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摘要：本文对昆明新科技馆幕墙钢结构工程的施工图设计、加工图深化、施工安装遇到的难点及解决方法做了介绍。
关键词：空间异形幕墙，钢结构
一、工程简介
昆明新科技馆效果图（图1）
云南省科技馆新馆是云南十大标志性文化设施之一，位于昆明市呈贡新区吴家营片区，总用地面积：99892m，总建筑面积：总建筑面积：58995m2，幕墙面积：55427m2，结构总高度约40m。设计荷载：基本风压值：Wo=0.30KN/m ；基本雪压：W=0.30KN/m（按50年一遇考虑）；地震设防烈度：8度，地震加速度：0.20g；地区粗糙度：B类；最大极大值风压系数及最小极小值风压系数按照北京交通大学2011年12月提供的《云南科技馆新馆风洞试验报告》取值。
其中面积最大、难度最大的为屋顶鱼鳞状铝板幕墙系统，本文将对此系统支撑钢结构的施工图设计、加工图深化设计及施工安装工艺进行简单介绍。
二、钢结构的施工图设计
1. 鱼鳞状幕墙系统
本系统的展开面积为40642m2，铝板幕墙分格尺寸为1.0m~1.2m边长的菱形，开缝叠接，呈鱼鳞状（图二、图三）。
鱼鳞状铝板幕墙BIM模型（图二） 鱼鳞状铝板幕墙模型局部放大（图三）
铝板幕墙通过转接件由钢结构次檩条（φ114x4钢管，材质Q345-B）支承，次檩条沿铝板分格单向布置，间距同铝板宽度。主檩条（φ194x5钢管，材质Q345-B）沿铝板分格另一方向布置，间距约6m（图四）。主次檩之间采用叠接方式连接，主檩条通过短柱与主体结构连接（图五）。
主次檩TEKLA模型（图五）
2. 结构力学分析
本结构虽为球壳形状，但并不能简单地将其结构形式归为壳体结构，应根据构件连接形式、跨度、截面大小等情况进行具体分析。
对于次檩条，虽为曲梁，但相对于其跨度（约6m），拱高很小（约0.1m），且弯曲平面与荷载方向有较大夹角，同时，次檩条与主檩条为弱连接（叠接，螺栓连接），无法约束构件轴向变形，故次檩条应简化为多跨连续梁进行计算，按照结构力学公式进行计算即可。
对于主檩条，亦为曲梁，其拱高（约0.15m）相对于跨度（约6~9m）亦不大，受力亦趋近于多跨连续梁，但因主檩通过钢立柱与主体连接，若按单纯的连续梁计算，忽略杆件轴向内力，即忽略立柱的水平推力，这对立柱是极不利的。故主檩条需按照曲形的多跨连续梁进行计算。实际计算中，主檩条根据建筑外观模型及现场实际支承情况整体建模计算（图六）。
主檩条整体建模，采用MIDAS进行力学分析（图六）
本结构需要考虑的荷载为恒载、正负风压、雪荷载及地震作用，主次檩均每隔约30m断开，采用芯套连接，一端打胶不焊可滑动来释放温度变形，计算时不再考虑温度荷载。
通过分析得知，次檩最大应力出现在主次檩连接处（连续梁支座），主檩条最大应力出现在立柱柱顶（由于杆件纵向推力产生较大弯矩），与预估是相符的。
3. 节点设计
a. 主次檩连接节点
主次檩采用叠接，螺栓连接（图七）
主次檩连接节点（图七）
采本结构为不规则的双曲面，曲梁弯曲半径多变且无规律，若为平接需采用相贯焊，对精度要求极高。改为叠接方式，可使次檩条的加工误差不影响结构安装，大大降低加工与安装的难度。同时，主次檩采用弱连接方式，可减小温度变形对主檩的影响，降低主檩内力，对结构受力也是有益的。
b. 主檩条与主体之间的连接
主檩条采用钢短柱与主体连接，立柱内力最大处的上下端节点均设置加劲肋加强。考虑施工便利，立柱在中部内力较小处设置芯套连接（图八）。
主檩与主体结构连接节点（图八）
三、钢结构的加工图深化设计介绍
对于异形空间结构，加工图的深化对构件加工的质量和效率其到很关键作用，此处对本工程钢结构加工图深化步骤做介绍。
1. 将空间双曲模型拟合成平面单曲模型
原始模型中，钢结构为双曲杆件，无法精确加工，需拟合成单曲杆件。根据材料订购情况，杆件的订料长度为12m，将双曲杆件划分为12m一段，通过曲线两个端点及中点确定局部坐标平面，将曲线上其余定位点的Z向坐标修改为0，实现空间曲线转变为平面曲线的目的（图九）。拟合后的曲线与原曲线偏差小于10mm，满足误差不大于20mm的要求。通过编写CAD LISP语言，可自动完成本步骤。
双曲杆件转换成单曲杆件（图九）
