資訊信息、數據資料來源于第三方，平臺無法核實信息的真實性、準確性、完整性及原創性等。在任何情況下，本公眾號的信息和所表述的意見均不構成任何具體應用建議，對依據或者使用本公眾號內容所造成的一切后果，本公眾號及作者均不承擔任何法律責任。本公眾號發布或轉載信息僅供工程及相關行業的同仁參考，不代表華東工程任何觀點，您自行承擔因信賴或使用第三方信息而導致的任何損失。
聲明
本公眾號所有非原創文章版權歸原作者所有。本公眾號內容僅供參考和信息分享，不被視為平臺或作者對外出具的意見或者建議。如您有特定的問題或者任何版權問題，請及時與本公眾號聯系，我們會核實后******時間進行處理。歡迎轉發公眾號信息，若轉載本公眾號原創內容，在獲得授權后應在顯著位置標注內容來源。本公眾號擁有對此聲明的***終解釋權。
法律顧問：良翰（上海）律師事務所 021-62200025
特殊工程，挺有意思的！
客服