作者：郑晓敏
仿生建筑已成为一种新时代潮流，钢结构作为仿生建筑的载体运用非常广泛，其节点设计有别于其他材料类型的建筑，既要考虑建筑美观又要兼顾承载能力。因此仿生节点构造更复杂，外观要求也更高，对钢结构制作技术提出了更严格的要求。
1 工程概况
广州宏城广场钢结构天幕工程为“薄壳形态”的空间仿生建筑；其屋面网壳结构采用管材相贯的方式分层勾勒出双鱼戏水造型，整体效果如图1所示。其支撑结构体系采用管材组成的三维伸展“树状形态”的仿生柱，支撑体系平面布置如图2所示。
本工程的仿生柱与传统的仿生树主干不同。传统的仿生柱由树干、树权铸钢节点和树枝组成。而本工程仿生柱树权采用全焊接节点，较传统的铸钢树权节点更加贴近树的形态，更加轻盈。但是为满足传力要求，全焊接树杈节点内部构造复杂，加劲板纵横交错，同时在拉应力较大区域还设置了加强板，因此，全焊接树权节点较铸钢节点的制作工艺复杂。
2仿生柱树权焊接节点构造及制作难点
仿生柱树权节点为空间三维异形节点，树权节点支管根部截面ɸ351×30（径厚比11.7）、弯曲半径750mm，与十字板及中心圆棒相贯焊接连于树形主干上，支管背部加设一双曲盖板，如图3所示。
仿生柱树权焊接节点制作的关键控制点如下。
1)树权节点支管为小径厚比圆管，弯管后内壁受压变厚、外侧受拉变薄，弯管后的壁厚尺寸精度控制是施工重点。
2)目前国内建筑钢结构行业无弧形圆管相贯线切割设备，弧形支管相贯口无法采用数控切割；而弧形支管的相贯口截面大、曲率小，包络图制作工艺也无法进行包裹切割，弧形圆管相贯口的切割是制作难点。
3)支管背部双曲盖板为空间三维曲面，存在两个方向的弧度，一为半圆弧，一为弯圆弧，且端口为相贯口；常规制作方法无法完成双曲盖板的空间曲面成型。
4)弧形支管汇交于树形主干，各支管相贯角度位置各异，选择合理的制作工艺、确保各端口之间的相对位置尺寸、实现相贯焊缝的全熔透厚板焊接是制作的重点。
3 仿生柱树杈焊接节点制作关键技术
根据“由难及简”原则，仿生柱树权焊接节点的制作确定为先支管制作成型后整体拼装。
3.1 小径厚比圆管中频热弯质量控制
支管弯圆成型采用中频热弯工艺，在感应圈中通人中频电流加热钢管，加热温度控制在900℃以内，当钢管温度升高到塑性状态时，在钢管后端用机械推力推进，进行弯制，弯制出的钢管用冷却剂迅速冷却。
3.1.1 圆管弯曲壁厚控制要点
圆管弯曲后，外弧侧受拉减薄、内弧侧受压增厚。为保证弯管最小壁厚，必须控制弯圆减薄率，以提高结构抗力，如图4所示。
依据上述理论分析，壁厚为30mm的圆管热弯后，外弧壁厚将减薄30×190/0=5.7mm，而设计要求弯圆后管壁最薄≥26mm。因此实际弯圆时，选择规格为ɸ351×32圆管，以保证外弧侧壁厚要求。实际弯圆测得数据为27. 1mm，与理论分析相符。
3.1.2 热弯后母材力学性能保证控制要点
热弯温度对母材性能有重大影响，母材加热温度应严格控制在规范温度之内，最高温度不超过900℃。热弯温度采取设备自控和人工监测双重手段进行控制，即通过设置设备最高加热温度并人工采用测温枪进行实时测温监控。圆管弯管完毕后，随机抽取1根进行拉伸、弯曲及冲击试验。
3.1.3 外形尺寸精度控制要点
弯管的外形尺寸精度控制一方面是工厂严格按照操作工艺进行作业，设定合理的弯管参数，并在加工过程中进行跟踪测量和参数微调；另一方面进行100 %尺寸放样检查，禁止出现扭曲、弧度尺寸超标的情况。
3.2弧形圆管异形相贯口切割技术
弧形圆管为管板相贯，相贯位置线处于2个平面或多个平面上。基于此特点制定了弧形圆管板相贯口高精度手工切割工艺，解决此类异形相贯口制作的问题。
3.2.1工艺原理
以其中一相贯平面为水平基准面，其与圆管的相交面轮廓线即为空间相贯曲线，反映在立面上即为一水平线，实际加工时划出三点定位点，而后采用弹线的方式标识出相贯位置线，如图5所示。对于与中心圆管相贯部分，采用包络图的方式进行划线。
