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中冶成工建设有限公司,嘉峪关气象塔海豚造型 钢网壳施工技术,一 、 工程概况 嘉峪关气象塔位于甘肃省嘉峪关东湖风景区内景观广场中轴线上，是该市的标志性建筑。 由国家气象局和甘肃省嘉峪关市政府联合投资3400多万元，总建筑面积5278平方米，总高94.94米，是目前国内最高的气象塔。 由裙楼和外挂“海豚”造型钢网壳的塔楼组成。,海豚状网壳采用2726根直径89-219mm的钢管对接焊接构成。围绕核心筒共有24根立杆、30层环杆和斜杆。 网壳在3、6、9、11层通过水平拉压杆连接在钢筋砼核心筒体以及观光层外环钢梁的半球支座上。,二 、工程特点,海豚状网壳结构造型复杂。 高空安装定位点多。 定位数据计算繁琐。 制造难度大、精度要求高、高空操作业困难。,三 、工程难点 1 制造难点 网壳的相贯线三维建模复杂、相贯线杆件的切割精度求高。 高空定位焊接操作难度大，焊缝质量要求高。 立杆为空间折线结构，立杆的加工精度的保证。 焊接变形的控制。,2 测量难点,立杆、小拼单元的拼装测量 对空间坐标进行转换，便于立杆、小拼单元的地面加工与拼装 。 高空安装组对三维定位测量 定位观测时受钢框架、脚手架等障碍物阻挡，定位立杆空间方位角各不相同。,3 安装难点,安全技术措施 钢网壳高度高，高空安装难度极大。 网壳结构的吊装 组成网壳的吊装单元都是不稳定结构，在吊装过程中容易变形。,四 、施工与测量,1、杆件加工 2、测量定位 3、小拼单元的组装与测量 4、网壳安装的安全技术措施 5、小拼单元的现场定位拼装与吊装 6、“海豚”头部拼装与吊装 7、“海豚”鳍的拼装与吊装,1 杆件加工,海豚结构钢网壳计算机建模,相贯线切割加工,立杆的制作,1-钢平台 2-链杆组 3-立杆 4-卡环 5-支杆 6-磁座 空间定位工装示意图,立杆（Z,X）平面坐标示意图,立杆的焊接,立杆同径对接接头示意图,立杆变径对接接头示意图,2、测量定位,（1）、测量控制网的建立 因气象塔网壳中的混凝土筒体四周基本上是封闭的，故选择在塔体四周地面上布设6各测量控制点，实施远距离实施定位观测。为避免定位网壳顶部时，竖直角过大观测不便及影响定位精度，布设的控制点均距塔体中心150米以外，大体均匀地分布在塔体四周，任何一个定位点都能与6个观测墩之一通视。由于控制点直接用于安装定位测量，不仅使用频繁，且观测时间很长，对稳定性有较高要求，因此全部采用带强制对中装置的钢筋混凝土观测墩。,控制点采用闭合导线形式连接，平面部分采用莱卡全站仪按1级导线的技术要求观测，高程部分则采用索佳数字水准仪按二等水准的要求施测。网壳设计坐标采用的工程坐标系统，原点设在气象塔混凝土筒体几何中心，以“海豚”的对称轴为Y坐标轴，方向由“海豚”腹部指向背部；顺时针90度方向为X轴，Z轴铅直向上。为将设立的六个控制点纳入施工坐标系统，联测了Y坐标轴线上两个点为已知点，对导线网作约束平差。平差数据处理使用COSA严密平差软件完成，平差结果表明，已知点精度符合要求，六个控制点平面坐标和高程中误差均小于2mm。,控制网略图如图所示。,控制网网型与建筑轴线 注：中心图形为核心筒体，不依比例绘制；Z1-Z3、Z2-Z4为建筑物轴线上的点位，Z2、Z4作为控制网起算点，1、2、3、4、5、6为布设的六个观测墩。,（2）、坐标转换 设计了一套基于AutoCAD系统的图形操作转换方法。根据图形整体变换，不改变其相对空间关系的基本原理，通过一系列图形旋转、平移及变换投影面的操作步骤，实现了吊装单元交点设计坐标，向拼装平台相对坐标的变换。相对于数学计算方法，图形操作变换的显著优点是避免了复杂的计算，可以根据拼装场地实际情况，灵活选择最方便作业的放置方式，并且操作简单、直观、便于检验而可靠性高。,（3）、拼装图的制作,在AutoCAD中完成坐标转换并制作拼装图的具体步骤为： 步骤一：将吊装单元相对应的立杆节点坐标投影到XOY面上，以一立杆底部节点为基点，以两侧立杆底部节点的连线为基线（以3根立杆的拼装单元为例），绕Z轴旋转到使基线与X轴平行的位置。