青岛大剧院屋盖铝板格栅设计与施工.doc

青岛大剧院屋盖铝板格栅设计与施工（上） 来源:中国幕墙网 作者:赵西安等 日期:2009-8-13 页面功能 【字体：大 中 小】【打印】【关闭】【评论】摘要：青岛大剧院屋盖铝板格栅工程量巨大，其中铝板格栅截面高度达到7m，其结构新颖，设计施工难度大；本文介绍了屋盖铝板格栅的设计和施工方法，以及在设计施工过程中遇到的重点和难点的解决办法。关键词：铝板格栅 开缝 钢结构设计 点击进入青岛大剧院屋盖铝板格栅设计与施工（下） 本文作者：刘祥峰 张桂平 赵西安 图01 青岛大剧院屋盖格栅效果图1.青岛大剧院概述1.1工程概况青岛大剧院位于青岛崂山区云岭路以西、梅岭路以南、香港东路以北、世纪大道以东，该项目的建成即将成为美丽迷人的石老人景区乃至青岛市的一处地标性建筑。青岛大剧院的设计者是德国GMP建筑师事务所，国内项目合作单位为上海华东建筑设计院。大剧院分为大剧场、音乐厅和多功能厅、接待培训中心和表演艺术交流中心四部分。四个主要功能部分可独立开放而不相互干扰，通过格栅银顶自然的连接，形成有分有合、四面开敞的布局，与周围的广场、绿茵、道路融为一体。2.2建筑意图整体建筑为象形的云雾缭绕的崂山，大剧院主体是“崂山”，架设在建筑上的铝板格栅意为漂浮在“崂山”上面的“白云”。表示山体的高低错落的立面幕墙采用灰色花岗石干挂，而寓意云彩的屋盖格栅采用白色铝合金单板包覆。2. 格栅系统：2.1系统简介青岛大剧院屋盖铝板格栅底部最低点标高为18.820米，最高标高为25.370米，总面积约：117800平方米；铝板格栅截面高度最小为2.5m，最大接近7m，宽度为400mm；铝板格栅立面分格新颖，包覆材料采用3mm厚铝单板，铝板可视宽度一般在1369mm，高度最大达到5300mm，表面处理为3涂层PVDF（如图02、图03）。平面上相互交错的格栅夹角并非直角，且存在多种形式的弧形；格栅立面高低变化，层次丰富；每根格栅在端部都有不同程度的转折变化，格栅相交时为保证标高的统一，格栅的顶部和底部收口板为空间板。图02铝板格栅局部 图03格栅穿插局部图04屋盖格栅平面区域图2.2 系统构造铝板格栅竖龙骨为5号槽钢；横龙骨为L50*4角钢；在节点设计的过程中坚持安全第一、构造防水、不露钉的原则，创造性的使用不打胶的开缝式插接的固定方式,面板通过连接在铝板上的铝型材用M5螺钉固定在横梁上，铝板在边部设计折边，安装时折边插接在专用设计的铝型材中起到固定作用（如图05）。图05格栅典型截面图钢材和铝型材连接处设置4mm厚橡胶垫，防止电化腐蚀的同时也实现了柔性连接起到了防震降噪的作用；铝板安装采用插接，此部位亦设计了胶条，避免气流直接进入幕墙内部的措施，并对接缝处的构件采取的防振动设计，因此不会产生由气流造成的啸声或其他不利影响；同时在可能产生位移、摩擦的部位均设置柔性垫片，避免金属间的移动而产生的噪音；更有效地防止水的大量涌入，当然腔内进入小的毛细水和冷凝水通过科学的设计，并在铝板的底部两边有规律的设置了排水孔引导水的排出。3.格栅系统设计3.1 设计参数取值基本风压： W0=0.7KN/m2 （100年取值）；基本雪压： S0=0.25KN/m2；地震设防烈度：7度；地震动力值加速度：0.1g (按招标文件)；地面粗糙度类型：A类；风荷载体形系数按风洞试验结果取值。