朱福锦,聂元宗,沈洪宇,周 鹏,张耀林
(中建钢构有限公司,广东深圳 518040)
[摘要]杭州来福士广场项目外围框架圆管柱沿曲面向不同方向倾斜,给钢结构深化设计和加工制作带来了难度。针对光滑曲线大直径圆管柱结构特点,从深化设计源头进行合理优化以便于工厂加工制作。详细介绍了双向异面倾斜圆管柱的深化设计建模及图纸表达方法,通过精心设计,满足加工制作要求,为项目成功实施提供了充分保障。
[关键词]高层建筑;钢结构;双向异面;圆管柱;深化设计;加工
[中图分类号] TU323.1;TU758. 16 [文章编号]1002-8498(2016)08-0047-04
1工程概况
杭州来福士广场项目由T1,T2两栋塔楼及裙房组成。T1塔楼60层,建筑高度250m(檐口高度),建筑面积86 606m2;T2塔楼58层,建筑高度250m(檐口高度),建筑面积96 250m2;南北裙房7—10层,北侧建筑高度55m,南侧建筑高度35. 1m,建筑面积100 711.5 m2,如图1所示。
该项目建筑设计理念来自杭州自然景观钱塘潮,建筑造型新颖,外立面由多个平滑曲面组成,沿建筑高度方向扭曲上升。两塔楼主体结构均采用由中央核心筒和外围框架组成的框架.核心筒结构,为满足建筑造型需要,塔楼结构外围框架柱沿曲面向不同方向倾斜。
2 深化设计重难点分析
塔楼结构外围框架柱采用圆管柱,圆管柱直径范围为1000~1500mm,壁厚范围为28~34mm,属于大直径圆管柱。圆管柱沿曲面向不同方向倾斜,结果必然导致圆管柱中心线为螺旋线,使圆管柱产生扭曲。规则的大直径圆管柱工厂通常采用钢板滚圆方式加工焊接成型,对于本工程扭曲的大直径圆管柱无法保证加工到位,给工厂加工制作带来很大的难度。
深化设计作为加工制作的源头,如何对光滑曲线的大直径圆管柱进行合理优化,使优化后的结构既符合原结构受力要求,又能便于工厂加工是亟待解决的问题。另外,光滑曲线的圆管柱与大地的夹角连续变化,造成楼面梁与圆管柱定位困难,是深化设计的又一重难点。
3深化设计优化
本工程外围框架柱为光滑曲线大直径圆管柱结构。按照实际理论情况,工厂难以实现扭曲的大直径圆管柱加工成型。根据圆管柱中心线的螺旋程度,采用以直代曲方式进行拟合。拟合的直线段长度一方面要满足建筑造型要求,不能破坏外形效果;另一方面要符合结构受力要求,不宜对构件产生过大的附加偏心弯矩。拟合后的圆管柱中心线为不共面的多段线。考虑到构件运输及现场吊装等要求,对柱构件进行合理分段分节,每节柱构件本体为“双向异面”倾斜圆管柱(即圆管中心线不共面)。楼面梁与光滑曲线圆管柱的定位优化在于直线圆管柱的定位,使加工制作的实现成为可能。如图2所示。
4深化设计软件
针对本项目特点,采用AutoCAD与芬兰Tekla公司开发的钢结构详图设计软件Tekla Structure两种软件。Tekla是一款基于模型的信息软件,适用于外形及杆件截面较规则的工程项目,如厂房、高层等。由于软件内核的局限性,它无法精确模拟“扭曲”构件,无法提供精确的展板数据,所以不能解决空间弯扭结构的深化难题。AutoCAD软件模型处理能力和图纸转换功能非常强大,但用它深化空间管结构、弯扭结构的过程复杂繁琐,效率低下。因此根据空间弯扭构件的几何特征,根据加工与安装的特殊要求采用两种软件相结合的方法进行深化设计。在本项目中运用AutoCAD收集整理设计图纸中杆件的空间坐标数据并生成三维线模型,将AutoCAD三维线模型导入Tekla生成实体单元,建立细部节点,最终生成设计详图。
5 深化设计重点技术介绍
针对本工程外框柱的特点,采用了“嵌套图+坐标图”的深化设计绘图表达方法,相比于传统通过几何尺寸来控制零部件相对定位的方法,会更加精准,更为严谨以及科学有效,制作出来的构件精度将会更高,从而保证了现场安装精度。
5.1技术原理
通过三维坐标控制牛腿与钢柱本体的相对定位,更好地控制构件的尺寸精度。双向异面倾斜圆管柱的深化设计流程如图3所示。
5.2技术特点
该新型技术的运用,使图面更加清晰、整洁,图纸意图表述更加准确,现场安装也更加科学、精确。整个设计和施工过程更加高效,尤其针对异形构件的深化设计图纸表达,是今后钢结构深化设计技术的发展方向。
5.3技术要点
1)收集CAD三维坐标数据并导入Excel软件,生成坐标表
收集整理结构图中的柱控制点(即折点)三维坐标数据,将CAD坐标数据转换为Excel表格数据,便于后续输入CAD中生成点模型。
2) Excel坐标数据生成空间点
