摘要（yào）：江蘇省園藝博覽會未來花園植物園采用不鏽鋼（gāng）作為主體結構，上覆蓋透明的亞克力板，並有照明（míng）、水景等。42個傘柱狀結構單元（yuán）構成其主體不（bú）鏽鋼結構，每個傘狀結（jié）構單元為外切圓直徑21米的正12邊形，傘單元總覆蓋（gài）麵積約15000平（píng）方米，表麵4K鏡麵（miàn）。不鏽鋼作為大型建築結構（gòu）材料使用屬（shǔ）於國（guó）內首例（lì），本（běn）篇文章總結了不鏽鋼傘狀結（jié）構（gòu）施工的關鍵技術，供後續類似不鏽鋼結構項目施工參考。
關鍵詞：異形鋼結構、傘狀結構，不鏽鋼結構，4K鏡麵。
公司（sī）是一家集精（jīng）密機械零部件加工，北京不鏽鋼零件加工,北京鈦合金加工各類工裝夾具（jù）、治具、非標設備設計製造以及（jí）衝壓模（mó）具、注塑模具、橡膠模具加工的專業廠家，是中（zhōng）國模具（jù）協會會員企業。
圖1 傘狀樹平麵圖
圖2 傘狀樹立麵圖
1.工程概況
未來花園植物（wù）園主體結構采用S31603不鏽鋼材料，整體（tǐ）結構形式為傘殼結構，共有42把傘連成一體（tǐ），不鏽鋼結構表麵4K鏡麵，造型視覺富有衝擊力，國內乃至世界範圍內均無類似案例。傘狀結構中（zhōng）不鏽鋼杆件形（xíng）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（chéng）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不鏽鋼材料（liào）為奧（ào）氏體不鏽鋼，具有熱導率低、線（xiàn）膨脹係數大、無磁性、耐腐蝕等特性。奧氏體不（bú）鏽鋼導熱係數大約隻是（shì）低（dī）碳鋼的一半，而線（xiàn）膨脹係數很大，焊接後接頭（tóu）部（bù）位會產生較大的焊接內應力，表現為容（róng）易出現焊接裂紋和焊接局部收縮。
2）傘狀不鏽鋼結構群橫向長度（dù）348米，***終效果要求是整體不留（liú）溫度收（shōu）縮縫，整體的熱脹冷縮量非常大，溫度應力顯（xiǎn）著，施工中（zhōng）的溫（wēn）度應力是施工分析模擬的重（chóng）點（diǎn）研究對象（xiàng）。要求施工過程中假設（shè）的初始溫度情況下傘狀結構之間的施工應力***小。需要分析（xī）考慮設置合理的（de）施工過程中的溫度收縮縫，預（yù）留的溫度收縮縫需要（yào）在合理的溫度情況下（xià）進行合攏。
3）不鏽鋼結（jié）構（gòu）焊接收縮變形量大，需要通過分析計算進行安裝焊（hàn）接順序模擬，計算分析出***合理的杆件安裝焊接順序，實現（xiàn）焊（hàn）接施工（gōng）過程中產生的杆件內部應力不大於設（shè）計的使用要求，同時又能有（yǒu）效控製杆件（jiàn）的焊接（jiē）變形量（liàng）。
4）本項目位於廢棄的礦坑中，地況複雜，礦坑地（dì）勢高低起伏，需要充分（fèn）合理的考慮施工機（jī）械設備及路線選擇（zé）。
5）因（yīn）不鏽鋼結構上部為（wéi）覆水屋麵，需要保證覆水屋（wū）麵的平（píng）麵（miàn）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******控製各施工環節中杆件安裝的相對精度（dù），以保證後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（zài）礦坑內無法實施測量，需要將全站儀架設在輔（fǔ）助高架或者（zhě）礦坑邊緣（yuán）位置，並需要高空架設儀器和棱鏡，安裝測量難度大。
7）傘狀不鏽（xiù）鋼結構既做（zuò）為結構（gòu）件又做為裝飾件的項目。加工工藝複（fù）雜（zá），加工精度（dù）及表麵效果（guǒ）要求高（gāo）。不鏽鋼構件加（jiā）工涉及到圓管多曲相貫線切割、厚板折彎、大截（jié）麵厚方管折彎、激光切割、拚焊、4K拋光等多個複雜的加（jiā）工工藝。構件的加工精度（dù）會直接影響傘狀樹的拚裝精度和外觀效果，甚至影響42棵樹整體體係結（jié）構安全。
8）對焊縫（féng）焊接質量驗收標準（zhǔn）要（yào）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、拋光後幾（jǐ）乎看不（bú）出（chū）來有焊縫的痕跡。
