建筑会议中心钢网架与钢结构设计方法

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  胡松波 关杰
  中机国际工程设计研究院有限责任公司 湖南长沙 410007
  摘要:建筑会议中心加工制作是以钢网架与钢结构设计图作为基础,是否能够完善、准确性的进行深化设计对工程施工工期产生直接的影响。深化设计的周期以及深化设计的难度在很大程度上受到施工图结构体系、设计深度的影响。本文以某建筑会议中心作为案例,对建筑会议中心钢网架与钢结构设计方法进行全面探讨。
  关键词:建筑;会议中心;钢网架;钢结构;设计方式
  一、工程概况
  某国际会议中心位于一线城市东部海边,具有独特的造型,建筑总体面积为14m2,分成地上4层与地下1层,建筑总体高度为58m;该国际会议中心以多支撑筒体大悬挑大跨度复杂空间结构体系为主要的主体结构形式。采用钢骨混凝土核心筒结构作为地上支撑筒体,会议中心的中央舞台、观众厅、宴会厅、会议厅、转换平台主要是选择钢桁架结构,弯扭箱形结构作为外围幕墙结构。通过H型刚截面作为桁架杆件与核心筒,弯扭箱形截面利用钢板焊接后用于幕墙构建。该国际会议中心具有结构形式复杂、建筑造型新颖等基本特征,大量多根H型杠杆空间汇交节点用于桁架构件、核心筒的施工中,通过分析节点构造、位置的区别,可以采用铸钢节点、复杂节点、一般节点来划分节点结构。幕墙选择的弯扭箱形构件具有体量大、数量多等基本特征,同时其扭曲构件具有多杆相交密集、超宽、超高等特点,所以,该工程的加工难度、深化设计难度较大,工程构造图如图1所示。
  图1 某国际会议中心工程构造图
  二、核心筒与桁架的深化设计要点
  (一)腹杆连接与桁架弦杆的设计要点
  腹杆与桁架弦杆以米字型进行连接,在连接位置具有焊缝多、汇交杆件多等基本特征,为了防止出现焊缝重叠的情况,在深化设计之前要确保在节点位置相交的翼缘板与节点边缘距离高于150mm,且采用折板使位于节点两侧位置的翼缘板同时使用一块加劲板,按照强节点弱杆件的设计标准,采用折板操作,促进节点区域明显增加,竖向腹杆与斜向腹杆强轴相交时,可以通过节点板架构以及贴板封箱型等对策促进节点有所加强[1]。若竖向腹杆弱轴与斜向腹杆处于相交的状态时,可以将盖板封箱型添加在弱轴一侧位置,从而加强节点。采用深化设计的方式,可以获得焊缝重叠少、传力合理、节点构造简单等效果,与现场施工、加工的具体需求互相符合,为结构可靠性、安全性提供保障。
  (二)核心筒空间和桁架复杂节点设计要点
  该国际会议中心的会议厅边缘、转换平台桁架边缘、钢骨混凝土核心筒顶部位置均应用多根H型钢杆件空间汇交的空间复杂点,详细情况如图2所示。由于杆件间具有角度小、空间关系复杂等基本特征,加上节点位置具有较多的汇交杆件,若按照常规桁架节点的方式无法达到现场施工以及工程加工的需求。对杆件在节点位置的相关性进行分析后,并综合考虑节点构造与车间制作工艺、焊接工艺的相关性,通过相关措施完成空间复杂节点结构、构造等优化设计的工作,以期能达到现场施工、工程加工的具体需求。
  首先,在杆件翼缘位置进行弯折处理,为了给在节点位置设置弦杆加劲板或者直腹杆提供便利,降低焊缝应力集中在节点的情况,应该把斜腹杆翼缘设计为<30度的折角,还将和杆件翼缘有着相同厚度的加劲板增设在折角位置,为有效传递翼缘弯折后内力提供保障;其次,在节点位置杆件上下翼缘添加整版,以圆弧过渡的方式处理角部。若同一标高汇交杆件上存在较多的空间节点时,可以通过上述方式,促进节点位置焊缝明显减少,采用处理角部圆弧的方式可防止应力集中的情况;再次,在节点处杆件进行变坡处理,若节点位置弦杆没有相等的左右截面时,可以合理的把大截面杆件延长至小截面杆件方向,在出节点位置以1:4变坡的方式往小截面过渡;最后,局部节点位置应该进行H型钢封箱处理操作。因为非正交桁架节点以H型钢构件作为汇交的直腹杆,因此相互连接斜向腹杆时会以尖角呈现,出现应力集中的情况,无法保证焊接质量。通过封箱节点处理对策能够有效避免出现上述问题。
