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设计施工一体化在国外钢结构项目中的经典体现

时间:2015/2/9 18:44:45   作者:施工技术   来源:施工技术   阅读:560   评论:0
内容摘要:加拿大人权博物馆坐落在马尼托巴省温尼伯市(约离美国北部边境50英里),项目面积为24500m2,整个工程造价为3.51亿加元,将成为加拿大标志性建筑之一。最终中标的建筑师安东尼·普瑞德克的设计灵感,来自于加拿大的自然风光和开阔的空间。建成后,项目将成为国家人权教育中心,人权问题高峰论坛所在地,同时其独特的结构体系也将使...

    加拿大人权博物馆坐落在马尼托巴省温尼伯市(约离美国北部边境50英里),项目面积为24500m2,整个工程造价为3.51亿加元,将成为加拿大标志性建筑之一。最终中标的建筑师安东尼·普瑞德克的设计灵感,来自于加拿大的自然风光和开阔的空间。建成后,项目将成为国家人权教育中心,人权问题高峰论坛所在地,同时其独特的结构体系也将使其成为一栋“特别的建筑”。

 

    吉姆·希尔公司是结构设计顾问,由于结构视角、工程几何造型极其复杂,结构构件彼此错综交汇,使用现代化的结构设计工具及三维建模与造型技术解决设计难点非常重要。同时,这些结构特性彰显了使用钢结构体系的可行性以及优越性。本工程使用钢框架结构的优点包括:结构本体的自重较轻;更经济合理的基础选型;复杂交汇杆件连接节点的可靠性与可实施性;柱距、跨度较大的楼板的可建造性以及使用周期内建筑空间重新分隔的适用性等。

 

    自然之美

 

    该建筑的组成部分让人联想到各种自然形态,包括冰山、树根、鸽子的翅膀、山峦等,这些都寓意人类有一个更美好的世界。而将这些复杂的造型、意象转换成可以实施的结构物,其解决方案是将整个复杂形体离散为多个独立部分,从而可以各自独立的建造、安装,直至整合一个完成的结构物。

 

设计施工一体化在国外钢结构项目中的经典体现

    项目的主要功能区域

 

    整个结构总体是由4个与主楼大厅成放射布置的“树之根”、1座位于“空中山峦”下面的“光影花园”、“彩云”以及“希望之塔”组成。1个50m高、名曰“希望之厅”的中庭位于建筑的背部,它切入“树之根”以及“空中山峦”,形成一个“峡谷”造型;“希望之厅”连接各画廊的为环形斜坡。“树之根”包括了博物馆的几乎全部功能房间,由倾斜的各自独立的混凝土墙体以及钢屋盖组成。斜肋框架体系的“山峦”包含较多的展览空间,竖向及水平钢桁架-框架体系的“彩云”包括办公区域以及一个大空间的中庭。在塔楼的最顶端,采用钢框架体系的“希望之塔”,高达100m,给游客提供了一个极佳的观景空间与视角。整个博物馆由长达1000m的供行人行走的、带局部桁架的钢框架体系坡道贯穿。所有这些独立结构均由空间混凝土墙体连接钢结构框架支撑,并覆盖多曲面玻璃幕墙系统。整个框架体系是由5622t钢材,16000个配件以及165000根螺栓组成。

 

    山峦画廊是由地面以上18m高处5个不规则石块状的形体组合而成。这样的结构元素使得其结构设计异常复杂,设计难点包括不同结构构件、连接节点的复杂应力状态、大跨度空间的设计、空间不规则倾斜的表皮设计以及非常规的传力路径。对于一般结构,竖向荷载或多或少还是直接传至于基础,譬如,梁板体系是通过柱子传递竖向荷载,但这个博物馆的复杂几何造型导致整个楼板体系的工作状态更像是膜或者是承受轴力和弯矩的板单元,就像从洛杉矶去纽约,却在墨西哥城绕了个弯。

设计施工一体化在国外钢结构项目中的经典体现

    建筑师安东尼普瑞德克对博物馆的最早创意

 

    一个让设计难度进一步增加的问题是,整个山峦的低区需要通过从一个不成比例且很短的被悬挑端悬挑出来。结构设计时,考虑将悬臂部位的顶部及底部楼板考虑为一个传递水平力的构件,并在悬臂时形成力偶以形成一道新的抵抗倾覆力矩的防线。悬臂端与混凝土竖向构件的连接节点的详图设计,同样是一项极富挑战性的工作。钢结构构件与混凝土竖向构件的连接节点为大量伸入混凝土的抗剪连接件。幕墙的重量,较大的展厅楼面荷载以及“希望之塔”传递而来的竖向荷载,均要求“空中山峦”的构件在安装时具有一定的起拱量,以保证其在正常使用荷载状态下能够压至设计标高。山峦最端部的荷载需要由6块500mm×100mm的板件拼成的一根500mm×600mm截面的网格状构件承担。整个悬臂的钢结构在深化设计时同样需要整体起拱,以确保在正常工作状态承担竖向荷载时各控制点达到设计标高。这部分结构在安装时是支承于由液压千斤顶顶住的安装胎架,当所有钢构件均已安装完成,混凝土均已浇筑完成后,安装胎架与液压千斤顶才可以小心地拆除。

 

设计施工一体化在国外钢结构项目中的经典体现

 

设计施工一体化在国外钢结构项目中的经典体现

一个连接多根构件的尺寸达“19.7英寸×23.6英寸”的复杂钢结构节点

 