提取旋转后的坐标，将其投影到ZOY面上得到吊装单元水平面上的投影图，投影图反映了吊装组件中立杆在拼装平台水平面上的相互关系。,步骤二：将旋转后的坐标，投影到ZOX面上得到吊装单元竖直面上的投影图，投影图反映了组件中立杆在拼装平台竖直高度方向上的相互关系。 步骤三：若拼装单元两端高差太大，会使得拼装工作操作不便。为此可以在ZOX平面上，以拼装单元中间立杆底端为基点，同一立杆顶端旋转到与底端水平的位置，然后提取旋转后的坐标，将其投影到ZOY面上，重新得到吊装单元水平面上的投影图。 步骤四：在拼装平台设立观测点，以任意坐标测绘拼装平台的范围，将吊装单元水平投影图平移到拼装平台范围内，从图上量取极坐标法定位平装单元定位点的数据。,一个由3根立杆，4层组成的吊装单元拼装图如图2-1和图2-2所示，其中图21中标注了观测站按极坐标法放样吊装单元立杆上下端点的水平角度与距离。 图21 拼装单元横向投影图(ZOY面),图22 拼装单元纵向投影图(ZOX面),组装放样 步骤一：在拼装平台的观测墩上用极坐标放样法，按水平投影图上的数据精确将吊装单元各立杆首尾两个端点的位置，定位在拼装场地上并做好标记。 步骤二：对放样出的点位进行高差测定，通过测得的相对高差确定“地平改正数”，对纵向投影图上的高程数据进行改正，以消除拼装平台地面不平整的影响。 步骤三：考虑要使焊接杆件下侧时便于操作，还需再对竖直投影图放样点高程值统一加一个“高程常数”，即：放样点相对地面高度值竖直投影图上高程地平改正数高程常数。,3、小拼单元的试装,4、 网壳安装的安全技术措施,钢框架三维示意图,5、小拼单元的现场定位拼装与吊装,海豚”网壳主体（小拼单元）安装示意图,小拼单元间散件安装示意图,（1）、网壳安装定位测量,测量定位器,设立杆定位节点设计坐标为 ，所在立杆下一节点设计坐标为 ，棱镜杆长度为，棱镜坐标为 则 ：,根据上述公式计算棱镜坐标简便易行，定位时根据障碍物阻挡情况决定棱镜杆长度后，由编程计算器就可快速计算。吊装时首先使吊装单元立杆下端与下一层上端（已安装好）对接，这时立杆上端即已基本到位，观测人员指挥安装人员移动吊装单元上端，当监测到棱镜坐标观测值等于 时，吊装单元即已处于正确位置。 实际作业时，观测标志可以估计障碍物高度在地面预装，若被阻挡则改换观测站观测，避免了空中安置测量标志的操作，定位工作因而安全、快捷。,（2）、定位精度,如图6所示，O为测站点，P为放样点，S为斜距，Z为天顶距，a为水平方位角。则P点相对测站点的三维坐标为：,按照测量误差理论,从上述计算式可求得三维坐标放样的精 度为： 图6 三维坐标放样原理图,以2秒全站仪Leica TCR 402为例，当测站点至放样点的距离为200 m，竖直角为30时（高程测量最不利的情况），三维坐标放样精度满足：,（3）、单元吊装与空间定位,用C5530塔式起重机将拼装好的吊装单元吊到相应位置后，首先对吊装单元立杆底部进行“限位”，使其对接卡在相对应的下层立杆杆件顶部。然后用手拉滑轮将单元顶部移动到设计位置，由于单元立杆底部已经到达设计位置，如果单元杆件上部能到达设计位置，则定位工作完成。 但实际上由于杆件加工、组装、焊接过程中不可避免的存在误差，底部立杆对接处不会完全对口正确，这时要采用滑轮组对吊装单元立杆做迁引，使上下立杆端口严格对齐。,下面图7是1825层吊装单元吊装时的情况。,（4）、实际精度控制,平面位置定位的实际精度控制 网壳拼接采用杆件对接焊接的连接方式，理论上定位误差应小于1mm。然而 实践中影响定位精度的因素众多，任何一个环节不完善，误差都会超过允许值。实 际上，海豚状网壳本身只是一个外观装饰工程，除安全、稳固的基本要求外，只要 求外形符合设计要求，形象逼真，而节点定位值与设计值相差10多毫米，影响是完 全可以忽略不计的。所以实践中采用的作业办法是： A、装组件地面拼装时，连接吊装组件立杆上下端口的斜杆暂不焊牢，使立杆有一定移动自由度。 