某极地海洋公园场馆钢结构深化设计技术

张 文 李昊坤 仇 峰 朱 桦

中建钢构江苏有限公司 江苏 靖江 214532

1 工程概况

某极地海洋公园工程分为核心游乐区及服务配套区2个区域。核心游乐区由9座动物展示场馆、6座独立的商业餐饮建筑、5个非景观大型构筑物、若干后勤配套用房、4组大型游乐设施和6个小型游乐设备组成。服务配套区由1座主题度假酒店、1座立体停车楼、1座后勤办公楼、1座员工宿舍楼及若干配套用房组成。总用地面积约297 000 m2，总建筑面积约205 000 m2。该项目是目前世界上最先进的第五代大型海洋公园（图1），建成后将有望成为华东地区乃至辐射全国的大型休闲旅游目的地。本文重点介绍项目钢结构工程深化设计的整体思路及技术。

2 结构概况

项目钢结构部分主要由冰山北极馆（山体钢框架）、火山鲸鲨馆、冰雪餐厅、企鹅天幕馆、海豚表演场、欢乐剧场等组成，钢结构分布广泛[1-2]。

本工程结构形式明确，大部分为圆管或H型截面梁、支撑、桁架与柱相连的空间网格结构及立体网架钢屋盖，且安装结构面大。圆管杆件36 000余根，总工程量约6 000 t。

图1 极地海洋公园效果图

3 项目钢结构深化设计整体介绍

大型游乐场馆钢结构多以空间网格结构为主，此类结构往往钢构件截面类型较多，构件数量多，部分相贯节点存在多根杆件交汇，如冰山北极馆、火山鲸鲨馆、冰雪餐厅等。场馆屋面造型新颖，多以管或管桁架组成的立体网架钢屋面为主，如企鹅天幕馆、海豚表演场、欢乐剧场等。下面重点分析各场馆钢结构的深化难点。

3.1 空间网格钢框架结构深化设计技术

冰山北极馆、冰雪餐厅、火山鲸鲨馆的山体部分均为空间网格钢框架结构，钢柱、钢梁及钢支撑均为圆管截面，材质为Q345B，圆管柱截面为φ460 mm×18 mm、φ245 mm×16 mm、φ203 mm×14 mm、φ194 mm×12 mm，钢梁截面为φ194 mm×12 mm、φ140mm×10 mm、φ152 mm×10 mm，钢支撑截面为φ140 mm×6 mm，梁柱采用相贯连接。初步采用Tekla Structures进行深化建模、出图。在冰山北极馆模型（图2）中，红色为雪国列车轨道下混凝土楼层板，雪国列车轨道围绕整个冰山馆及其场外，由于轨道标高跟随轨道轨迹渐变，且轨道下部受力较大，故通过计算增加斜撑来保证其受力及稳定性。

图2 冰山北极馆模型

由于杆件为圆管，且数量大，这给建模造成了很大困难，为保证杆件截面、定位的准确性，显然不可能逐根杆件建模。将结构计算线模进行分层处理，根据Tekla软件的CAD图纸导入功能，将线模赋予相对应的截面和材质并逐层导入Tekla软件中，建立杆件模型，然后根据结构图纸逐一检查杆件的参数[3-4]。

柱梁、支撑圆管节点均为相贯节点，且数量在整个工程中占比较大，为保证网架的拼装精度和安装精度，钢管杆件的下料切割精度须准确，因而对模型中杆件的切割精度提出了高要求；由于相贯节点数量多，且有些节点为多个杆件相贯，采用普通的多边形切割较困难且工作量较大，这就需要用到Tekla中的“Tube-Saddle＋Hole”节点，遵循“次要构件贯主要构件，梁贯柱，斜撑贯梁、柱”以及现场杆件贯工厂构件及其他原设计规定的特殊原则，并按照现场安装顺序，将模型杆件贯口依次开设。此种做法提高了模型的精确性，大大减少了建模的工作量（图3）。

图3 Tube-Saddle＋Hole节点属性及梁柱斜撑相贯模型

本工程结构安装面积大，施工作业面广，安装施工作业面高度高，如何做好分段来降低现场安装难度也是整个深化过程中需要重点考虑的。除遵循设计规范、制作及运输、焊缝焊接及探伤空间等常规要求外，还应充分考虑整个工程的实际状况，根据现场条件及工程结构特点充分考虑构件分段方案。主要从2个方面考虑：

1）冰山馆每个网格为2 m×2 m×2 m，将2根钢柱及中间的钢梁斜撑在工厂里焊为一个整体形成一个构件，然后分区、分类型进行构件编号，并通过散发杆件与该构件现场焊接。此种做法编号清晰、分布明确，减少了现场的焊接工作量，降低了现场安装难度（图4）。

