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 朱福錦，聶元宗，沈洪宇，周  鵬，張耀林

 （中建鋼構(gòu)有限公司，廣東深圳  518040）

[摘要]杭州來(lái)福士廣場(chǎng)項(xiàng)目外圍框架圓管柱沿曲面向不同方向傾斜，給鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)和加工制作帶來(lái)了難度。針對(duì)光滑曲線(xiàn)大直徑圓管柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從深化設(shè)計(jì)源頭進(jìn)行合理優(yōu)化以便于工廠加工制作。詳細(xì)介紹了雙向異面傾斜圓管柱的深化設(shè)計(jì)建模及圖紙表達(dá)方法，通過(guò)精心設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足加工制作要求，為項(xiàng)目成功實(shí)施提供了充分保障。

[關(guān)鍵詞]高層建筑；鋼結(jié)構(gòu)；雙向異面；圓管柱；深化設(shè)計(jì)；加工

[中圖分類(lèi)號(hào)]  TU323.1；TU758. 16  [文章編號(hào)]1002-8498(2016)08-0047-04

1工程概況

 杭州來(lái)福士廣場(chǎng)項(xiàng)目由T1，T2兩棟塔樓及裙房組成。T1塔樓60層，建筑高度250m（檐口高度），建筑面積86 606m2；T2塔樓58層，建筑高度250m（檐口高度），建筑面積96 250m2;南北裙房7—10層，北側(cè)建筑高度55m，南側(cè)建筑高度35. 1m，建筑面積100 711.5 m2，如圖1所示。

 該項(xiàng)目建筑設(shè)計(jì)理念來(lái)自杭州自然景觀錢(qián)塘潮，建筑造型新穎，外立面由多個(gè)平滑曲面組成，沿建筑高度方向扭曲上升。兩塔樓主體結(jié)構(gòu)均采用由中央核心筒和外圍框架組成的框架．核心筒結(jié)構(gòu)，為滿(mǎn)足建筑造型需要，塔樓結(jié)構(gòu)外圍框架柱沿曲面向不同方向傾斜。

2  深化設(shè)計(jì)重難點(diǎn)分析

 塔樓結(jié)構(gòu)外圍框架柱采用圓管柱，圓管柱直徑范圍為1000～1500mm，壁厚范圍為28~34mm，屬于大直徑圓管柱。圓管柱沿曲面向不同方向傾斜，結(jié)果必然導(dǎo)致圓管柱中心線(xiàn)為螺旋線(xiàn)，使圓管柱產(chǎn)生扭曲。規(guī)則的大直徑圓管柱工廠通常采用鋼板滾圓方式加工焊接成型，對(duì)于本工程扭曲的大直徑圓管柱無(wú)法保證加工到位，給工廠加工制作帶來(lái)很大的難度。

 深化設(shè)計(jì)作為加工制作的源頭，如何對(duì)光滑曲線(xiàn)的大直徑圓管柱進(jìn)行合理優(yōu)化，使優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)既符合原結(jié)構(gòu)受力要求，又能便于工廠加工是亟待解決的問(wèn)題。另外，光滑曲線(xiàn)的圓管柱與大地的夾角連續(xù)變化，造成樓面梁與圓管柱定位困難，是深化設(shè)計(jì)的又一重難點(diǎn)。

3深化設(shè)計(jì)優(yōu)化

 本工程外圍框架柱為光滑曲線(xiàn)大直徑圓管柱結(jié)構(gòu)。按照實(shí)際理論情況，工廠難以實(shí)現(xiàn)扭曲的大直徑圓管柱加工成型。根據(jù)圓管柱中心線(xiàn)的螺旋程度，采用以直代曲方式進(jìn)行擬合。擬合的直線(xiàn)段長(zhǎng)度一方面要滿(mǎn)足建筑造型要求，不能破壞外形效果；另一方面要符合結(jié)構(gòu)受力要求，不宜對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生過(guò)大的附加偏心彎矩。擬合后的圓管柱中心線(xiàn)為不共面的多段線(xiàn)�？紤]到構(gòu)件運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)吊裝等要求，對(duì)柱構(gòu)件進(jìn)行合理分段分節(jié)，每節(jié)柱構(gòu)件本體為“雙向異面”傾斜圓管柱（即圓管中心線(xiàn)不共面）。樓面梁與光滑曲線(xiàn)圓管柱的定位優(yōu)化在于直線(xiàn)圓管柱的定位，使加工制作的實(shí)現(xiàn)成為可能。如圖2所示。