3.2 风洞试验和主要风力结果屋盖格栅的方案设计中风荷载是需要重点考虑的设计因素。上下通透的整体外形决定了格栅的风荷载与封闭式结构有着本质的区别，并且不同位置的格栅表面风荷载也会有所不同。因此通过风洞实验来确定该项目的体形系数就变得非常必要。通过制作铝板格栅的刚性模型进行风洞模拟实验，研究不同位置格栅的表面风荷载分布情况，根据实验得到不同风向下格栅模型表面的风压分布，给铝板格栅系统的设计提供有力支持。 图06根据格栅模型测压实验结果，可将屋盖格栅项目分为不同的区域取值,从实验结果来看，处于最外侧的格栅风压分布与其它格栅明显不同；而格栅的悬挑部分也与其它区域有所区别。因此可以将屋盖格栅划分为如下四个区域进行取值，如表1。需要注意的是，由于格栅模型没有模拟出主体建筑对铝板格栅的影响，所以在确定主体附近的格栅系统时，应考虑一定的设计冗余度。单面压力以垂直表面指向内为正；双面合值的正负则以指向格栅内部为正，远离格栅为负，即：南北向格栅以向西为正，东西向格栅以向北为正。上限值为体型系数的最大值，下限值则为体型系数最小值（负压最大）。3.3结构受力分析采用风洞实验的方法确定的体形系数进行结构分析，铝板格栅竖龙骨为5号槽钢，单侧竖龙骨为连续梁结构形式，竖龙骨连接在上下两根H型钢上，上部连接为圆孔，采用受拉的受力形式，竖龙骨悬挂在上边H型钢上，底边采用竖向长孔连接，钢桁架两侧的竖龙骨用5号槽钢连接起来形成钢桁架，提高结构的抗荷载能力，达到整体受力的目的，有效的减小了龙骨截面（如图07）；横龙骨为L50*4角钢，使用螺栓与竖龙骨连接，保证结构的同时，考虑结构在使用过程中的伸缩变形（如图08）。荷载信息：风震组合荷载：qkB=0.9711.383=1.343KN/m平分两份施加于两根5#槽钢立柱上，即每根施加1.343/2=0.6715 KN/m自重荷载：GakB=0.0811.383=0.112 KN/m施加于两根5#槽钢立柱上3.4典型格栅构件的内力分布和变形特点铝板格栅系统中受力较复杂处应属连接面板与钢龙骨的铝合金连接件（如图09），在铝型材的截面和材质选择时，采用ANSYS通用有限元结构分析软件对其进行局部强度与变形分析。在荷载设计值作用下铝型材的局部承压强度达到了142.766MP，据此铝型材的制作材质选定为6063-T6。图09典型连接节点 图10连接件内力分布图 另外根据风洞试验结果分析，屋盖格栅在最边部的部位的风压是较大的，在设计中着重对其加强，在连接上不只是依靠铝板插接在铝型材里面，还在铝板折边部位单独设计连接角码，通过角码连接在系统龙骨上，保证受力的合理性和安全性（如图11) 图11边部加强节点图3.5 温度应力与变形的考虑为适应钢结构大的应力变形以及在主体结构受荷的情况下的沉降，面板也有应对措施，在连接龙骨与铝板的铝型材上铣出长孔，允许格栅整体在产生微小变形的情况下，保证面板的完整与平整度要求；虽然铝型材上的长孔不是很大，但是钢结构的体量是巨大的，相对于钢结构的体量，应力变形及受荷产生的沉降就不是太大了，此两种变形，被多块面板消化吸收，保证了格栅整体的流畅效果。