2. 根据支座实测坐标修改模型
主体结构误差较大（20mm~150mm），为了使与主体连接的钢柱加工图与实际模型一致，减少现场修改构件的工作量，提高安装效率，测量出支座位置的实际坐标，返回给设计师修改模型，使加工图模型与现场情况一致，确保杆件顺利吊装。
3. 将修改后的CAD模型导入TEKLA，生成钢结构的实体模型
通过TEKLA建立实体模型，组成构件，进行分区、编号、处理相贯线尺寸、出加工图，并通过TEKLA模型进行工程进度的控制，实现施工BIM化（图十）。
通过TEKLA模型来进行工程进度安排（图十）
4. 在CAD中对TEKLA生成的加工图进行后期处理
TEKLA对不规则曲线生成的尺寸标注无法满足加工厂要求，需通过CAD进行后期处理。编写LISP语言，自动完成杆件标注工作。
构件布置图及加工图（图十一）
项目部根据业主要求、工作面条件、供货情况、加工厂进度等将整个工程分割成十几个区域，并根据现场的实际情况进行动态调整，从TEKLA模型中提取模型及对应图纸，交由加工厂加工，现场施工队进行前期准备，实现加工图纸和生成安装的无缝链接。
四、钢结构的施工工艺介绍
本节对本工程的施工存在以下难点及解决办法进行简单介绍：
1. 构件均为双曲线，加工难度大；数量众多，曲率无一相同。
加工图深化设计时，将双曲线拟合成单曲线，两者偏差控制在20mm以内，当偏差大于20mm时，简短构件长度，即可满足误差要求。每一根构件均绘制详细的弯管加工图，编上唯一编号。项目部根据施工进度安排，挑选对应的杆件加工图提交加工厂加工，工人加工完毕后用红漆在管端内壁标注上编号，到场后分区堆放。
3. 主体误差大；
主体误差达到150mm以上，如按理论模型加工，杆件将无法安装。
施工队根据安装进度计划，提前测量下一施工区域的支座坐标，返还设计师。设计师修改理论模型，重建主檩与主体结构连接的立柱（主、次檩条模型不变），并使立柱与主檩条垂直（使柱顶成为标准件，减少加工工作量）。采用这些措施后有效地消除了主体误差的影响。
4. 杆件安装定位困难。
所有杆件均采用汽车吊吊装，但若起吊后再进行杆件定位则效率极低，达不到工期要求。本工程按以下方式进行施工，大大提高杆件吊装效率，同时有效降低安装成本。
1）设计师向施工队提供立柱长度（主体外表面到主檩条外表面）及柱顶坐标，工人采用钢筋代替立柱，下端焊接于支座中心（在测量支座实际坐标时已标示出），钢筋上端坐标由全站仪控制。短钢筋焊好之后，立柱的长短和朝向便可确定出来。
2）在支座位置焊接芯套，要求芯套中心与钢筋中心重合，朝向与钢筋一致。
3）在主檩条表面弹出与立柱相交的中心线（可由TEKLA模型获得），立柱焊接于主檩条上；由于在加工图深化阶段，已重新建模，所有立柱均垂直于主檩条，故立柱朝向很好确定。
4）弹出主檩条的外弧线，在外弧线的两端和中点贴上反光片。
5）起吊。主檩条上的钢立柱插入主体上预焊的芯套，并推入芯套内直到顶到钢筋端头，檩条支座位置平面位置及高程即可确定下来；再用全站仪定位檩条外弧中点的坐标，确定檩条朝向，通常经过微小调整后即可定位完成。
钢筋、芯套的定位和焊接无需吊车，可由工人提前完成。檩条起吊插入芯套即可定位又可当临时固定，仅需再对檩条中点坐标进行测量校核，大大提高安装效率，降低吊装成本。次檩条的安装采用类似思路，预先定位主次檩连接的槽钢，吊装次檩时不再进行定位。
昆明新科技馆因其独特的外观造型使幕墙工程从设计到施工的难度均很大，特别是钢结构工程，不仅起到支承幕墙的作用，还决定了整个建筑的外观效果，从施工图设计、加工图深化到施工安装都不能采用常规方法来进行，需要开拓思维，另辟蹊径，借助多种软件及计算机语言去完成。同时，本工程全面采用BIM设计，结构分析、加工图深化到项目进度管理无缝链接在一起，确保工程安全、精确、高效地完成。工程开工将近半年，工程进展顺利，难度最大的主檩基本安装完成。
现场施工情况（图十二）
论文作者:邓波生
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第13期
论文发表时间:2017/10/12
标签：檩条论文; 加工论文; 立柱论文; 模型论文; 幕墙论文; 支座论文; 主次论文; 《建筑学研究前沿》2017年第13期论文;