  图2 空间复杂节点设计图
  三、会议中心幕墙钢结构深化设计要点
  (一)幕墙结构设计难点
  通常情况下,幕墙结构设计难点主要来自屋盖与幕墙连接节点、与桁架相交节点、弯扭构件相交节点等位置,设计难点主要体现如下:(1)两个扭曲构件相互连接时,相交扭曲面选取公共相交弧线的精度,对牛腿构件产生误差的数值有直接的影响;(2)全部采用弯扭类型的板件,外轮廓板与内加劲板相交时产生较小的夹角,控制构件定型定位有一定的难度[3];(3)同一时间相交多个牛腿时,相交位置获得较小的夹角,内加劲板与牛腿板件焊接有一定的难度;(4)主体构件宽度方向没有超过400mm,设置3道纵向劲板后,造成施焊内部焊缝有一定的难度。
  (二)幕墙结构设计流程
  (1)弯扭零件展开图设计。弯扭构件深化设计工作中零件展开图占据非常重要的位置,扭曲板件长、宽分别为5m、2m,扭曲板两条对角线空间最大的垂直距离为≤0.4m。要按照焊接检测和组拼要求、构件加工精度要求、加工工艺要求等完成零件展开图的设计工作。通过分析不同试验的结构,通过Rhinoceros软件完成零件展开图的设计工作,对弯扭构件加工精度给予有效控制,为弯扭构件加工质量提供保障。通过分析设备工艺的实际情况完成等分处理,在展开图上直接对应标示不同等分点的平面坐标值,且将不同等分点的竖向坐标值有效的提供,通过对角线数据良好的控制以及校核加工过程的精度;对于扭曲较小的构件成形图可以通过三点形成一平面的方式直接定义,前三点与第四点标示构成平面之间的竖向坐标值。
  (2)内加劲板定位图与展开图的设计要点。弯扭构件深化设计工作中内加劲板定位图与展开图的设计具有一定的难度,通过在线模型可以将构件外表面上内加劲板具体定位的相关性全面反映,但不能构成内加劲板的下料尺寸[2]。因为外板扭曲,在给予壁厚后无法将壁厚直接的减掉,在外板扭曲面增加厚度是比较有效的方法,通过求差集的方式将内加劲版要求减少的厚度减去[4]。采用Auto CAD2010软件可以将三维处理功能良好的补充,特别是在扭曲面赋予厚度设计中开发这项功能,能够更为良好的补充工程模型处理,对于其他模型处理存在的不足可全面弥补。   (3)牛腿及弯扭构件的组拼图设计要点。通过空间三维坐标来代表弯扭构件组拼图,为了与车间加工工艺的需求互相符合,构件长边、构件短边、构件厚度分别采用水平X方向、水平Y方向、竖直Z方向来表示。通过相对坐标表示牛腿的组拼定位图,坐标水平面为主构件与牛腿的接触面。
  (4)若弯扭构件节点特别复杂,则要采用焊接工艺流程图来处理。因为构件自身需要密集的增加劲板且大幅度的连接牛腿,因此要全面对比、分析、研究后,按照先后顺序合理调整焊缝施焊,确保主要焊缝质量能够与设计要求互相符合。若焊缝局部有着特别严格的要求且不能保障焊缝质量时,则需要全面优化构件模型,为良好解决工艺问题提供保障。完成构件成型后要直接给予预拼装,从而保障顺利开展现场安装施工。
  四、钢网架与钢结构的设计展望