青岛大剧院屋盖铝板格栅设计与施工（下） 来源:中国幕墙网收集整理 作者:赵西安 等 日期:2009-8-13 页面功能 【字体：大 中 小】【打印】【关闭】【评论】摘要：青岛大剧院屋盖铝板格栅工程量巨大，其中铝板格栅截面高度达到7m，其结构新颖，设计施工难度大；本文介绍了屋盖铝板格栅的设计和施工方法，以及在设计施工过程中遇到的重点和难点的解决办法。关键词：铝板格栅 开缝 钢结构设计 点击进入青岛大剧院屋盖铝板格栅设计与施工（上）本文作者：刘祥峰 张桂平 赵西安4 格栅施工安装中的问题4.1 板块模数化、类型格栅的分格也有其独到之处，屋盖格栅工程面板共计117，800m,加工图、加工单的绘制和统计工作量巨大，若无规律可循，那将是非常麻烦的事情，所以在确定分格时，面板在一个大的单元内板块均分，这样该单元内的铝板宽度都是同一个数值(如图12)，只是面板的边角有些许的不同，提高了工作效率。图12铝板格栅局部立面图4.2 大板块的加工成型由于新颖的立面分格和独特的面板安装方式，对面板加工的误差要求是严格的，加工厂要保证板块边长长度在4m以上的，加工误差都必须保证在-2mm以下；板块边长长度在2m以内的则加工误差不得超过1mm。铝合金板的喷涂颜色也是经设计方反复斟酌最终敲定的。青岛大剧院屋盖格栅铝板，大多属于超大板块，因此铝卷开平采用特制高精度的“飞剪”机以及21棍矫平机，可以保证铝板原材的平整度；加强筋采用“U”形折边件，加强筋到折边留一定距离，以保证安装。加强筋安装方向为铝板短边方向。长边方向加边筋以保证铝板更好的刚性。种焊螺栓加密到200mm一档，种焊深度加深到1.5mm；加强筋采用与铝板折边焊接的方式（如图14），充分发挥铝加强筋的作用，以保证强度的同时提高了面板的平整度；运输和工地抬板、放板时注意要垂直地面，保证铝板不变形 图13超大板块图14 加强筋与面板折边焊接在屋盖格栅面板的样式中有截面为弧形的“W”型板（如图15、图16）。该类型板的特点是长度大，长度均在4m以上，截面复杂且带有弧形，加工精度难控制。综合上述因素，铝板的加工图绘制必须1：1放样，精确定尺，采取雕刻机雕刻的形式来裁板并采取分段加工，直段和弧段等单独加工制作，加工过程要不断地校尺以控制尺寸精度。在加工弧段时，首先用雕刻机把该板的底板部分制作出来，再分别来加工该板的两条边，两条边按照所需的半径，分别上机拉弯，然后把各部分组合焊接起来。在解决由于较长的焊缝带来的变形问题，在焊接的同时，采用水冷来降低铝板的温度；再通过设置辅筋的办法，加强板的刚度，提高精度图15 圆弧造型局部图16W型板截面图4.3 防腐措施.外帷幕系统的防腐主要由两个方面组成，首先是不同金属材质接触部位；另外是钢材（焊缝）的防锈蚀：在不同金属材质接触的地方，如面板上的铝型材与钢材连接部位，放置三元乙丙橡胶垫块，防止发生异电位腐蚀。 青岛属于沿海城市，空气湿度大，盐雾现象严重，这对屋盖格栅龙骨、连接件等非常不利。做为屋盖格栅的结构构件，钢材的防腐尤为重要，尤其是焊接点部位，屋盖格栅龙骨采用的是富锌底漆的防腐措施，钢材表面、焊接处的除锈要相当彻底，由人工用一些比较简单的工具，如刮刀、砂轮、钢丝刷等工具，清除钢构件上的杂物及铁锈，除锈等级达到st3.0级。只有这样富锌底漆才能分发挥出其特点，达到持久的防腐目的4.4 安装顺序的确定在施工过程中遵循大的原则是由内而外，支座向悬挑，最后圆弧合拢的施工顺序。