摘要：江苏园博园未来园林植物园以不锈钢为主体结构，覆盖透明亚克力板，并设有灯光、水景等，42个伞柱形结构单元构成其主体不锈钢结构。每个伞形结构单元都是一个外接圆直径为21米的正十二边形。伞单元总面积约15000平方米，拥有4K镜面。不锈钢作为大型建筑结构材料在国内尚属首次。本文总结了不锈钢伞结构施工中的关键技术，供后续类似不锈钢结构工程施工参考。
关键词：异型钢结构、伞形结构、不锈钢结构、4K镜面。
图1 伞树平面图
图2 伞树立面图
一、项目概况
未来花园植物园主体结构采用S31603不锈钢材质。整体结构为伞壳结构。共有42把伞连成一把。不锈钢结构，4K镜面。造型极具视觉冲击力。中国乃至全球都没有类似案例。伞状结构中的不锈钢杆有矩形管、椭圆管、异形渐变椭圆管。结构形式独特新颖，国内尚无类似的结构标准或案例可供参考。钢结构工程中有新材料、新构件、新节点的应用。
图3 伞树效果图
二、项目特点及难点
1）本项目采用的S31603不锈钢材料为奥氏体不锈钢，具有导热系数低、线膨胀系数大、无磁性、耐腐蚀等特点。奥氏体不锈钢的导热系数只有低碳钢的一半左右，而且线膨胀系数很大。焊接后，接头会产生较大的焊接内应力，表现为焊接裂纹和焊缝局部收缩。
2）伞形不锈钢结构群横向长度348米。最终的效果要求整体没有温缩缝。整体热胀冷缩很大，温度应力显着。施工过程中的温度应力是施工分析与模拟的重点研究对象。 。要求在施工过程中假定的初始温度下，伞状结构之间的施工应力最小。施工过程中需要分析考虑合理的温度收缩缝的设置。预留的温度收缩缝需要在合理的温度条件下闭合。
3）不锈钢结构焊接收缩变形量大。需要通过分析计算模拟安装和焊接顺序，计算分析出最合理的杆件安装和焊接顺序，保证杆件在焊接施工过程中产生的内应力不大于设计使用要求。同时可以有效控制棒材的焊接变形。
4）本项目位于废弃矿井内。矿区地形复杂，地势起伏。需要充分合理地考虑施工机械设备和路线选择。
5）由于不锈钢结构上部为覆水屋面，因此需要保证覆水屋面的平整度，结构整体精度要求很高。不仅要注意其在空间上的绝对位置精度，而且各个施工环节中杆体安装的相对精度也必须精确控制。 ，保证后续安装定位的准确性。
6）该项目采用全厅格子柱和脚手架，视野受阻，无法在矿井内进行测量。全站仪需要安装在辅助高架位置或矿井边缘，仪器和棱镜需要设置在高空，安装和测量困难。大的。
7）伞形不锈钢结构既作为结构构件又作为装饰构件的工程。加工工艺复杂，对加工精度和表面效果要求较高。不锈钢构件的加工涉及圆管多曲线相贯线切割、厚板折弯、大断面厚方管折弯、激光切割、拼焊、4K抛光等多种复杂加工工艺。零部件的加工精度将直接影响伞树的装配精度和外观，甚至影响42棵树的整体结构安全。
8）焊缝质量验收标准要求高，大量现场焊缝要求为一级、二级焊缝。焊缝需要打磨和抛光，几乎看不到焊缝痕迹。
3 关键施工技术及工艺
3.1 施工模拟与测试
1）施工模拟包括施工现场条件、路网、主体钢结构、施工设备的BIM动态施工模拟，以及施工过程中主体钢结构施工应力的模拟分析和模拟。实现合理高效制定人员和机械投入计划，有效控制施工过程的安全和质量，确定施工过程的监测点和监测内容。
图4 BIM施工模拟
a 单伞结构拉杆安装有限元模拟计算分析
b 伞体整体结构有限元仿真分析
图5 有限元仿真计算分析
2）钢结构工程采用新材料、新构件、新节点时，采用设计分析和试验验证方法是国内工程中常用的方法，也是后续审查和专家论证的必要技术条件。试验的最终目的是与设计分析和相关规范一起形成完整的设计，达到结构安全、经济、可行、施工方便，同时满足建筑效果的要求。由于上述原因，不锈钢结构需要进行相应的测试。
不锈钢结构的承载力测试分为三个部分：
(a) 1:3整体承载力试验；
(b) 1:1本地节点承载能力测试；
(c) 变截面异形椭圆横管承载力试验。
图6 实验验证
3.2 专家论证
该项目是国内首次在建筑钢结构领域使用不锈钢材料。无类似施工案例参考，施工方法有一定特殊性。为此，组织相关专业技术人员制定了专项施工方案，并对施工方案进行了专家论证。
《不锈钢结构技术规程》CECS 410:2015没有对不锈钢结构的验收提供详细内容。为此，专门编制了《未来园林不锈钢结构施工质量验收标准》，并进行了专家论证。
图7 专家论证
3.3 冲裁加工
由于伞树的特殊外观要求，目前还没有适用于所有结构的现成型材。所有型材均由不锈钢板加工而成。主要工序有将板材倒圆、将圆变成方形、将边缘倒圆成椭圆等。主要流程如下图：