  综上所述,我国建筑会议中心银网架与钢结构的施工技术已经达到发达国家的基本要求。最近几年,随着我国逐渐深入研究钢结构分析理论以及快速发展计算机技术,为钢结构设计方法的发展与研究提供良好的条件。建筑会议中心高技术发展趋势是目前设计人员需要关注的问题。内容上,高技术化的设计原则主要包括表皮、结构、空间等技术处理原则。空间上,建筑会议中心高技术发展主要在建筑空间简练、有序等方面体现,重视会议中心空间的灵活性以及向同性。结构方面,建筑会议中心的高技术化则在综合运用现代建筑美学、力学方面体现,不但能够与建筑实用的要求互相符合,同时要与建筑结构美学全面符合。在表皮处理技术方面,建筑会议中心的高技术在全面运用现代化外墙材料体现,尤其是出现新型复合材料,为建筑会议中心外观设计的改变奠定良好的基础。
  五、结束语
  大型复杂钢结构工程设计工作中节点深化设计占据非常重要的位置,核心筒和桁架节点由于具有较多的汇交杆件导致深化设计难度有所加大,为了促进节点深化设计能够与刚度、强度的设计要求互相符合,则需要按照焊接条件与节点焊接工作来完成深化设计工作。现今,大多数工程在进行建筑设计时过分重视建筑效果,导致会出现弯扭构建、复杂节点深化加工的难题,因此,相关设计部门对弯扭构件、复杂节点的问题要有效处理,从而改善成本控制以及施工工期的问题,为提高钢网架与钢结构深化设计水平奠定良好的基础。
  参考文献:
  [1]汪道金,曾繁娜.大跨度屋面钢网架(壳)结构施工技术[J].施工技术,2010,39(02):24-26+29.
  [2]周光毅,刘进贵,刘桂新等;大连国际会议中心关键施工技术[J].施工技术,2011,40(04):32-36.
  [3]叶鹏.施工实测缺陷对网架结构性能的影响研究[D].长安大学,2013.
  [4]夏培,程志敏,周观根,雷振宇.大连国际会议中心钢结构深化设计方法研究[J].钢结构,2012,03:37-40.
  作者简介:
  胡松波(出生于1982年12月-),男,汉族,硕士研究生,工程师,主要从事混凝土结构设计和钢结构设计。
  关杰(出生于1982年5月-),男,汉族,本科,工程师,主要从事混凝土结构设计和钢结构设计。
  上接第208页
  内从未有超过三层的建筑,高层建筑的出现无疑会破坏城市景观整体的协调性。在斟酌之后,常茂惠旅馆最终的改建方案在原基础上缩减一层,建筑也采用与周边调和的设计。
  经历了此次事件,居民讨论后决定将“老规矩”立法规范。制定故里景观条例,限定建筑的高度、材料、颜色;对采用古川町传统建筑法的设计进行补助,保持传统街区特色;颁发“古川町建筑设计奖”,奖励符合传统且具有美感的设计。
  2.4.3 改善人居环境
  古川町在城市建设过程中,未必所有的举措在建设之初都会有利于街区整体发展。典型的例子是,曾有一处天桥由于设计不周而占用人行道,破坏了街道上的景观。居民和町公所倾力寻找解决问题的方法,最终天桥被改修成地下道,出入口巧妙地伪装成传统的木造房子,整合了步行区、休息空间、公共厕所。改修后的地下道不仅是居民和町公所交出的一份令人满意的答卷,也是社区营造所强调的社区参与与议题整合得以落实的典范。
  2.4.4 营造休闲空间
  古川町的社区营造令人惊叹的另一个原因是社区营造协会对街区每一个角落无微不至的关心。在社区营造协会与町公所的合作下,街区中出现了更多有利于改善周遭环境、方便居民生活的休闲空间。这一点从无数实例中可见一斑,无论是街角无人继承的照相馆或是将被夷为停车场的建材行,都有了更好的结局——前者被改建成充满人文关怀的茶屋,而后者则被一家由民间与公家资本共同运营的餐厅所代替。这些休闲空间的营造使得古川町的街道富有特色而且适宜日常生活及观光。
  2.4.5 保护城市历史文化遗产