具体如先由S轴开始向R轴方向进行，再由U轴开始向W轴方向进行；同时由2/20轴处向14轴方向，随后进行2/20轴处向26轴方向安装。图17平面示意图4.5 构件尺寸、重量过大，吊装采取的措施为了营造格栅银顶的轻盈和灵透，屋盖格栅的结构采用的是钢桁架结构，主结构是上下两根规格为400*200的“H”型钢组成的桁架，次结构主要用来承担铝板格栅自重和风荷载作用，由100*100*10角钢组成。整个工程钢结构体量巨大，为实现建筑意境，工程中还大量采用了大跨度、大悬挑的结构设计，使得单个构件重量多数在10吨以上，钢桁梁单根最重达吨、最大跨度达78m、高5.7m，最大悬挑也有25m，这使得钢桁架在施工过程中大吨位的吊装、精确定位等就变得十分难以控制。图18大跨度效果（铝板安装前）图19大跨度效果（铝板安装后）图20悬挑端效果4.6 主体钢结构偏差过大，格栅的调整适应措施主体结构的大跨度、大悬挑造成了结构在安装定位过程中出现较大偏差；钢结构在施工完成后，由于铝板格栅系统荷载的施加，钢结构整体会有大幅的、不同程度的沉降，其随着时间的不同（如季节、早晚等），沉降数值是不断变动的。图21悬挑端局部效果铝板格栅系统设计初考虑了适应主体结构变形的因素，竖龙骨与主体结构间留有10mm间隙，在固定面板的铝合金连接件与龙骨之间配合4mm橡胶垫。但是在铝板格栅放线完毕后发现，钢结构水平方向的偏差远远超出了该系统的设计值，为此铝板格栅系统的龙骨系统做出了调整，把龙骨在与钢结构干涉部位断开，使系统的调节量由原来的10mm提高到60mm，基本解决了主体结构偏差位移带来的影响（如图22）。图22但是由于龙骨断开，系统受力模型改变，需要增加焊接点，在钢结构主体受荷后，大量的集中焊接，对受力非常不利。因此确定了少量焊接，分散实施的方案，即在一个区域进行了少量的焊接后，变换施工作业面，不同区域交替焊接施工，避免了局部大量受热，保证了结构的安全。4.7 安装过程中主体结构变形、沉降、安装定位标高的预留由于铝板格栅系统的施工，主体钢结构处在一个动态的变化中，随着格栅荷载的不断施加，钢结构也在慢慢沉降变形，标高产生变化。钢桁架转折部位即圆弧处是结构受力方向发生变化的地方（如图中T轴位置），钢桁架向侧面偏转15，就此榀桁架而言形成了悬挑，钢桁架本身由上下弦杆组成，重力施加方向的改变，使两弦杆发生相对运动，造成了桁架在圆弧处发生平面外的扭转，结构本身即存在沉降又有水平方向的偏差，这不仅对设计方案体出了要求，也使屋盖格栅的施工面临着挑战。为此采取现场实测加软件辅助设计的方法，推算得到了钢结构在屋盖格栅施工的过程各阶段的沉降值，作为考虑具体施工方案的依据。以计算的沉降数据为依据，预留沉降量，待龙骨及铝板荷载安装施加后，达到铝板水平线基本一致的设计效果。具体做法如下：根据钢结构加载完龙骨及铝板荷载后的沉降变形数据，对于变形的钢梁，依据数据显示的沉降量，在施工前，假定其已经施荷沉降完毕，钢梁已经处在变形到沉降数据状态中的位置，施工放线时，依据提供的钢结构下降数据把竖龙骨及横龙骨的底部标高按照沉降数据预先升高对于竖龙骨安装，因为是垂直方向，钢结构下降对其受力不发生影响，因此可不做考虑，直接垂直安装即可。横梁安装应考虑钢结构下降所产生的内力，横梁与立柱所连接角码拟采用长条孔，且所连接螺栓暂不拧紧，待全部龙骨安装完毕后钢结构会有一定的下降，能消耗