海安电视塔设计优化实践

邓壮志 夏永琴 周 辉

海安县政府投资项目工程建设中心 江苏 南通 226600

海安广播电视发射塔工程位于海安县城中坝南路与高庄河交界西北侧，塔下机房建筑面积为293 m2，总高度201.8 m，分为塔下机房、塔身、塔楼、桅杆段四部分，由中广电广播电影电视设计研究院设计。该塔创意源于全国闻名的地方花鼓戏——海安花鼓，具有鲜明的时代特色和地方特色。外塔架主体结构（塔身）高度130 m，自下往上共设置环梁25层，自底部由24根斜向对称钢管柱同12组环形横梁相贯节点连接，整体受力均匀，12组环形相贯节点上下交错布置，斜向钢管柱同环形梁连接外形螺旋上升，每个环形横梁同相贯节点组成一个正圆形，塔柱通过不同标高位置的环形梁所在圆直径的变化，实现整个铁塔优美的弧形外观，使其成为一个整体流畅、新颖、独特、充满时代感的现代建筑。

1 建筑设计方案的优化

经审定的原设计方案中（图1），在底部与顶部各4层钢环梁间设玻璃幕墙，以隐藏底部2层建筑并突出鼓形、增加美感。该幕墙及中心电梯管道井围护铝板幕墙需要进行二次设计，招标前邀请有资质的设计单位进行了该部分的深化设计，然后对照所有设计图纸进行施工图预算，总费用在3 066万元，其中塔身玻璃幕墙及电梯井道铝板幕墙688万元、塔下基础及2层房屋206万元、钢结构塔2 012万元、电梯及电气工程160万元。该电视发射塔工程属于县广电中心三期项目，项目立项批准投资2 200万元，预算缺口达866万元，故需要对塔的建设方案进行优化。

图1 电视塔原设计方案

经对工程功能进行分析，幕墙主要是装饰作用，对整个电视塔的使用并没有大的影响，如取消，有利方面为：

1）塔的结构骨感更为强烈，花鼓的造型更抽象，艺术设计上反而得到升华。

2）取消顶部幕墙后，可以有效减小风荷载，从而减小塔在风中的摆幅，有利于电梯在安装、使用中的质量及安全。

3）幕墙施工尤其是顶部4层钢结构梁中的幕墙施工难度较大，且玻璃破损后更换难度较大，取消后也减少了今后工程的维护成本。

取消幕墙后，不利的是塔底2层建筑外观直接外露，对整个塔的局部外观有影响。原设计2层外墙为斜面顺塔形内收，总高度为11.7 m（其中含女儿墙高度0.9 m），建筑1层地面面积415 m2、2层地面面积258 m2，但室内有效面积使用率低；而外墙如不使用幕墙围护，则外墙防水较为困难，整体建筑效果也差。经对内部功能进行研究分析，建设单位必须要使用的功能房间为发射机房、配电室、播控值班室、消防保安监控室，其他设在2楼的办公室及会议室在主楼与附房中均可设相关的功能房间，放在塔下建筑内并非必需；故将该2层建筑变更为1层，外形为直上直下的圆筒状，室内高度6 m满足配电房的净高要求，面积为293 m2，外墙采用真石漆，与附房真石漆外墙面及主楼外面干挂石材互为呼应，一、二、三期建筑整体风格达到和谐统一。

经过与建设单位商定并报有关部门批准，最终由设计出具相关手续，取消幕墙并将底层房屋建筑改为1层，共节约预算投资460万元。

2 结构设计方案的优化

海安电视塔钢结构虽然高度并不突出，结构形式也与日本的神户塔、广州塔和太仓塔有点类似，不过后三者的环梁都是设置在塔体内侧，而海安电视塔环梁是设置在塔面上，采用的环梁与两交叉上升斜柱在同一平面相交，成米字节点连接，整个结构为工厂热浸锌处理、现场高强螺栓连接，是海安电视塔结构上的创新。故对首次使用的技术如何从工艺上来保证达到其效果，是施工中的第一大难题，其关键中的关键就是米字节点的加工。

