上海自然博物館（新館）“細胞壁”式鋼結構成套施工技術研究

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

1 工程概況

上海自然博物館（新館）（上海科技分館）工程位于上海靜安區山海關路、北京西路、石門二路地塊， 建筑總高度18 m，地上3層，地下2層。建筑的整體靈感源于鸚鵡螺的殼體形式，建筑核心區域“細胞壁”為兼顧結構性承載和勾勒建筑造型的藝術鋼結構。網殼平面投影為“鸚鵡螺”形，立面為同心不同軸空間展開橢圓面（圖1）。

圖1 上海自然博物館工程效果圖

“細胞壁”結構體系為空間異形豎向承重網殼，以五邊形和六邊形網格組成的空間異形不規則單層網架（結構外邊緣處為三角形和四邊形形式），整個建筑造型呈半橢圓形螺旋上升，結構形態垂直豎立于地面，弧形中部向橢圓內傾斜（最大內傾5 m），結構最高處為32.2 m。

“細胞壁”由核心區、延伸區、懸挑區組成（圖2）。核心區自-16.1 m起，最高達16.1 m；延伸區自-0.50 m起，最高達7.5 m；懸挑區自5.6 m起，最高達16.1 m。鋼構件均采用焊接箱形截面，截面規格為500 mm×275 mm×16 mm×14 mm，構件形式分為節點和桿件，鋼結構總質量約555 t。

圖2 “細胞壁”三維模型及展開示意

2 特點與難點分析

1）深化設計難度大。將結構分解為節點和桿件，結構節點和桿件眾多，且節點與桿件均不相同。節點由3～6肢牛腿組成，節點牛腿軸線夾角各異，牛腿法線與節點法線夾角各異。利用以往的深化設計手段將每一個節點表述出來顯然不現實，同時也難以準確地表現矩形桿交匯這種復雜的多維角度[1]。

2）節點制作難度大、精度要求高、檢驗困難。此類結構節點由3～6肢牛腿組成，由于是矩形桿匯交，存在空間多維角度。必須制定一套切實可行的加工制作工藝才能確保構件精度[2]。

3）現場安裝難度大。由于結構為矩形桿件空間多桿交匯，結構在安裝過程中，單個節點需與3～6根桿件精確定位，必須采用一套合理的施工工藝，滿足鋼網殼的安裝精度，實現結構的復雜造型[3]。

3 無紙化深化設計技術

由于“細胞壁”式鋼結構為多矩形桿空間交匯的異形網架，節點達900多個，桿件達1 300多根，且構件無一相同。采用常規的深化設計手段，無法準確地表達不同節點的空間尺寸和節點桿件間的相對關系，深化工作非常繁重，深化過程中極易出錯且無法復核。基于新型的機器人加工技術，一種無紙化深化設計手段應運而生。無紙化深化設計技術是一種利用軟件實現3D模型數據采集和處理，轉換成機器人可識別的加工數據，最終實現機器人切割裝配的技術。無紙化深化技術總體流程如下[4-6]：

1）確定“細胞壁”式鋼結構單線模型，明確單線模型與玻璃幕墻、遮陽鋁條面的相互關系及邊界；

2）生成“細胞壁”式鋼結構全三維實體模型，并由設計確認，作為深化設計依據，形成封樣；

3）利用“多桿匯交瓣式網殼節點數據深化”軟件提取實體模型加工數據。軟件自動分析每根桿件的空間位置和截面方向，提取桿件牛腿截面控制點坐標及中心控制點坐標并轉換成機器人可識別的加工數據；

4）采用了“正解”的方法，重新將數據進行各零件的三維建模。并通過計算機虛擬裝配來復核數據的準確性。

4 機器人加工制作工藝

機器人加工制作工藝是利用5自由度混聯機器人通過加工制作數據進行牛腿相貫線切割，并利用三維工裝臺進行節點組裝，最終利用三坐標檢測儀實現構件精度復核的成套工藝。

節點加工采用制作標準塊、機器人加工相貫線、三維組裝、數控加工的工藝，將幾個獨立的牛腿構造單元按設計定位角度與中心圓柱組合成焊接構件，如圖3所示。

圖3 相貫牛腿節點裝配示意

機器人加工技術總體流程為：加工數據處理→標準桿件切割→牛腿相貫線切割→三維工裝臺裝配→節點組焊接→節點熱處理→節點機加工→三坐標檢測→表面處理涂裝→成品出廠。

5 “細胞壁”式鋼結構安裝工藝

“細胞壁”式鋼結構總體安裝施工路線采用利用結構自身剛度，自下而上逐環施工，節點桿件高空懸拼的方法。采用6015型塔吊分件散裝，吊裝構件主要為節點+桿件的組合構件，組合構件質量控制在1 t左右。

5.1 第1階段施工

-16.10～±0.00 m間“細胞壁”結構施工。“細胞壁”分成4環（每環4 m），自下而上逐環施工，每環施工均自東向西進行（從“細胞壁”鋼柱邊界向混凝土柱邊界）。利用結構環箍效應，形成自穩定體系。

5.2 第2階段施工

±0.00～16.10 m間“細胞壁”結構施工。“細胞壁”分成4環（每環4 m），自下而上逐環施工，每環施工均自東向西進行（從“細胞壁”鋼柱邊界向混凝土柱邊界）。利用結構環箍效應，形成自穩定體系。“細胞壁”延伸段的懸挑段分別采用1臺250 kN汽車吊散裝。

為了確保結構的安裝精度，現場測量采用了全站儀坐標法進行構件的安裝定位。構件控制點選用節點牛腿外表面中心坐標，控制點采用貼反射片的方法。

6 結語

上海自然博物館“細胞壁”式鋼結構工程項目采用無紙化深化設計技術，完成了復雜異形網架的建模和加工制作數據的采集；項目采用了機器人加工技術，實現了空間多桿交匯節點的加工制作，并采用了三坐標檢測儀檢測技術，大大提高了構件的制作精度。“細胞壁”式鋼結構安裝采用了無支撐高空懸拼施工工藝，利用結構自身剛度，自下而上逐環施工，通過全站儀三維坐標法，精確控制構件空間定位。

成套施工技術在“細胞壁”式鋼結構工程的成功應用，對今后類似復雜異形網架結構的深化設計、制作、安裝具有借鑒意義[7]。