3.2.2工艺流程
1)深化零件 深化零件时应绘出体现相贯平面处于水平面的剖视图；如存在2块相贯板平面，需2个剖视图。给出放样尺寸，使工人能对异形相贯圆管进行定位，经过翻转后相贯平面平行于地面。相贯弯管深化零件如图6所示。
2)尺寸放样依据深化零件图进行放样，端头三点与地面放样点重合。
3)划出相贯位置线标识定位点，而后采用弹线方式弹出相贯位置线；每个相贯口依据此方式重复划线。
4)相贯口切割 沿所划的相贯线位置线切割相贯口。切割完毕后，进行坡口加工及坡口面打磨。
3.3双曲相贯盖板压制技术
支管背部双曲相贯盖板为空间三维曲面，存在两个方向的弧度，一为半圆弧，一为弯圆弧，且端口为相贯口。
3. 3.1 双曲盖板的深化展开
把双曲盖板Ⅳ等分，量取每段截面的弧长，然后逐段拟合，得到高度近似的展开图（见图7）。
展开图要点如下：①每段相贯线至少有3点，等分不够时，需增加展开点；②必须增加相贯线折点位置，为展开图每段相贯线起点或终点。
3.3.2 双曲盖板展开要点
1)按展开图进行数控切割下料。
2)采用折弯机折弯将零件折成瓦片状，并采用卡模进行弧度检测。
3)盖板折弯成瓦片后，采用模具进行压弯制作。根据盖板的规格和弯曲半径制定相应模具。其中存在直段的盖板，需按照零件图尺寸，预先划出分界线。压制完毕后，抽样检查，确认无误后即可批量加工。
3.4节点立体空间装配技术
根据树杈节点结构特点，结合“先主干后外围”装配原则，首先进行树形主干的装配焊接，再采取立体空间装配工艺进行节点的整体组立，通过空间坐标确定主干与支管之间的相对位置。
1)绘制地样根据节点水平投影尺寸，在拼焊平台上绘制节点地样投影线，包括树形主干投影、各支管端头投影等重要部位轮廓线，标示出关键尺寸控制点，并打上样冲眼，如图8所示。图8中◆为关键控制点。
2)主干装配 以底板中心十字线为基准，依次装配相关零配件，如图9所示。
3)整体装配树形主干平台就位，依序进行弧形加劲板、支管的定位。定位时，搭设胎架控制支管空间角度，吊铅垂线控制端头关键控制点地样位置的吻合，并根据“点对点”坐标检验各个支管控制点之间的尺寸偏差，最后焊接双曲盖板，如图10所示。
3.5 相贯线全熔透焊接
本工程要求支管与十字加劲板、中心圆钢之间相贯焊缝为全熔透焊缝，确保全熔透焊缝及变形控制要点如下。
1)支管与十字加劲板、中心圆钢之间相贯焊缝的焊接质量要求高，且受内部空间和弧形圆管相贯线所限，无法采用双面焊或加钢垫板单面焊，采用焊缝背面加柔性陶质衬垫的CO2气体保护焊进行相贯线焊缝的全熔透焊接。
2)弧形支管组装完毕后从其端部加入陶质衬垫，然后采用气刨的方式沿相贯口二次开设全熔透坡口（见图11）。从侧部到根部区域焊缝坡口角度应圆滑过渡。
3)焊接变形控制 树权节点为空间三维异形节点，焊后变形难以火焰矫正，制作时按以下焊接顺序进行施焊：①先进行支管相贯焊缝打底焊接，拘束构件整体尺寸，而后焊接支管半圆瓦片与贯穿加劲板之间的焊缝，最后进行相贯焊缝填充及盖面焊接，如图12所示；②支管半圆瓦片与贯穿加劲板之间焊缝应对称施焊，焊接时将构件取下胎架并放置于平焊或横焊位置，首先对一侧焊缝进行打底焊接，待熔深达到t/3时将构件翻身，把另一侧焊缝焊
满，最后再将构件翻身焊接未完成的焊缝。
4结语
以宏城广场天幕工程仿生柱树权节点加工制作为例，详述了仿生柱树权节点的小径厚比圆管中频热弯质量控制技术，弧形圆管相贯线切割技术和双曲相贯盖板压制技术等工艺，同时通过立体空间装配技术、相贯线全熔透焊缝实施及变形控制等形成了一套适合仿生柱树权节点的制作技术，为后续类似节点的制作和零部件的加工提供借鉴与参考。
5[摘要]以广州宏城广场天幕工程“树状形态”仿生柱树杈焊接节点为例，阐述了小径厚比圆管中频热弯质量控制技术、弧形圆管相贯线切割技术、双曲相贯盖板压制技术等工艺成型技术；同时介绍了与之配套的节点立体空间装配技术和相贯线全熔透焊缝变形控制技术。