施工单位中标后，提出将原圆弧形节点全部改成直线构件，通过节点连接成折形结构，认为塔的总体效果应该是远观，而这样远观与圆近似，可以达到设计的效果。

2.1 米字形弧形梁节点的难点

米字形节点段的弧形轴线长度为1 400 mm，相贯焊接斜杆规格为φ426 mm×12 mm和φ325 mm×10 mm。每组节点上要同时控制6组对接法兰，每组法兰有20套高强度螺栓，每组节点有120套螺栓连接（图2），一共300组环梁节点，共计36 000套螺栓。

图2 米字形节点连接示意

根据弧形梁节点加工的环节，对照以往的加工经验，米字形弧形梁节点存在以下难点：

1）中频的弯曲管存在内应力导致焊接变形量释放，变形值不确定。

2）弧形相贯节点焊接收缩量不均匀，焊接变形无法相互抵消。

3）相贯节点空间异面结构，6个基准面不在同一面上，存在胎模无法控制，检测有局限。

4）弧度存在回弹变形导致节点扭转变形，由于刚性太大，构件没法矫正，螺栓孔错位。

5）弧形梁热镀过程中除正常的热胀冷缩变形外，还存在着原构件加工过程中应力重新释放而产生的不可预计的变形量。

为保证铁塔的顺利安装，螺栓孔的正确位置是关键，焊接变形无法矫正问题和螺栓孔偏转错位问题，成为影响海安电视塔顺利安装的瓶颈问题。

2.2 按原设计工艺的试验情况

施工单位（构件加工企业）组织了工艺技术小组，进行了技术攻关和1∶1实物试验，按图纸设计环形管梁HL-1-1节点（图3），采用Q345B的φ500 mm×20 mm、φ426 mm×12 mm钢管和20 mm×1 200 mm钢板及锻造法兰盘，按照“钢管切断→中频弯曲→钢管开槽→法兰、隔板组装→下塔面节点组装→上塔面节点组装→节点法兰焊接→几何尺寸终检”的加工步骤分步实施，逐一量测其加工所形成的误差。

图3 环形管梁HL-1-1节点

通过以上试验步骤，环梁节点焊接完成后，由于环梁变形太大且无法矫正，不能满足法兰螺栓连接结构的技术要求，具体分析如下：

1）节点的特殊连接形式与节点区域焊接变形量无法抵消，导致构件无法安装。

2）节点区域焊接量大，导致环梁变形量超标。每组节点的焊接熔敷金属近80 kg，折合5盘焊丝，一个好的焊工需要3 d才能完成1组节点焊接，如此密集层叠的焊缝发生在较短且经热弯的钢管上，产生了很大的内应力，直接导致弧形钢管的不规则变形约12 mm（由试验数据获得）。

3）节点焊接后发生不确定性变形，导致法兰螺栓孔的空间几何尺寸得不到保证；端部锻造法兰角度错位，经检验实测偏差值约11 mm，法兰上胎测的偏孔误差3～5 mm，原先装配定位的销子和螺栓无法穿孔就位。

4）变形后的弧形环梁节点的矫正量没有基准可以参照，而且体量较大，无法采用纠偏处理措施。

2.3 将环梁节点的弧形改为直线形的试验情况

通过分析，其主要问题是环梁的弧形设计在加工控制中难以实现，核心还是弧形梁的应力释放在纯手工状态下其大小尚无法预估、更无法约束。于是加工企业将环梁节点的弧形改为直线形，同样进行了相关试验，试验结果如下：

1）对铁塔外观变化不大，相差20 mm左右。

2）焊接热输入量均匀可控。

3）节点胎模化，加工误差可控。

4）构件可实现胎模化，检验精度更准。

在此基础上，施工单位要求将结构的弧形梁改为直线形连接。

2.4 专家咨询的意见

为证实原方案的不可实现和新方案的可行性，施工单位（加工企业）邀请工程设计、监理、建设单位相关人员，以及5名行业中知名钢结构设计及焊接制作专家，进行听证咨询活动。参会人员共同考察了加工企业的生产、检测设备，并观摩了米字构件模型，听取了施工单位（加工企业）的汇报，专家们最终形成的主要书面意见如下：