    光滑的“彩云”造型建筑内包含大中庭,博物馆办公室以及光影花园。整个“彩云”结构造型,是通过从“树根”至彩云顶高达30m的型钢柱支承曲线形环梁搭设而成。3层半圆周形的博物馆办公室楼板环绕着中庭,同时,楼板还作为30m高的框架柱的侧向支撑以提高框架柱的稳定承载力。

这些钢结构构件的连接设计必须考虑到如下因素:同一节点处各杆件截面各异,节点力巨大以及连接在同一节点的杆件数量很大;同时,还需考虑到由于建筑、机电、幕墙等专业所需求及附加的连接件。设计时,使用Tekla Structure 3D建模软件进行建模设计,然后投影至2D平面图纸中用于进一步的加工和安装。

 

设计施工一体化在国外钢结构项目中的经典体现

    “山峦”结构物中的“A”形装配件正与混凝土芯筒进行连接安装

 

    结构钢框架的复杂性对钢结构安装精度提出了极高的要求。多种现场监测以及测量工作的开展,确保了复杂三维造型曲面以及其它对几何造型要求极高的结构构件精确安装。为了确保结构关键钢构件的竖向与水平位置的精确性,钢结构安装时,在三个不同位置使用了巨大的能承担500t的大型临时支撑。同时,兼用钢构件起拱等措施,并对浇筑楼板混凝土甚至何时安装幕墙系统均作了严格的施工组织安排。由于当地气候条件的原因,整个钢结构在合龙前需要经历至少60℃的温差变化。由于必须保证使用阶段混凝土楼板密封连续,任何钢结构节点在其成形状态有额外的碰撞是绝对不允许的。在施工阶段,如果所有的钢结构构件、节点、混凝土剪力墙完全“锁死”将导致墙体承担极大的附加温度应力,甚至将超过混凝土墙体的极限承载力。为此,各板单元与钢结构的连接节点多采用了施工时临时滑动节点,直至温度应力可以较好释放以及整个结构物的温度场已处于设计预定的可控状态,再将滑动节点锁死。采取上述施工措施,整个工程工期超过16个月,施工后无论是构件的应力水平、稳定承载能力还是构件的实际标高均完全符合结构设计的要求。

 

设计施工一体化在国外钢结构项目中的经典体现

“山峦”形建筑物的早期结构方案

设计施工一体化在国外钢结构项目中的经典体现

 

    共享信息

 

    项目伊始,使用信息共享工具以及虚拟模型开展设计,当时这些还被认为是新鲜事物。但很快,随着项目的开展,设计团队意识到对于这样特别的建筑物,采用全新的工具极其重要。对于这个造型复杂的建筑,吉姆·希尔设计团队研发了一套成熟的工作模式去利用BIM软件工具,并进行了相关的软件定制工作以适应项目的特殊性,进而满足其它复杂工程的需求。

设计施工一体化在国外钢结构项目中的经典体现

为复杂造型外表皮搭设的型钢以及宽翼缘截面钢框架

设计施工一体化在国外钢结构项目中的经典体现

三维实体模型以及虚拟现实技术建造的AESS“彩云”屋盖钢结构细部

    从2004年与CATIA软件结缘,2008年继续发展至使用完全的Revit软件解决方案,设计团队逐渐在传统的2D图纸以及说明文件作为设计成果的基础上,融入项目三维模型作为设计成果的有力补充。在设计完成进入安装与施工阶段时,BIM流程也随之进展到钢结构制造商沃特公司。基于公司对复杂工程解决方案的经验基础,沃特公司使用Tekla软件继续定义和控制整个项目的几何造型,设计钢结构连接节点,研究现场临时施工措施的解决方案,优化安装与施工过程,并与相关的各顾问方进行协同工作。使用来自设计团队的三维模型,最大限度地减少了重新建模的复杂繁冗的工作,有效避免了可能的反复过程,这在需要完成数以千计的加工图纸时显得尤为高效,因为Tekla软件可以基于三维模型生成可用于工厂加工的构件详图。这个工作模式,使得设计团队可以确保整个加工深化的钢构件与几何造型完全符合设计意图,并大大减轻了深化图纸的审批工作量。

 

设计施工一体化在国外钢结构项目中的经典体现

已施工完成的钢框架

设计施工一体化在国外钢结构项目中的经典体现

一个关键的细部考虑是通过立面看起来是哑光的涂料等设置,使得斜坡道的连接节点可以巧妙地隐藏起来

设计施工一体化在国外钢结构项目中的经典体现

Tekla三维实体整体模型

设计施工一体化在国外钢结构项目中的经典体现

用于搭设跨越希望之厅人行坡道的高度较低的桁架结构

设计施工一体化在国外钢结构项目中的经典体现

博物馆用钢量超过5600t

 

    最终,BIM的优势——完美的三维可视化技术,对于项目各顾问方信息的高度共享——得到了项目参与各方的高度接受与认可。不仅因为它是控制整个设计流程最好的解决方案,同时还是一个能提供钢结构预拼装方案,允许工程评估、实现项目全过程控制与管理以及提供完美的虚拟技术等工具。人权博物馆项目也被认为是加拿大第一个在项目设计以及施工阶段通过三维BIM模型进行多专业、实时协作的大跨度复杂工程。整个项目协作团队来自北美和欧洲8个城市40个顾问团队,他们共同的目标是要建造一个能代表人权进步的杰出建筑艺术品。


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