将Excel坐标数据导入CAD,并将空间点按柱位连接成三维线条,并按截面区分线条的颜色和图层,如图4a,4b所示。
3)线模型转化为实体杆件模型
在Tekla软件中,按图层、截面给线条赋截面,自动创建柱三维实体杆件模型,如图4c所示。
5.4节点建模
5. 4.1 样冲点设置
样冲点在钢结构施工中起到指导安装和定位校准的作用,有助于提高钢柱安装精度和施工质量。我们在模型中建立节点的样冲点,然后通过重心坐标数值域( COG_X,COG_Y,COG_Z)反馈到深化图纸中。样冲点设置应根据安装单位实际要求进行设置,本工程样冲点设置于柱上端口往下100mm位置。
5.4.2创建嵌套构件
嵌套构件由1个主构件、1个或者多个子构件组成。Tekla软件执行步骤如下。
1)将柱本体、内隔板、临时连接耳板组成的整体作为嵌套构件的主构件,如图5a所示。
2)各个牛腿分别作为嵌套构件的子构件,如图5b所示。
3)选择适当的主零件,给主构件和子构件分配固定的位置编号。
4)选择各子构件将其添加到主构件中,执行编号,完成嵌套构件,如图5c所示。
5.5 构件出图要点
双向异面倾斜圆管柱采用Tekla软件的构件嵌套模式进行出图。嵌套出图通常用于复杂多支牛腿的倾斜构件,牛腿和本体独立表达,使图面更加美观,条理清晰、层次分明。
5. 5.1嵌套构件整体拼装图
嵌套构件的整体拼装图主要用来表达主、子构件的相对位置关系和构件号信息。如图6a所示,主构件为柱本体,9个牛腿为子构件。
5.5.2嵌套构件的主构件出图
用平面几何尺寸来表达主构件中柱本体与内隔板、栓钉、临时连接板等零部件的相对定位,如图6b所示。
5.5.3嵌套构件的子构件出图
用平面几何尺寸来表达子构件中各零部件的相对定位,如图7所示。
5.5.4坐标图
建立全局坐标系和局部坐标系,给定柱本体、牛腿、耳板等零部件主要控制点的坐标数据,通过坐标来确定零部件之间的相对定位,从而指导工厂零部件装配和现场构件安装,坐标数据包含组立坐标和安装坐标。
1)管节对接图
主要操作步骤如下:①建立组立坐标系;②给出圆管的四等分线;③将四等分线与圆管对接缝、柱端口的交点作为主要坐标控制点;④给出控制点坐标数据。通过相邻管节间点与点的对应,来完成管节对接,如图8所示。
2)牛腿装配图
主要操作步骤如下:①与管节对接采用同一套坐标系、同一套组装胎架;②选取牛腿根部和端部的点作为主要坐标控制点;③给出坐标数据。如图9所示,此图主要用于指导牛腿等零部件的装配。
3)管节展开图
管节展开图主要用于柱本体零件下料、钢管卷制,成品管节按以下坐标控制点标示后,再进行管节对接。管节对接时,相邻管节的纵向焊缝应错开,因此在管节展开时需注意展开点的位置,如图10所示。
6构件加工制作
由于本工程的柱是双向异面结构,传统加工制作方法难以确保精度要求,因此在加工制作过程中引入全站仪进行定位控制,以确保构件质量满足要求。
“双向异面”倾斜圆管柱采用坐标法进行放样。首先确定坐标原点,然后确定各端点和中间控制点坐标,完成后需对每根杆件采用坐标法进行放样,杆件上需尽量多设置坐标,以便后续准确利用坐标点进行校核,制作流程:钢管卷制→胎架坐标定位→钢管定位→零部件定位→整体验收。
1)钢管卷制 根据零件图,对钢管进行喂料、预弯、纵缝焊接、矫圆、成型,焊接。
2)胎架坐标定位 根据钢柱的实际投影尺寸,在地面划出钢柱的中心线、外形轮廓线及其他各零件的投影线等。
3)钢管定位 对接合合格的筒节吊上组装胎架进行定位,定位时需严格控制其端部与地面位置的吻合度,过程中使用全站仪进行校核,定位正确后与胎架点焊牢固。
4)零、部件定位 将合龙的牛腿通过全站仪定位,定位正确后与主体焊接,其他耳板定位正确后即可焊接。
5)整体验收 全部零、部件吊装焊接完毕后,再次采用全站仪对构件进行定位检测,合格后报监理验收。
7 结语
杭州来福士广场项目结构形式独特、造型新颖,构件空间关系、节点形式复杂多样。其中光滑曲线的大直径圆管柱是本工程的深化设计重点和加工制作难点。通过合理设计,将光滑曲线大直径圆管柱优化为双向异面倾斜圆管柱。在深化设计过程中利用了CAD与Tekla相结合的方法,并采用“嵌套图+坐标图”的深化设计绘图表达方法,大大提升了深化设计效率和水平。结合深化设计图表达方式,在加工制作过程中又创新性地引用全站仪进行定位安装,确保了构件的精度要求。实践检验证明,在本项目中采用的深化设计技术及加工制作技术可行,不仅能够充分满足建筑及结构的设计意图,而且符合制作安装的精度要求,为工程的顺利竣工提供了可靠的支撑。