4深化設(shè)計(jì)軟件

 針對(duì)本項(xiàng)目特點(diǎn)，采用AutoCAD與芬蘭Tekla公司開(kāi)發(fā)的鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件Tekla Structure兩種軟件。Tekla是一款基于模型的信息軟件，適用于外形及桿件截面較規(guī)則的工程項(xiàng)目，如廠房、高層等。由于軟件內(nèi)核的局限性，它無(wú)法精確模擬“扭曲”構(gòu)件，無(wú)法提供精確的展板數(shù)據(jù)，所以不能解決空間彎扭結(jié)構(gòu)的深化難題。AutoCAD軟件模型處理能力和圖紙轉(zhuǎn)換功能非常強(qiáng)大，但用它深化空間管結(jié)構(gòu)、彎扭結(jié)構(gòu)的過(guò)程復(fù)雜繁瑣，效率低下。因此根據(jù)空間彎扭構(gòu)件的幾何特征，根據(jù)加工與安裝的特殊要求采用兩種軟件相結(jié)合的方法進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。在本項(xiàng)目中運(yùn)用AutoCAD收集整理設(shè)計(jì)圖紙中桿件的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)并生成三維線(xiàn)模型，將AutoCAD三維線(xiàn)模型導(dǎo)入Tekla生成實(shí)體單元，建立細(xì)部節(jié)點(diǎn)，最終生成設(shè)計(jì)詳圖。

5  深化設(shè)計(jì)重點(diǎn)技術(shù)介紹

 針對(duì)本工程外框柱的特點(diǎn)，采用了“嵌套圖+坐標(biāo)圖”的深化設(shè)計(jì)繪圖表達(dá)方法，相比于傳統(tǒng)通過(guò)幾何尺寸來(lái)控制零部件相對(duì)定位的方法，會(huì)更加精準(zhǔn)，更為嚴(yán)謹(jǐn)以及科學(xué)有效，制作出來(lái)的構(gòu)件精度將會(huì)更高，從而保證了現(xiàn)場(chǎng)安裝精度。

5.1技術(shù)原理

 通過(guò)三維坐標(biāo)控制牛腿與鋼柱本體的相對(duì)定位，更好地控制構(gòu)件的尺寸精度。雙向異面傾斜圓管柱的深化設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

5.2技術(shù)特點(diǎn)

 該新型技術(shù)的運(yùn)用，使圖面更加清晰、整潔，圖紙意圖表述更加準(zhǔn)確，現(xiàn)場(chǎng)安裝也更加科學(xué)、精確。整個(gè)設(shè)計(jì)和施工過(guò)程更加高效，尤其針對(duì)異形構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)圖紙表達(dá)，是今后鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展方向。

5.3技術(shù)要點(diǎn)

 1)收集CAD三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)并導(dǎo)入Excel軟件，生成坐標(biāo)表

 收集整理結(jié)構(gòu)圖中的柱控制點(diǎn)（即折點(diǎn)）三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將CAD坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Excel表格數(shù)據(jù)，便于后續(xù)輸入CAD中生成點(diǎn)模型。

 2) Excel坐標(biāo)數(shù)據(jù)生成空間點(diǎn)

 將Excel坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD，并將空間點(diǎn)按柱位連接成三維線(xiàn)條，并按截面區(qū)分線(xiàn)條的顏色和圖層，如圖4a，4b所示。

