單層大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)空心六棱柱節(jié)點(diǎn)制作技術(shù)
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陳松鶴 鄭 捷 胡 鋼 潘 波 許 通
（中建鋼構(gòu)有限公司，廣東深圳518000）
摘 要：在大跨度網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)中常出現(xiàn)空間多面體節(jié)點(diǎn)，其中空心六棱柱節(jié)點(diǎn)較一般多面體節(jié)點(diǎn)更為復(fù)雜，制作難度也偏大。提出在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段和深化設(shè)計(jì)階段即進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的全面優(yōu)化，在工廠加工階段對制作工藝進(jìn)行優(yōu)化，采用數(shù)控下料、坐標(biāo)控制組拼的制作工藝，并創(chuàng)新輔助工裝措施，制作全工序采用表格化程序監(jiān)控，有助于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的批量化加工制作。在提高工作效率的同時，保證了項(xiàng)目制作質(zhì)量達(dá)標(biāo)。
近幾年來鋼結(jié)構(gòu)制作技術(shù)不斷成熟，各種形式的鋼結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛。隨著國內(nèi)空港車站、體育場館、文化設(shè)施等大跨度空間結(jié)構(gòu)建筑的大量建設(shè)，出現(xiàn)了很多復(fù)雜的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式，而在這些節(jié)點(diǎn)的制作過程中，裝配及焊接精度要求高、焊接難度大，耗費(fèi)工時巨大，有待從制作技術(shù)上尋求突破與創(chuàng)新。
1 工程概況
某項(xiàng)目總建筑面積為44. 63萬m2，地處澳門，執(zhí)行英標(biāo)規(guī)范。建成后將成為澳門最具特色的標(biāo)志性高檔酒店建筑群。
其中天幕鋼結(jié)構(gòu)形式為單層網(wǎng)殼連拱大跨度結(jié)構(gòu)體系。屋蓋南北長約135.8 m，南側(cè)寬約45 m，北側(cè)寬約74 m。幾何形態(tài)呈3個波峰和2個波谷。結(jié)構(gòu)部分形式見圖1。
天幕單層網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)是由1 430個節(jié)點(diǎn)和4 360根變截面鋼梁組成，其中1 330個節(jié)點(diǎn)為空心六棱柱結(jié)構(gòu)，占所有節(jié)點(diǎn)的93%。由于空間結(jié)構(gòu)特殊性，每個棱柱節(jié)點(diǎn)外型雖然遵循了空心六棱柱的一致性特征，但其尺寸大小、內(nèi)部定位及整個節(jié)點(diǎn)空間定位均不相同。鋼梁節(jié)點(diǎn)主要連接形式見圖2。
由于每個節(jié)點(diǎn)的各異性，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段考慮將空心六棱柱節(jié)點(diǎn)的形式定為板拼式焊接節(jié)點(diǎn)，單個節(jié)點(diǎn)由外環(huán)、內(nèi)核、上下蓋板和加勁肋4個部分組成，每個節(jié)點(diǎn)含42個零件板，組拼焊縫共計(jì)48道。由于每個節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)板厚差異明顯。單個節(jié)點(diǎn)質(zhì)量最小的僅67 kg（對應(yīng)直徑410 mm），最大的則達(dá)到3 240 kg（對應(yīng)直徑1400 mm），見圖3。
2 制作難點(diǎn)分析
六棱柱結(jié)構(gòu)形式見圖4。
根據(jù)六棱柱節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式，其加工制作難點(diǎn)如下。
1)單個節(jié)點(diǎn)制作難度大，主要表現(xiàn)為：
a．單個節(jié)點(diǎn)零件多，且節(jié)點(diǎn)內(nèi)部空間�。ü�(jié)點(diǎn)高度300~800 mm，節(jié)點(diǎn)直徑410～1 100 mm），有限的空間內(nèi)容納了大量零件板。
b．焊縫重疊多，焊接應(yīng)力大、焊接變形難于控制且焊縫質(zhì)量要求高。對焊接程序的控制帶來很大的挑戰(zhàn)。
c．外觀處理難度大，截面及夾角小，噴砂、油漆需要細(xì)致的控制。
d．加工精度要求高。每個節(jié)點(diǎn)在六個面上均需要與鋼梁進(jìn)行連接，其中工廠完成主方向2根鋼梁的連接，另外4根在現(xiàn)場完成。六棱柱節(jié)點(diǎn)的制作需要保證相當(dāng)高的定位精度，才能同時保證其在
6個方向上與鋼梁的準(zhǔn)確對接。
2)由于1 330個節(jié)點(diǎn)在外形尺寸、內(nèi)部定位及節(jié)點(diǎn)重量上各不相同，對傳統(tǒng)的流水線加工制作有很大的挑戰(zhàn)。
3 制作技術(shù)要點(diǎn)
3.1 制作優(yōu)化
3.1.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化
在設(shè)計(jì)階段即考慮對加工制作進(jìn)行合理的優(yōu)化，統(tǒng)計(jì)每一個六棱柱節(jié)點(diǎn)的高度、半徑信息，在深化設(shè)計(jì)階段優(yōu)化內(nèi)核空間定位。確保內(nèi)核在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下有足夠的組拼、焊接空間。
