鄂爾多斯博物館內部GRG鋼結構設計及施工探討

盧雷 秦海琴 秦文剛

一、工程概況

鄂爾多斯博物館坐落于鄂爾多斯康巴什新城中心區，是規劃建設的鄂爾多斯七大文化建筑之一。建筑師的創意是將博物館外型設計成一個不規則的核體，像石頭一樣堅固，代表著未來與時間的積累，象征著永恒，金屬外表面記錄著鄂爾多斯悠久的文化、展現著鄂爾多斯開創未來的創新精神，鄂爾多斯博物館效果圖見圖1。

鄂爾多斯博物館內部為一個造型奇特的裝飾結構，采用GRG材料將內部結構的框架結構分成兩個獨立的分區，其水平展開面積約11000m2，最高點距離室外地坪約35m，形狀不規則。該結構下部落于首層地面以及首層結構樓板上，側面與內部框架結構的鋼梁連接，頂部則懸掛于外殼鋼結構上。GRG裝飾結構的三維模型如圖2所示。

圖1 鄂爾多斯博物館效果圖

圖2 GRG裝飾結構三維模型

二、結構方案

GRG裝飾結構的造型非常奇異，板材從屋面豎向延伸到地面。根據裝飾板的尺寸以及連接節點形式，利用三維建筑軟件Rhino將GRG裝飾面向外偏移300mm作為其鋼結構龍骨的定位面，將龍骨結構設計成為隨著GRG裝飾板走向的單層網殼結構。由于GRG定形板的尺寸為600×600mm，且龍骨的頂部需要與外殼鋼結構連接，而外殼鋼結構的分格為3m×3m的等邊三角形，故綜合考慮GRG板材的二次結構的安裝以及結構受力的合理性，將鋼結構龍骨的分格尺寸定為1200×1500mm。

鋼龍骨結構的不規則形狀導致每個構件的安裝角度都需要進行空間準確定位。為了安裝以及構件加工上的方便，所有桿件均采用Q235B的熱軋無縫鋼管，可以有效地避免其空間扭轉的問題。

鋼結構龍骨整體結構的三維線條模型如下圖3所示。

三、計算分析

圖3 GRG鋼結構龍骨三維模型

由于本工程為一個受力極其復雜的空間結構，因此結構整體設計計算選用美國CSI公司研制開發的大型有限元程序SAP2000（V12版）。計算模型采用空間三維實尺模型，桿件選用兩個節點、六個自由度的frame單元，該單元可以考慮拉（壓）、彎、剪、扭四種內力的共同作用。

1.結構的計算模型

GRG鋼結構龍骨的整體SAP2000有限元模型如下圖4所示。

由圖4可以看出，在計算模型中用固定鉸支座模擬鋼結構龍骨與地面以及內部樓層梁的連接，用滑動鉸支座模擬龍骨與外殼鋼結構的連接。

圖4 GRG鋼結構龍骨SAP2000計算模型

2.計算荷載

本工程為內部裝飾結構的龍骨，故在計算中僅考慮GRG板材自重 （包括二次結構連接件）。根據廠家提供的資料，板材的自重為0.25kN/m2，鋼結構龍骨自重由程序自動計算。

3.分析結果

對整體結構進行有限元分析，其在自重荷載作用下的變形如圖5～圖6所示。

圖5 GRG鋼結構龍骨整體變形云圖 圖6GRG鋼結構龍骨細部變形云圖

由圖可以看出，整體結構的變形情況比較均勻，只是在主入口處由于網殼的跨度和坡度都較大，結構上在此處設置了支撐桁架以提高剛度。通過調整桁架的高度從而滿足結構的變形要求，整體結構的最大變形為88mm。整體結構的節點變形信息如下圖7所示。

4.結構設計

由于本工程計算時僅考慮了板材的自重恒荷載，故在構件的設計時采用1.35恒荷載作為控制荷載組合。

整體結構的構件應力比云圖及桿件應力比信息如下圖8～圖9所示。由圖可以看出，鋼結構龍骨各個構件在自重荷載作用下的應力水平較低，最大的桿件應力比也小于0.9，均滿足設計要求。

四、節點設計

由于本工程設計之前，外殼鋼結構已經施工完畢，外殼設計時規定內部的GRG整體結構的自重不超過50kg/m2，因此內部本工程的桿件管徑比較小，剛度較差，因此需要外殼及內部結構對其進行良好的支撐。

圖7 GRG鋼結構龍骨節點變形信息

圖8 GRG鋼結構龍骨桿件應力比云圖

圖9 GRG鋼結構龍骨桿件應力比信息

1.與外殼的連接節點

外殼鋼結構已施工完成，因此在受力過程中不能對其受力桿件進行焊接，故此處節點采用抱箍節點。利用兩個環形扣件與外殼相連，既實現了吊桿的作用，同時又不會對原結構的構件造成不必要的影響。

具體的連接節點如下圖10所示。

2.與內部鋼梁的連接節點

GRG側面鋼龍骨與內部框架結構的鋼梁連接，且距離較遠，為了實現其固定鉸支座的節點，根據SAP2000的計算反力，在鋼梁側面挑出桁架結構。

具體的連接節點如下圖11所示。

圖10 GRG龍骨與外殼鋼結構的連接節點

圖11 GRG龍骨與內部鋼梁的連接節點

3.與地下室頂板的連接節點

GRG底面與內部結構的地下室頂板連接，反力較大，而且地下室頂板的板厚較小，采用傳統的植筋做法難以滿足錨固要求。在本工程中采用THD非膨脹機械錨栓，能夠在較小的錨固長度前提下在滿足受力要求。