图4 工厂构件与现场杆件组拼整体模型

2）对于未与地面混凝土连接的钢柱，经与原设计沟通并征得其同意，采用将首层网格处钢柱断开并与钢梁、斜撑组成一榀管桁架，然后与两侧钢柱现场焊接。此做法大大减少了现场胎架的铺设，提高了现场安装的方便性及经济性（图5）。

图5 断开钢柱并与梁、斜撑组拼模型

冰雪餐厅、火山鲸鲨馆的山体部分的结构形式与冰山北极馆大同小异，其主要变化在于建筑本身的造型及外部轮廓变化，内部的钢截面类型及结构节点形式都基本相似，故不再多做介绍（图6、图7）。

图6 冰雪餐厅模型

图7 火山鲸鲨馆模型

火山鲸鲨馆东侧由钢桁架、钢梁组成，材质为Q345B及Q390GJC，钢桁架、钢梁由H型钢梁组成，南北长度约46.8 m，东西长度36 m。立面桁架两侧为钢骨混凝土柱，钢骨为H型钢和十字钢（图8）。这就需要充分了解土建的配筋图，将混凝土钢筋建入模型中，做好混凝土钢筋与钢柱的连接（穿孔、机械连接或搭接）处理，以保证混凝土的内部强度。

由于跨度大，部分钢梁须作分段处理，除考虑现场临时连接措施外，还应根据设计要求对分段钢梁做工厂预起拱。优先采取钢梁分段前，工厂车间对其整体起拱，然后将钢梁按位置分段。

但由于车间空间及设备的局限性，无法进行分段前整体起拱，这就需要对每段钢梁单独起拱。根据整根构件建立分析模型，创建数值公式并根据整体起拱值和整个构件长度进行计算，进而算出每段构件工厂起拱的长度。经工厂对2种预起拱方法的比较，2种方法的起拱效果几近相同，完全满足了原设计对构件的预起拱要求。构件分段后预起拱方便了工厂加工，降低了加工难度[5-7]。

3.2 立体钢网架屋盖深化设计技术

本工程的立体钢网架屋盖形状较多，有圆弧形、曲面网架型、多边形网架型，存在涉及专业面广、结构复杂、跨度较大等特点，如何依据设计图纸，更好地满足项目构件的制作与安装，是深化设计质量控制的重难点。

1）合理利用软件精准建模、出图。屋盖网架结构复杂，利用AutoCAD、Tekla软件及自行开发辅助插件进行建模、出图；在深化图纸中提供胎架坐标用于现场拼装，同时提供安装坐标用于现场就位安装，通过精准的坐标点控制，从而达到有效保证现场构件拼装、构件安装精度的要求。

2）处理好与各专业的协调配合。钢结构屋盖与土建、金属屋面、排水、马道等各种专业存在交叉，深化设计过程中除精准地表达结构图纸及建筑图纸的内容外，还应根据各专业的条件图，将与钢结构交叉的部分统筹考虑进去。各专业交叉部分存在矛盾或冲突的，应组织各专业图纸会审，将问题在钢结构深化前期系统解决。

3）合理优化结构图纸。通过图纸会审及设计工艺评审对工程结构、构件规格和材质、节点形式、制作工艺、吊装分段、打包运输等方面进行研讨，在满足计算条件下，以提高工厂加工效率、节约成本、缩短工期为基本点，合理提出优化方案，并得到原设计同意后方可实施。

4）通过辅助计算服务现场安装。钢结构屋盖跨度较大，深化设计阶段对屋面结构模型进行受力分析和验算，并进行预起拱设计，计算出各个部位的坐标预调值，在深化设计图纸中表达，从而指导车间制作过程，进而保证项目现场拼装及安装位置。

场馆钢结构屋盖虽然形状不一，但类型相似，通过剖析重难点并采取有效措施，从而实现钢结构屋盖深化工作的顺利完成（图9～图11）。

4 结语

图8 火山鲸鲨馆东侧屋顶层钢结构模型

图9 企鹅天幕馆屋盖模型

图10 海豚表演场屋盖模型

图11 欢乐剧场屋盖模型

本工程场馆多、结构复杂、造型独特、多样，且工期紧、任务重，给深化设计及现场施工带来了不少挑战。但是我们根据多年的深化经验，合理利用各方资源，熟练、精准地发掘重点、剖析难点、综合考虑，最终使项目的工期、质量、安全得到了有效保障。