  古川町闻名全日本的另一原因是,当地拥有著名的飞驒工匠及其工匠技艺和工具。飞驒工匠不仅手艺精良,而且富有创造力,当地随处可见做工精良且造型各异的云饰便是最好的印证之一。当地的民宅大多由工匠根据古法建造,完美地保留了当地特色。更加令人惊讶的是,当地年久而需要改建的传统建筑经由工匠之手后,反而会变得越来越好,再次印证出工匠们的精湛技术。
  这门宝贵的工匠手艺在古川町不仅得到了保护和传承,更是被国家指定为珍贵的文化财产好好的保存起来。町公所为了向世人展示这门令当地骄傲的技艺,同时进一步唤醒民众对文化遗产的保护意识,筹建了飞驒工匠文化馆,文化馆通过其建筑本身和陈设在其内部的展品,一并将飞驒工匠技艺的精妙绝伦展露无遗。同时,町公所还在文化馆附近规划建设了广场,带动了周遭的环境改造。
  2.4.6 重视传统节日与习俗
  古川町每年有两项重要的民间习俗,一者是一月十五日的三寺朝拜,另一者是四月的春祭。每逢这两个时节,由当地民众主导的朝拜或祭祀活动都会在古川拉开帷幕,归乡的游子和外来的游客都会被这些盛大的活动所感染。更令人佩服的是,这些习俗不仅吸引了老年人,而且也得到了年轻人的大量参与。全民参与且参与对象不分年龄可谓是古川町重视传统节日与习俗的不俗成果。   居民积极参与传统节日的庆典活动反映出了古川町深厚的历史文化底蕴,而这些历史悠久的传统也是当地社区营造的基础。没有这些传统,古川町的居民也难以凝聚起来,难以寻得对故乡如此之高的归属感和认同感。
  2.5 古川町社区营造对塑造城市特色风貌的启示
  2.5.1 对传统的充分尊重
  无论何时,一座城市都不能忘记它自己本身的面目。丧失传统的城镇如同丧失灵魂的人,随波逐流,泯然众生。一个城市的传统是其最原始、最本质、最吸引人的特色,这是一个城市的魅力和优势,所以尊重传统是塑造一个城市特色风貌的基础。
  具体说来,对传统的充分尊重需要做到:对城市中保有传统风貌的历史街区进行保护、将“老规矩”成文化并且严格的执行、对传统行业和生活方式的保存和延续、重新发掘传统节日和民俗文化的魅力并吸引年轻人的参与。
  2.5.2 “多米诺”式的景观改造
  改造城市景观的最好做法,不仰仗宏大的计划,不需要天文数字的资金投入,不依赖过多的人手,而是从社区中的一件小事开始做起,从一个简单的计划开始实施,把一座建筑、一条街道当作起点,最后的结果却可能是惊人的:清扫河道垃圾这件小事可以演变成数十年的社区营造;放养鲤鱼这一活动带动了濑户川沿河道景观的改头换面;一座飞驒工匠文化馆的伫立让周遭的大片景观也得到了改善。
  这一策略的困难之处在于,推倒环境改造的第一块骨牌如何才能引起接下来的多米诺反应。而事实上,最常见的现象是一条街道路面刚刚整修完成,便不再关心这条街道的基础设施是否影响了景观,或者街道两旁的房屋是否需要修缮,似乎一切都有了交差,似乎已经从西天取回了真经,这样的浅尝辄止除了带来一些心理安慰并不能真正起到坏境改造应有的作用。只有政府真的愿意让城市的街道更加美观,让居民的社区环境更加怡人,让城市展现出特色和魅力,对社区营造给予充分的支持和引导,才能让社区营造的氛围由一个点、一条线逐渐蔓延向覆盖整座城市的一个面,才能以城市某一景观的建造或改善为中心,逐步带动周遭乃至全城的环境改造和个性化塑造。
  2.5.3 将曾经的经历转化为永恒的经营
  一次社区营造活动看似微不足道,但是它能在居民心中播下社区营造的种子,让更多的社区营造活动成为可能。通过一次社区营造的经历,能够让居民发展出对社区和城市的关心、珍惜,进而发展出持续的社区营造理念,通过民众与政府间的协作,将这种情感逐步具体化为优美的人居环境和富有特色的城市风貌。
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