B、吊装时若上下两吊装单元立杆端口对接不上，通过手动滑轮施力，利用钢管本身的韧性，强制移动吊装单元，使上下立杆端口完成对接。 C、在此基础上，再定位吊装单元立杆上端到设计位置。 实践证明，按此作业方法，立杆节点定位误差在5mm以内时，均能顺利实现对口连 接，并且定位误差不会逐层积累，不影响网壳外观和往各上层的吊装定位。按此定 位精度要求，观测定位不必采用高精度仪器和繁琐的观测程序，2秒全站仪半测回观 测就可达到要求，操作简单、快捷，极大地提高了网壳安装工作效率，保证了建设 工程的顺利进行。,高程定位的实际精度控制,根据钢结构工程施工及验收规范（GB50205-2001），高度允许偏差为： 注：式中 为钢管长度制造允许偏差； 为立杆长度经核载压缩后的缩短值； 为杆件接头焊缝的收缩值；n为杆件焊接的节数。 实践中发现，由于受杆件加工误差、焊接收缩、端口对接不上而 进行切割修口等诸多因素影响，吊装单元立杆在长度上存在较大误差， 并且表现出趋短的一致性。高程上的定位误差不同于平面定位误差，前 者不会积累，而后者是积累的，所以必须引起足够的重视。实践中，我 们采用逐层测量24根立杆的设计高与设计高的差值，统一对立杆上端口 作一定切割，使同一层立杆上端口相对高差符合设计值。最后通过当累 加到一定值时，通过在较高层位置对立杆作统一加长处理来消除。,6、海豚头部的拼装与吊装,“海豚”钢网壳2535层是海豚的头部，其杆件密集，焊接工作量相当大。由于头部整体重量低于吊车的起重能力，为提高作业效率，安装作业采用地面拼装成型后再整体吊装。地面拼装按八根立杆为一个单元，将头部分为四个组装片，在拼装平台上分别组装后再合拢焊接，最后整体吊装。图8介绍了头部的拼装与吊装过程。,头部组装图 头部吊装图,7、 鳍的拼装与吊装,“海豚”的鳍是整个海豚网壳结构中最复杂的部分，其中侧鳍由206根长短、直径不一的钢管组成，其中一个节点最多有8根杆件对径连接，定位及焊接工作量均很大。侧鳍背腹脊立杆构成一空间平面如图9，平面两侧结构并不对称，但左右侧鳍相对于坐标平面成镜像关系。背鳍由106根长短、直径不一的杆件组成，结构相对于侧鳍较为简单，背鳍背腹脊所在构成的平面为铅直面，左右结构相对于ZOY坐标平面对称。,鳍的组装工序,对侧鳍的拼装采用先对接组成鳍骨架的六根脊线立杆，组装完后将6根脊线按正确的空间关系架设在拼装平台的定位桩上，再焊接斜杆和横杆组成鳍。 （1） 组单杆 根据转换后的数据，绘制纵横向投影图，得到测设定位桩的数据。测设定位桩，通过定位桩定位对鳍的立杆做对口焊接 （2） 鳍脊线立杆定位与斜杆、横杆的拼装 每根脊线立杆由首尾和中间3个定位桩控制其空间位置，在拼装平台上设置18根定位桩后，即可将6根脊线立杆空间位置确定。六根脊线立杆置于对应的定位立桩上，经检验正确无误后，就可以按设计图连接横杆、斜杆拼装鳍了（图10）。鳍在地面整体组装好后，依据塔吊的荷载能力，计算最佳的分割点，将鳍切割成两块分别吊装，在高空合拢。,侧鳍拼装、切割,侧鳍第一段吊装图 侧鳍第二段吊装图,侧鳍的吊装,背鳍的拼装、吊装,尾鳍拼装图 尾鳍吊装图,侧鳍、尾鳍的吊点,侧鳍吊点图 尾鳍吊点图,气象塔工程竣工后的效果图,五 、与国内外技术水平对比,根据查新报告： 国内未见高塔海豚造型网壳施工技术采用了测量定位器、六点的定位方法、钢框架与脚手架结合的措施。,国内未见气象塔曲面外网壳的三维定位安装技术。,该工程的制造技术、测量技术、吊装及安全技术措施是独特的。 嘉峪关气象塔 海豚造型钢网壳施工技术处于国内领先水平。,六、总结 空间曲线采用折线成形，既保证内在质量又保证了外观造型逼真。采用三维整体建模与相贯线切口数据的生成技术，解决了杆件的切割加工。小拼单元制作时采用坐标转换程序计算，减少空中操作的工程量和提高施工质量。 运用专用软件对节点的三维坐标控制。采用专门设计的空间定位工装和测量定位器，实现了制作安装的快速定位，提高了安装效率。,钢框架与脚手架相结合的方式，解决了高空安装施工安全，确保了焊接质量，节约了材料、提高了效率。 科学划分吊装单元，节约了吊