蒙古族文化“马鞍形”叠层钢结构施工工法

蒙古族文化“马鞍形”叠层钢结构施工工法

张荣

中国建筑第八工程局有限公司西北分公司内蒙古呼和浩特010000

1前言

随着人们生活水平的不断提高，人们的审美也在不断发生着变化，对高、大、新、难结构的探索与追求从未改变，因此造型奇特的各类建筑不断涌现，而复杂异形结构的施工无疑成了工程建设者面对的最大难题，如何在确保施工质量、安全的情况下，充分体现结构美学功能，就需要工程建设者们不断思考，不断尝试，不断总结。

本工法从构件的深化设计、构件加工到构件吊装几个方面来阐述由弯扭构件组成的空间形态错综复杂的蒙古族文化“马鞍”造型的钢结构施工方法。“马鞍”造型是蒙古游牧民族传统文化的体现，弧度优美，结构新颖，极具地方色彩，该造型施工中采用诸多先进技术，结构承载力高，施工操作简便，安全可靠，克服了异形弯扭钢结构构件施工中的诸多难题，获得的经济和社会效益显著。

2工法特点

2.1叠层分解深化设计

结合造型分层叠加特点，深化设计初期，将模型分解为四个单层网壳子系统，简化设计和施工思路。每个子系统分解为竖向支撑体系、环梁造型和网壳系统。结合现场吊重机械分布和BIM软件的吊重分析报告，将各个子系统分块划分。模型的简化，较常规钢结构模型减少用钢量；网壳等辅助系统地面焊接后整体吊装焊接，减少高空焊接作业量，除节省人工、机械费用外，还减少了光污染，降低了高空焊接产生的焊渣掉落引起火灾的可能性，满足环保要求。

2.2结合BIM技术的数控加工

简化的钢结构模型用钢量1000t，弯扭构件占总用钢量的65%，弯扭构件分布图见图2.1-3中红色构件。该造型的加工难度主要集中在空间异形弯扭构件和树杈状铸钢件的加工。构件加工结合Tekla等专业BIM软件，提取构件信息，结合国内先进的无模成型技术、自动切割和自动焊接等数控加工技术，加大构件加工精度，减少材料浪费。

图造型中弯扭构件分布图

2.3虚拟预拼装和构件吊装

构件加工之后进场之前，在厂房采用三维扫描技术扫描每个构件，对生成的点云数据逆向成形构件模型，除分析构件加工误差外，对生成的模型采用虚拟预拼装技术，提前发现吊装过程中会存在的问题并调整构件尺寸偏差和吊装方案。虚拟预拼装技术较常规预拼装技术，节省人工、机械费用的效果显著。

构件现场吊装本着“复杂化简，从下而上，层层施工”的吊装思路，采用叠层分解施工法，即将该造型总系统分解为四个子系统每个子系统分解成为单层网壳结构，先搭建竖向支撑体系，后搭建水平网壳系统，然后将四个子系统分层吊装施工。

3适用范围

本工法适用于弯扭构件较多，空间形态复杂但易于上下分层的钢结构造型施工，也适用于蒙古族文化特色的钢结构造型（包括蒙古包、马鞍和草原博克手的盔甲战袍）。

4工艺原理

本工法基于“马鞍”造型层叠特点，通过Tekla等专业BIM软件，简化模型为四个竖向叠加的单层网壳系统。鉴于该造型异形弯扭构件较多，使用无模成型、自动切割和自动焊接等数控加工技术，加大构件加工精度。构件加工完毕使用三维扫描技术对构件逆向成形，除通过原始模型对比加工误差外，工程期间依据该模型进行虚拟预拼装，提前发现构件加工误差和提前优化吊装方案。

造型现场吊装，结合模型简化的原则，对造型进行叠层分解施工，既将造型分解为竖向叠加的四个单层网壳系统。每个子系统以“先施工竖向构件，再施工水平受力主构件”的原则，从下而上依次施工。每个网壳系统中非受力的水平构件在相邻网壳系统主构件施工时穿插进行。

5施工工艺流程及操作要点

5.1工艺流程

造型系统分解见下图。

图“马鞍”造型左立面

工艺流程：

深化设计：模型分解、子系统分块、吊重分析→材料加工：数控加工、三维扫描、虚拟预拼装→材料进场后胎架等辅助支撑系统施工→系统一至系统三依次施工（先施工竖向支撑构件，后施工水平构件）→系统四顶部压力环临时支撑系统施工→系统四顶部压力环和底部支撑短柱施工→系统四网壳分块施工

6构件加工质量控制措施

6.1材料的质量控制

钢结构的加工制作是整个施工过程的核心环节，直接决定了钢结构最终的适用性与结构性能，因此在材料检验时，其内容包括对工程所选用的型号、规格的确认以及材料的质量检查。在确认材料符合要求后即可进行放样与下料。放样依据BIM模型提取构件详细数据，其中应清除表明装配标记、螺孔标注、加强版的位置方向、倾斜标记及中心线、基准线和检验线，必要时制作样板。下料时首先把切割表明的铁锈、污物清除干净，切割后应及时清除溶渣和飞溅物，严格把握切割误差，杜绝切面裂纹、分层现象。

6.2放样下料的质量控制

1）加强对过程的监控力度，严格实行“操作者自检——班长互检——专检员专检”的“三检制”，做好过程积累监督执行情况，不能让“三检制”流于形式；

2）在批量性的零部件放样之前做好抽查检验工作，这样可以避免造成大量无法挽回的补救，把问题控制在未开料之前；

3）尽可能地采用自动和半自动手工劳动，减少人工手工操作，减少人为因素地发生。

拼装的质量控制关键点为对接接口的坐标偏差值及因该偏差产生的对接焊接质量和外观质量的影响，因此严格控制拼装件接口的空间坐标是控制该节点质量的有效手段，针对桁架结构工程的特殊性，拼装定位、测量而采用三维坐标测量系统，并且在拼装就位过程中配备了同型号的全站仪进行构件空间坐标的实时测量，保证拼装精度。

7效益分析

7.1经济效益

通过采用了本工法，顺利完成了“马鞍形”钢结构造型的安装，展现了内蒙古自治区独特的民族特色与建筑美学，采用了该施工工法主要在节省工期和现场安排吊装方面取得显著的效果。

1、从钢结构构件的深化设计到吊装完成，整个施工周期结合BIM技术，较常规钢结构模型节省钢材加工所包含的材料费、加工费和钢材浪费20万元左右。

2、对钢构件的安装进行虚拟安装，节省现场吊装时间，现场施工至完毕无返工。对吊装方案的受力分析，更加科学、严谨的证实吊装方案的可行性。该造型计划工期39日历天，最终完成耗时35日历天，节省工期4日历天，节省人工及机械使用费8万元左右。

3、该造型网壳系统用钢量450t，均采用地面拼装，整体吊装，减少吊重机械和焊工费用3万元。

7.2社会效益

现阶段，全国建筑市场逐渐开始推广具有本地特色的建筑造型，而民族特色的建筑造型具有施工可复制性较高，造型优美等特点。但现阶段国内建筑市场的蒙古族元素的建筑外观施工经验较少的，本工法的顺利实施，为国内该领域建筑市场积累了经验，也开拓了本公司的市场领域，也为本公司成为民族特色建筑领域的专业企业奠定了基础。

参考文献

[1]聂秀娟.高位钢结构叠层提升、分体安装施工技术探讨[J].住宅与房地产,2017,(15):91.

[2]吉明军.高位钢结构叠层提升施工技术[J].建筑技术,2013,44(04):350-353.