 3)線(xiàn)模型轉(zhuǎn)化為實(shí)體桿件模型

 在Tekla軟件中，按圖層、截面給線(xiàn)條賦截面，自動(dòng)創(chuàng)建柱三維實(shí)體桿件模型，如圖4c所示。

5.4節(jié)點(diǎn)建模

5. 4.1  樣沖點(diǎn)設(shè)置

 樣沖點(diǎn)在鋼結(jié)構(gòu)施工中起到指導(dǎo)安裝和定位校準(zhǔn)的作用，有助于提高鋼柱安裝精度和施工質(zhì)量。我們?cè)谀Ｐ椭薪�立�?jié)點(diǎn)的樣沖點(diǎn)，然后通過(guò)重心坐標(biāo)數(shù)值域( COG_X，COG_Y，COG_Z)反饋到深化圖紙中。樣沖點(diǎn)設(shè)置應(yīng)根據(jù)安裝單位實(shí)際要求進(jìn)行設(shè)置，本工程樣沖點(diǎn)設(shè)置于柱上端口往下100mm位置。

5.4.2創(chuàng)建嵌套構(gòu)件

 嵌套構(gòu)件由1個(gè)主構(gòu)件、1個(gè)或者多個(gè)子構(gòu)件組成。Tekla軟件執(zhí)行步驟如下。

 1)將柱本體、內(nèi)隔板、臨時(shí)連接耳板組成的整體作為嵌套構(gòu)件的主構(gòu)件，如圖5a所示。

 2)各個(gè)牛腿分別作為嵌套構(gòu)件的子構(gòu)件，如圖5b所示。

 3)選擇適當(dāng)?shù)闹髁慵�，給主構(gòu)件和子構(gòu)件分配固定的位置編號(hào)。

 4)選擇各子構(gòu)件將其添加到主構(gòu)件中，執(zhí)行編號(hào)，完成嵌套構(gòu)件，如圖5c所示。

5.5  構(gòu)件出圖要點(diǎn)

 雙向異面傾斜圓管柱采用Tekla軟件的構(gòu)件嵌套模式進(jìn)行出圖。嵌套出圖通常用于復(fù)雜多支牛腿的傾斜構(gòu)件，牛腿和本體獨(dú)立表達(dá)，使圖面更加美觀，條理清晰、層次分明。

5. 5.1嵌套構(gòu)件整體拼裝圖

 嵌套構(gòu)件的整體拼裝圖主要用來(lái)表達(dá)主、子構(gòu)件的相對(duì)位置關(guān)系和構(gòu)件號(hào)信息。如圖6a所示，主構(gòu)件為柱本體，9個(gè)牛腿為子構(gòu)件。

5.5.2嵌套構(gòu)件的主構(gòu)件出圖

 用平面幾何尺寸來(lái)表達(dá)主構(gòu)件中柱本體與內(nèi)隔板、栓釘、臨時(shí)連接板等零部件的相對(duì)定位，如圖6b所示。

5.5.3嵌套構(gòu)件的子構(gòu)件出圖

 用平面幾何尺寸來(lái)表達(dá)子構(gòu)件中各零部件的相對(duì)定位，如圖7所示。

5.5.4坐標(biāo)圖

 建立全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系，給定柱本體、牛腿、耳板等零部件主要控制點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過(guò)坐標(biāo)來(lái)確定零部件之間的相對(duì)定位，從而指導(dǎo)工廠零部件裝配和現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件安裝，坐標(biāo)數(shù)據(jù)包含組立坐標(biāo)和安裝坐標(biāo)。

 1)管節(jié)對(duì)接圖

 主要操作步驟如下：①建立組立坐標(biāo)系；②給出圓管的四等分線(xiàn)；③將四等分線(xiàn)與圓管對(duì)接縫、柱端口的交點(diǎn)作為主要坐標(biāo)控制點(diǎn)；④給出控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。通過(guò)相鄰管節(jié)間點(diǎn)與點(diǎn)的對(duì)應(yīng)，來(lái)完成管節(jié)對(duì)接，如圖8所示。

 2)牛腿裝配圖

 主要操作步驟如下：①與管節(jié)對(duì)接采用同一套坐標(biāo)系、同一套組裝胎架；②選取牛腿根部和端部的點(diǎn)作為主要坐標(biāo)控制點(diǎn)；③給出坐標(biāo)數(shù)據(jù)。如圖9所示，此圖主要用于指導(dǎo)牛腿等零部件的裝配。