具體的連接節點如圖12所示。

圖12 GRG龍骨與內部樓板的連接節點

五、施工詳圖設計

由于本工程結構形式非常不規則，而且很難找到一個對稱面，因此桿件的空間定位點沒有規律可循，給鋼結構施工詳圖設計提出了很高的要求。施工詳圖設計采用了國內外先進的Tekla Structures Xsteel 14.0、STCAD2.0等詳圖設計軟件及Midas Gen、3D3S等分析軟件，通過軟件細部節點二次開發等手段很好的保證了整個工程深化設計的進度和質量。在深化設計中構件之間的連接節點設計是整個工程深化的難點和重點。由于本工程采用的單層網殼結構曲面造型復雜，結構曲面全部采用桿件直線彎折的方式，桿件全部采用管徑比較小的無縫鋼管，且桿件截面尺寸比較接近。桿件之間連接節點采用管管相貫的節點形式，節點全部采用全熔透焊接節點，通常一個節點上有5根或者6根的桿件相貫的情況，給整個結構的深化設計造成了很大的難度。根據這種情況，在深化過程中根據結構受力特點首先確定桿件的主次關系，由此確定桿件的相貫順序，再根據結構形式和焊接要求進一步確定二級次管和三級次管。只有桿件之間的主次關系搞清楚了才能準確進行桿件節點設計，從而滿足整個結構的受力要求。

六、鋼結構加工及運輸

在鋼結構加工前首先根據結構的曲面形式劃分加工區域，分界線盡量要設置在結構受力比較小的部位，區域劃分完成之后，采用分區分片細化編號的辦法把整個工程分解開來進行細化加工。由于整個工程全部采用圓鋼管相貫焊接的節點連接形式，為了保證加工精度，本工程采用六維數控相貫線切割機進行圓管切割，既保證了加工精度又提高了加工效率。

桿件按技術要求加工好之后，構件的打包運輸方案的制定和實施是另一個關鍵環節，根據工程的具體情況制定了以下幾點措施。

1.構件包裝的目的

（1）在運輸過程中，保護構件使之不易損壞。

（2）每個箱包有一一對應的構件清單，因此發運方與接受方有據可參，不致引起混亂。

（3）使構件的運輸體積比較緊湊，在減少運輸費用的同時便于構件裝卸。

2.包裝遵循的原則

（1）同部位的桿件盡量包裝在一起。可以與安裝進度配套運輸，保證現場所需構件的及時供應，否則會出現現場堆積的構件很多，但是桿件不配套，影響安裝進度。

（2）包裝牢固。運輸過程中不要出現散包的現象，導致構件混亂，影響施工現場的交接。

（3）為了節約運輸成本，使構件箱盡量成一定的級配。例如，小箱可以置于大箱內部，細管可以置于粗管內部。

（4）每個包裝箱內的構件必須與裝箱清單一一對應，便于交接與查找。

3.包裝形式

構件的包裝形式如下圖13所示。

圖13 構件包裝示意圖

在工廠里把上述的準備工作做好做細，材料運輸到工地現場后安裝工人才能很快的安裝所需的桿件，給工程的順利安裝也提供了很好的保障。

七、鋼結構的安裝

1.安裝順序的確定

由于本工程結構形式非常復雜，施工過程中結構安裝誤差是難以避免的，因此結構合攏位置的選定是整個工程順利安裝完成的關鍵。根據本工程的建筑特點，建筑物兩端都設有主要出入口，且兩端結構曲面造型非常復雜。相比兩端，中間部位建筑造型相對比較簡單，所包含的桿件數量相對也比較少，故綜合考慮后確定從兩端向中間開始安裝，最后在中間部位合攏。

安裝順序示意圖如下圖14所示。

2.桿件的空間定位

圖14 安裝順序示意圖

由于結構造型的不規則性，整個工程桿件安裝如果采用以前的老辦法根本無法安裝。根據本工程的結構特點，采用高精度全站儀空間定位的辦法來使桿件精確就位安裝。

安裝步驟大致如下：

（1）根據施工現場情況和建筑的結構分布情況確定幾個測控點，這幾個測控點的測射范圍必須涵蓋整個工程的各個節點。

（2）在結構模型中建立一個控制原點，結構的所有節點的三維坐標全部相對此原點進行標注。

（3）使用全站儀，利用事先確定的測控點根據結構節點的三維坐標進行桿件空間定位。

工人在施工現場采用高精度全站儀進行桿件空間定位測量狀況如下圖15所示。

圖15 采用高精度全站儀進行桿件空間定位

3.支撐體系的搭設

本工程采用單層網殼結構，結構的局部強度和穩定性非常差，在進行分片安裝時臨時支撐措施非常重要。

本工程的腳手架支撐方案采用腳手架順著結構的曲面變形形狀搭設，單根桿件空間就位后先支撐在腳手架上，整個區域安裝完成形成一個整體的受力體系后，腳手架就可以有計劃的拆除一部分再用于下片區域的安裝，但結構的主要受力部位的支撐體系在整個工程結構合攏前不得拆除。

施工現場腳手架搭設方案如下圖16所示。

圖16 桿件安裝搭設的腳手架支撐體系

八、結論

鄂爾多斯博物館內部GRG鋼結構龍骨結構在滿足建筑造型的前提下，對其剛度調整使得其滿足結構設計的要求，實現了其建筑和結構的完美統一。施工過程中采用合理的施工方案及空間定位方法，使得整個結構能夠順利的完成，不僅取得了一定的經濟效益和社會效益，也為同行業類似工程的實施積累了經驗。