3.施工關鍵技術和（hé）工序
3.1施工模擬（nǐ）與試（shì）驗
1）施工模擬包括了施工現場地（dì）況（kuàng）、路網、主體鋼結構、施工（gōng）器械的BIM動態施工模擬，以（yǐ）及施工過程中主體鋼結構施工應力的仿真分析模擬。做（zuò）到合理高（gāo）效的（de）製定人員、機械投（tóu）入（rù）計劃（huá），並有效（xiào）控製施工過程安全質量（liàng），確定施（shī）工過程監（jiān）測（cè）測點及監測（cè）內（nèi）容。
圖（tú）4 BIM施工模擬
a 單顆傘狀結構杆件安（ān）裝有限元仿真計（jì）算分析
b 整體傘狀結（jié）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（xīn）材料、新形構件和節點應用時，采用設計分析與試驗驗（yàn）證方（fāng）式（shì）是國內工程中（zhōng）通行方式，也是後續（xù）各種審查和專家論證時的（de）必要技術條件。試驗***終目的是和設計分析（xī）、相關規範共同（tóng）構成完整設計，達（dá）到結構安全且經濟、施工可行方（fāng）便，同（tóng）時也要滿足建築效果。基（jī）於以上（shàng）原因不鏽鋼結構需要（yào）做相（xiàng）應的試驗。
不鏽鋼結構承載力試驗共分為三（sān）部分：
（a）1：3 整體承載力試驗；
（b）1：1 局部節點承載力（lì）試驗；
（c）變截麵異（yì）形橢圓交叉管承載力試驗。
圖6 試驗驗證
3.2專家論證
項目屬於國內不鏽鋼材料在（zài）建築鋼（gāng）結構領域的首次使（shǐ）用，無類似施工案例參考，施工方法具有（yǒu）一定的特（tè）殊性，因此組織相關專業技術人員製定（dìng）專項施工（gōng）方（fāng）案，並對施工方案進行專家論證。
《不鏽鋼結構技術規程》 CECS 410:2015，針對不鏽鋼施工驗收所規定的（de）內容並不詳盡，因（yīn）此專門編製了《未來花園不鏽鋼結構施工質量驗收標準》，並進行了專家論證。
圖7 專家論證
3.3下料加工
傘狀樹因其特殊（shū）的外觀要求，所有結構均沒有現成的型材可供使用，所有型材均有不鏽鋼鋼板加工而成（chéng），主要為板變圓、圓變（biàn）方、圓邊橢圓等，其主要工序（xù）如（rú）下圖：
圖8 型材加工
不鏽鋼型材加工完（wán）成後開始結構加工，主要包括：下料、拚裝、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（shù）嚴格控製焊接、打磨工藝，開發構件定位、定形尺寸的模具（jù）把（bǎ）複雜異形的構件標準化裝配（pèi）。
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→外環杆件（jiàn）WH→次肋CL→外環交叉杆WX→中環交叉杆ZX→ 內部斜杆NX。
圖10 不鏽鋼傘狀（zhuàng）結構安裝步驟
3.6支撐塔架及腳手架安裝
支撐塔架（jià）主要為不鏽鋼傘狀結構安裝時，結構未形成完整的受力體係，根據midas軟（ruǎn）件（jiàn）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（zhuàng）結構（gòu）安裝的杆件提供一個穩（wěn）定的支撐，同（tóng）時因為傘狀結構形狀複雜，采用盤扣式腳手架搭設時靈活（huó）性（xìng）更大些，更能結合結構特性作出適（shì）應性（xìng）的變（biàn）化。
圖11支撐塔架及（jí）腳手架搭（dā）設立麵圖
3.7測量
測量控製網（wǎng）應遵循先整體、後局部，高精度控製低精度的原則（zé）建立。測量控製網的基準點要選（xuǎn）在通視條件良好、安全、易保（bǎo）護（hù）的地方。相應等級基準點的埋設要不能低於（yú）《工程測量規範》的要求。測量控製網（wǎng）建立後要做好測量控製（zhì）網協同維護工作。
本工程平麵控製網分二級布設，******級四邊形邊角（jiǎo）網作為整體控製，第二級（jí）主軸（zhóu）線（xiàn）控製網直接用於施工放（fàng）樣。