 3)管節(jié)展開(kāi)圖

 管節(jié)展開(kāi)圖主要用于柱本體零件下料、鋼管卷制，成品管節(jié)按以下坐標(biāo)控制點(diǎn)標(biāo)示后，再進(jìn)行管節(jié)對(duì)接。管節(jié)對(duì)接時(shí)，相鄰管節(jié)的縱向焊縫應(yīng)錯(cuò)開(kāi)，因此在管節(jié)展開(kāi)時(shí)需注意展開(kāi)點(diǎn)的位置，如圖10所示。

6構(gòu)件加工制作

 由于本工程的柱是雙向異面結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)加工制作方法難以確保精度要求，因此在加工制作過(guò)程中引入全站儀進(jìn)行定位控制，以確保構(gòu)件質(zhì)量滿(mǎn)足要求。

 “雙向異面”傾斜圓管柱采用坐標(biāo)法進(jìn)行放樣。首先確定坐標(biāo)原點(diǎn)，然后確定各端點(diǎn)和中間控制點(diǎn)坐標(biāo)，完成后需對(duì)每根桿件采用坐標(biāo)法進(jìn)行放樣，桿件上需盡量多設(shè)置坐標(biāo)，以便后續(xù)準(zhǔn)確利用坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行校核，制作流程：鋼管卷制→胎架坐標(biāo)定位→鋼管定位→零部件定位→整體驗(yàn)收。

 1)鋼管卷制  根據(jù)零件圖，對(duì)鋼管進(jìn)行喂料、預(yù)彎、縱縫焊接、矯圓、成型，焊接。

 2)胎架坐標(biāo)定位  根據(jù)鋼柱的實(shí)際投影尺寸，在地面劃出鋼柱的中心線(xiàn)、外形輪廓線(xiàn)及其他各零件的投影線(xiàn)等。

 3)鋼管定位  對(duì)接合合格的筒節(jié)吊上組裝胎架進(jìn)行定位，定位時(shí)需嚴(yán)格控制其端部與地面位置的吻合度，過(guò)程中使用全站儀進(jìn)行校核，定位正確后與胎架點(diǎn)焊牢固。

 4)零、部件定位  將合龍的牛腿通過(guò)全站儀定位，定位正確后與主體焊接，其他耳板定位正確后即可焊接。

 5)整體驗(yàn)收  全部零、部件吊裝焊接完畢后，再次采用全站儀對(duì)構(gòu)件進(jìn)行定位檢測(cè)，合格后報(bào)監(jiān)理驗(yàn)收。

7  結(jié)語(yǔ)

 杭州來(lái)福士廣場(chǎng)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)形式獨(dú)特、造型新穎，構(gòu)件空間關(guān)系、節(jié)點(diǎn)形式復(fù)雜多樣。其中光滑曲線(xiàn)的大直徑圓管柱是本工程的深化設(shè)計(jì)重點(diǎn)和加工制作難點(diǎn)。通過(guò)合理設(shè)計(jì)，將光滑曲線(xiàn)大直徑圓管柱優(yōu)化為雙向異面傾斜圓管柱。在深化設(shè)計(jì)過(guò)程中利用了CAD與Tekla相結(jié)合的方法，并采用“嵌套圖+坐標(biāo)圖”的深化設(shè)計(jì)繪圖表達(dá)方法，大大提升了深化設(shè)計(jì)效率和水平。結(jié)合深化設(shè)計(jì)圖表達(dá)方式，在加工制作過(guò)程中又創(chuàng)新性地引用全站儀進(jìn)行定位安裝，確保了構(gòu)件的精度要求。實(shí)踐檢驗(yàn)證明，在本項(xiàng)目中采用的深化設(shè)計(jì)技術(shù)及加工制作技術(shù)可行，不僅能夠充分滿(mǎn)足建筑及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)意圖，而且符合制作安裝的精度要求，為工程的順利竣工提供了可靠的支撐。