图8 配置文件处理
不锈钢型材加工完成后，就开始进行结构加工，主要包括：下料、装配、焊接、校正、打磨抛光等工序。采用先进设备基于三维模型进行数控下料加工异形钢结构加工，避免手工放样，按照工艺参数严格控制焊接、打磨工序，开发零部件定位定径模具，规范复杂异形零部件的装配。
图9 元件加工和定位工装
3.5 现场安装
现场安装焊接顺序：树柱→主肋ZL→外环构件WH→次肋CL→外环横杆WX→中环横杆ZX→内斜杆NX。
图10 不锈钢伞结构安装步骤
3.6 支撑塔及脚手架安装
当支撑塔主要为不锈钢伞形结构时，结构没有形成完整的受力系统。根据midas软件施工模拟分析，计算出施工过程中最容易变形和最薄弱的地方，并布置相应的支撑塔，形成伞状。安装在伞形结构中的支柱提供了稳定的支撑。同时，由于伞形结构形状复杂，扣扣式脚手架搭设时更加灵活，可以根据结构特点进行适应性变化。
图11 支撑塔及脚手架立面图
3.7 测量
测控网络的建立应按照先整体、后局部、高精度控制低精度的原则。测量控制网的参考点应选择在可视性好、安全、易于防护的地方。相应等级参考点的埋置不得低于《工程测量规范》的要求。测控网络建立后，必须做好测控网络的协调维护工作。
本项目平面控制网络分为两级。一级四边角网作为总体控制，二级主轴控制网直接用于施工放样。
由于两个基准点均位于坑顶路面异形钢结构加工，因此在坑内测量时可采用后方交会法。方便伞树的测量。对场地位置基本没有要求，场地可以自由搭建。对场地地面无要求，无需对场地进行硬化和固定。可同时使用多个全站仪进行现场测量，同时进行工作，加快测量进度。
图12 基坑基准点布置
3.9 不锈钢结构焊接
伞形不锈钢结构焊接主要采用GTAW+GMAW相结合的方式进行。对于异型件，焊缝根部不可能设置衬垫。采用GTAW为基础，有效保证焊缝根部的成形质量。采用GMAW焊接中间层，提高焊接成型效率。 GTAW保护层用于控制焊缝强化和表面成形质量。减少后续打磨抛光的工作量。
图13 结构焊接及检查
3.10 表面研磨和抛光
研磨抛光工艺流程：表面检查→（焊缝及两侧）粗磨→半精磨→精磨→抛光→抛光。
研磨抛光质量控制：
1）材料表面不允许有杂质斑点、砂眼；
2）后道工序必须消除前道工序的磨痕；
3）制定成品保护计划，避免产品二次损坏。不允许有挤压、压痕、碰撞或划痕。
图14 表面研磨抛光
3.11 健康监测
本项目伞柱结构采用不锈钢为主要材料，具有全新的结构造型。它不仅作为植物园冠层的支撑结构，而且在亚克力板的上部承受着自身的重量和水荷载。施工过程中的安装方案也比较复杂。伞柱结构空间定位困难，施工工艺复杂。结构施工过程中，主要受力构件和部分关键部位的内力、位移等参数的变化情况，以及结构卸荷时的受力状态是否与初始设计一致，是否符合设计要求。仍在允许的范围内，就成为一个不容忽视的问题。这就要求项目在施工阶段对钢结构关键构件的应力、应变和结构位移进行监测。
图15 施工期监测布置及监测结果曲线
4、注意事项
1）不锈钢结构杆的加工和安装精度应符合设计和规范要求。部件在出厂前应进行预组装，成品在运输过程中应加以保护。
2）不锈钢焊接时收缩变形量较大。焊接工人应严格按照焊接工艺资格规定的参数，严格控制焊接电流、电压和焊接速度。焊工必须经考试合格，持证上岗。
3）不锈钢棒出厂前应进行研磨、抛光，以减少现场研磨、抛光的工作量。现场安装和焊接完成后，所有部件都需要进行第二次打磨和抛光，以避免因不同时间打磨和抛光而造成明显的表面损伤。色差。
4）缩缝处理时，闭焊时温度应严格控制在25±2度，并在旁边放置温度计进行温度监测。若一天内25±2度内未完成封闭焊接，应停止焊接，第二天25±2度继续完成。
5. 结论
伞形不锈钢结构施工过程中，通过BIM模拟施工条件组织施工；通过midas软件进行整个施工过程模拟分析计算；施工过程中对结构关键控制部位进行健康检查；梳理了质量控制要点，在施工过程中进行了重点控制，确保伞形不锈钢结构的安装精度、焊接质量、外观得到良好控制。并编制形成了不锈钢结构施工验收标准和不锈钢结构焊缝探伤标准。为不锈钢作为主要受力结构在建筑工程中的推广应用奠定了相关技术基础。
关于作者
1. 王兆东，袁浩阳，贾连军，南京筑信建筑工程有限公司
2. 罗仁义，中建八局有限公司总承包公司
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