3.1.2 工藝優(yōu)化
通過焊接工藝優(yōu)化，將外環(huán)工字板由兩道焊縫組拼完成優(yōu)化為一道焊縫，且焊接位置由端部移至中部。使每個節(jié)點(diǎn)優(yōu)化減少6道制作焊縫的同時，避開了焊縫重疊區(qū)，減少了焊接熱變形的影響。工藝優(yōu)化示意見圖5。
為實(shí)現(xiàn)六棱柱節(jié)點(diǎn)的批量化流水加工，引入坐標(biāo)控制法解決不同節(jié)點(diǎn)在組拼工序的非共性問題。以坐標(biāo)法控制每塊節(jié)點(diǎn)板的定位，確保節(jié)點(diǎn)內(nèi)的大量零件板組拼定位尺寸精確和統(tǒng)一。深化設(shè)計(jì)階段，預(yù)先在深化圖紙中標(biāo)示出每個節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵控制點(diǎn)的局部坐標(biāo)和全局坐標(biāo)。單節(jié)點(diǎn)組拼階段，圖紙中的局部坐標(biāo)系統(tǒng)可以方便快速地提供控制點(diǎn)間的相對定位數(shù)據(jù)。而在組合件的拼裝測量階段，則以圖紙中的全局坐標(biāo)系統(tǒng)為指導(dǎo)，對每個節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵位置進(jìn)行準(zhǔn)確的空間坐標(biāo)定位。坐標(biāo)控制法示意見圖6以及表1、表2。
3.1.3 工裝措施研發(fā)
針對六邊形節(jié)點(diǎn)獨(dú)特的造型造成的焊接空間受限，各階段焊接均需要合適的焊接位置，針對截面及夾角太小，以及外觀處理難度大的難題，研制針對六棱柱節(jié)點(diǎn)的Y形焊接工裝措施，確保大部分焊縫焊接時均處在最舒適的操作位置，保證焊接可控、外觀質(zhì)量合格，見圖7。
3.2 制作流程確定
3.2.1單個節(jié)點(diǎn)制作流程
為驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)制作的可行性及優(yōu)化措施的適用性，在節(jié)點(diǎn)正式加工前進(jìn)行單個六棱柱節(jié)點(diǎn)的工序試造，實(shí)踐證明：在分級組拼與分級焊接的合理制作程序控制下，加工精度控制、焊縫重疊熱變形等問題得到了解決。對于實(shí)現(xiàn)六棱柱節(jié)點(diǎn)加工制作掃清了障礙。制作工藝流程見圖8。
3.2.2 制作質(zhì)量控制措施
根據(jù)試作情況，在正式加工階段，采用數(shù)控切割下料保證零件板的加工精度，采用局部坐標(biāo)法對節(jié)點(diǎn)拼裝進(jìn)行坐標(biāo)定位保證安裝精度，焊接階段采用實(shí)心焊絲打底和藥芯焊絲蓋面相結(jié)合保證焊縫外觀達(dá)標(biāo)。全過程的工序采用下料、拼裝、外觀尺寸檢查表，無損檢測表，噴砂、油漆檢查記錄整套質(zhì)檢體系。以完整無縫的質(zhì)量管控措施配合先進(jìn)的制作方法，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)制作的順利推進(jìn)。
經(jīng)過分析節(jié)點(diǎn)外觀尺寸檢查表，相關(guān)數(shù)據(jù)不僅滿足了《2011年鋼結(jié)構(gòu)作業(yè)守則》的要求。且精度控制上偏差遠(yuǎn)小于《2011年鋼結(jié)構(gòu)作業(yè)守則》中“截面尺寸和偏差容限”的要求，外觀尺寸檢查結(jié)果見表3。
3.2.3預(yù)拼修正流程
為確保六棱柱節(jié)點(diǎn)空間定位可控，采用必要的工廠預(yù)拼裝措施實(shí)現(xiàn)組合件尺寸的精確性。嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)手冊施工，確保出廠前六棱柱節(jié)點(diǎn)和鋼梁空間準(zhǔn)確對位。預(yù)拼修正流程見圖9。
3.2.4批量化制作流程
根據(jù)前期成功優(yōu)化及試作經(jīng)驗(yàn)合理擬定各分項(xiàng)加工流程，確定鋼板下料→內(nèi)核組拼→外環(huán)組拼→主體組拼→蓋板/勁板組拼→檢測探傷→噴砂油漆→合格出廠的合理制作工序，在分級組拼工序中穿插分級焊接工序。不僅很好地保證了單個節(jié)點(diǎn)的加工質(zhì)量，而且實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)在批量化制作過程中的質(zhì)量控制。批量化制作流程見圖10。
3.2.5最終制作達(dá)標(biāo)
經(jīng)過完整的PDCA質(zhì)控程序，六棱柱節(jié)點(diǎn)各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)獲得工程各方的一致好評，工廠加工呈現(xiàn)出批量制作的良好局面。單層大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)空心六棱柱節(jié)點(diǎn)制作技術(shù)順利實(shí)施。
4結(jié)束語
空心六棱柱節(jié)點(diǎn)制作技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了本項(xiàng)目單層大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)從設(shè)計(jì)理論到最終成形的成功跨越。也從實(shí)踐角度證明了復(fù)雜節(jié)點(diǎn)通過加工優(yōu)化方法也可以采用傳統(tǒng)的組拼焊接工藝進(jìn)行批量化／流水線加工制作。在確保質(zhì)量符合嚴(yán)格的BS 5950-1中Part 6《鋼結(jié)構(gòu)材料和工藝規(guī)范》的同時盡可能兼顧了效率優(yōu)化，相對縮短了制作周期。該技術(shù)不僅在本項(xiàng)目中成功獲得應(yīng)用，對于未來其他同類或者類似工程的加工制作可起到借鑒作用。