1）环梁节点为焊接结构，钢构件遇热变形是必然。米字梁节点是一个结构复杂的焊接结构，焊缝密集，焊接后的残余应力很大，而弧形梁在焊接前经过弯曲，本身就存在内应力，当焊接中间插板和节点相贯线时，弧形梁在焊接热的作用下要释放应力，就要带动节点管变位，不仅有轴向的变位，还有径向的扭转变形。

2）一般的焊接钢构件变形后可以通过火燃矫正或机械矫正办法解决，但弧形环梁有6个节点面，矫正的最佳位置被节点管区域挡住，无论采用哪种矫正办法都不能全部满足要求。

3）中频热弯管温度在600～700 ℃，会增加钢材的脆性；反复矫正无论是机械还是过火都易破坏钢件的内在质量，影响铁塔安全。

4）施工单位（加工企业）提出三段式修改方案较为合理，第1段（0～41.6 m）1.4 m钢管横杆改直，对铁塔造型美观没有影响；第2段和第3段改成折线对造型略有影响，但对视觉美观也不会产生影响。如此改动对制造质量和安装质量都有保障，也有利于保证工期。

2.5 最终的塔结构调整方案

建设单位认为：施工单位应该充分发挥、挖掘现有技术水平及管理能力，把好焊缝质量及焊接、镀锌过程中变形的控制关，尽量实现设计单位的意图，持积极向上的态度方能推动技术的进步，取得该工程的成功；电视塔如完全改为折线连接，完全背离了当初设计圆形的意图，而我们考察过的周边几个近圆折形构架钢塔，其杆架均不够丰满、缺少张力，故不能同意折线方案。

在与设计单位协商后，认为可以同意全塔25层环梁的米节点修改为直形节点，环梁节点之间的过渡钢管按弧形制作，这样可加快工程推进速度，保证施工质量。具体调整如下：

1）标高0.00～41.60 m段的环梁（0～8段），对整个塔的近观外观影响较大。由于该段相对半径也较大（起步半径为12 500 mm）、圆弧较长，米字节点长度相对占比较小（起步占21.4%），且米字梁端部有突出的法兰盘连接、直线段与弧形段观感上并不连续，所以米字节点处环梁段采用直线形结构、其余连接段均采用弧形连结的方式，这样对整体圆的形状视觉效果影响较小。

2）标高41.60～77.91～104.00 m（9～19段）塔段环梁半径趋小，从5 550.5 mm变为4 746.0 mm，再变为5 750.0 mm，环梁节点与环梁节点对接，中间没有办法设过渡段。环梁节点在竖直方向的相贯节点间最小夹角仅26.4°，节点长度达3.2 m。工艺制造通过法兰变角度形成12边近似圆形结构。

3）标高104.00～130.00 m（20～25段）塔段，上部有上人平台可以观光，环梁半径从5 750 mm变为8 000 mm，环梁节点之间虽然比较短小，但仍需增加环梁过渡段，确保高空整体效果和安装不受较大的影响。

施工单位按此制作了电视塔的三维电子图形，经设计院模型分析计算后认为该方案可以实现设计意图，满足技术要求，而且该做法对塔体外观效果的影响最小。我们将此方案及相关论证过程、更改后的效果图上报审查后，最终同意了这一方案。

按此方案实施后，施工较为顺利，质量及工期都得到了保障。海安电视塔建成后无论是近观还是远摩，均较好地实现了设计当初的花鼓造型，夜色中在灯光映衬下如一花篮、塔形愈加美轮美奂，为海安增添了一座地标性建筑。

3 海安电视塔设计优化的反思

从建设单位角度看，以上的变更虽然取得了成功，但都是被动的，所以从更深层次来考虑，一是设计招标时要对投资进行控制，要明确整个工程的设计概算要求，并应由一个设计单位完成所有的设计内容，对建筑功能的要求要明确，避免不必要的功能增加投资；二是对设计的方案，要公示后听取方方面面专家的意见，对特殊的结构形式，必要时应组织相关的专家进行论证，这样可以避免实施过程中的变更，尤其是变更过程中对工期的拖延，也会节约建设方的投资。

当然，随着加工企业技术的进步、加工经验的不断总结和提高，米字形节点实现弧形化也并非没有可能，而最新的3D打印技术如能用在此米字形节点加工制作上，其特性经试验证明能满足节点受力要求，则又将是钢结构施工水平的一大飞跃。