由於兩個基準點都位（wèi）於礦坑頂部（bù）的路麵上，在礦坑中（zhōng）進行測量時，可采用後方交會法。方便傘狀樹測量，對建站位置基本無要求，能夠自（zì）由建站（zhàn）；對建站地麵無要求，不需要進行設站點的（de）硬化與固定。可同時多（duō）個全站儀進行建站測量（liàng），同時開展工作，加快測量（liàng）進度。
圖12 礦坑基準點位布置
3.9不鏽鋼結構焊接（jiē）
傘狀不鏽鋼結構（gòu）焊接主要采用GTAW+GMAW結（jié）合（hé）的方式進（jìn）行。異形構件無法在焊縫（féng）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蓋麵，控製焊（hàn）縫餘高及表麵成型質量（liàng），減少後續打磨拋光工作量。
圖13 結構焊接及檢測
3.10表麵打磨拋（pāo）光
打磨拋光工藝流程：表麵檢查→（焊（hàn）縫及兩側（cè））粗磨→半精磨→精磨→拋（pāo）光→擦亮。
打磨拋光質量控製：
1）材質表麵不（bú）允許有雜質點、沙孔；
2）後道工序（xù）須消除前道工序打（dǎ）磨痕（hén）跡；
3）製定成品（pǐn）保護方案，避免產品二次受損，不允許有夾傷、壓痕、碰傷、擦花（huā）。
圖14 表麵打磨拋光
3.11健康監測（cè）
本項目的傘柱狀結構采用不鏽鋼作為主（zhǔ）材，且結構造型新型，不（bú）僅作為植物園罩棚的支承結構，還（hái）承（chéng）載自重和亞克力板上部水荷載，施工過程的安裝方案也較（jiào）為複雜。傘柱狀結構空間定位難（nán）度大，施（shī）工過程複雜，結構施工過程中的主要受力構件與一些關（guān）鍵部位（wèi）的（de）內力、位移等參數的變化情（qíng）況以及結構卸載期間的受力狀態是否與（yǔ）初始設計相符（fú），是否仍處（chù）於容許範（fàn）圍以內，成為一個不可忽視的問題。這就（jiù）要求本工程在施工階段對鋼結構關鍵構件的應（yīng）力應變、結構位（wèi）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）不鏽鋼結構杆件的加工、安（ān）裝（zhuāng）精度應符合設計、規範要求，構（gòu）件（jiàn）出（chū）廠前（qián）應進（jìn）行構件的預拚裝（zhuāng），運輸過程中要對杆件做（zuò）好（hǎo）成品保（bǎo）護。
2）不鏽鋼焊接收縮變（biàn）形量大，焊接工人應嚴格（gé）按照焊接工（gōng）藝評定中規（guī）定的參數施焊，嚴格控製（zhì）焊接電流（liú）、電壓和焊接（jiē）速度。焊工需經考試合格後持證（zhèng）上崗。
3）不鏽鋼杆件在出廠前應（yīng）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、焊接完成後需要對所有構件進（jìn）行二次打磨拋光，以避（bì）免（miǎn）不（bú）同時期打磨拋光造成的表麵明顯色差（chà）。
4）溫度收縮縫處理應嚴格控製在25±2度的情況下閉合施焊，旁邊（biān）放置測溫計進行溫度監測（cè）。若一天中（zhōng）25±2度的時段內未完（wán）成閉合施焊，應（yīng）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（shù）不鏽鋼結構施工過程中通過BIM模擬施工工況進行組織施工（gōng）；通過midas軟件進行全過程的施工仿真分析計算；對結構的關鍵控製部位進行施（shī）工過（guò）程的健康檢測；梳理了質量控製關鍵點（diǎn），並在施工過（guò）程中進行重點把控，傘狀不鏽鋼結構的安裝精度、焊接（jiē）質量、表觀效果得（dé）到良好（hǎo）的控（kòng）製。並編製形成了不鏽鋼結構施工的驗收標準和不鏽鋼結構（gòu）焊縫探傷標準。為不鏽鋼作（zuò）為（wéi）主受力結構在建築工程中的推廣應用奠定相關技術基礎。
作者簡介
1、 王兆（zhào）東（dōng）、員（yuán）浩陽、賈連軍，南京築新建築工程有限公司
2、 羅仁軼，中國建築第八工程局有限公司總承包公司
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特殊工程，挺有意思的！
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