大型复杂凤凰造型雕塑结构设计与施工

2023-08-21张斌,郑中利,郑红卫等

工程建设与设计 2023年15期

1 引言

本工程项目为大型复杂钢结构雕塑，项目承接初期仅有小尺寸泥塑造型，且施工地点位于河道水面，工程造型复杂且无先例，施工工期被压缩到只有3 个月，针对该工程特点对三维数字扫描、3D 打印、模块化建造、无纸化施工、高空吊装调平等全新技术进行尝试，力求在压缩的极短工期内完成该复杂造型、复杂条件工程施工。

2 项目概况

本项目位于陕西省宝鸡市凤县，雕塑工程坐落于嘉陵江凤县县城双石铺镇河道内，河道下游修建了两座拦水坝，在此河段形成上下高低两段静水人工湖面，湖面宽度100~160 m，水深1~3 m，名为凤凰湖，本工程主要为配合凤凰湖景区提升改造，内容包括湖面用喷泉和水下景观灯拼成长202 m，宽112 m 的平面凤凰造型和高出水面35 m 的立体凤凰雕塑两部分，图1 为完成后夜景图片。

该雕塑自湖水静水面起算高度35 m，主体下部为混凝土平台，后尾中部设两支撑柱，主体凤凰造型自混凝土平台起算高度30 m，下部为大片白色浮云，后部为随风飘扬九尾，两翼翼展25.1 m，主体内部结构为空间网格结构，构件为无缝钢管，节点为管桁架相贯焊接和焊接球，雕塑外皮为S304 不锈钢板锻打成型，次结构为角钢及圆管焊接。

3 雕塑造型

2017 年12 月，凤凰外观造型初步确定（见图2），造型为泥塑手工完成，优点是造型直观且方便修改，且修改后造型过渡自然顺滑，虽不易保存、运输，现由便携数字扫描和3D 打印等现代技术手段弥补。

图2 造型外形及尺寸（单位：m）

造型初步确定后结构设计人员参与，提出下部云朵侧向刚度不足、尾部四散飘扬和两翼厚度过薄等修改意见，泥塑师针对性修改，最终的定型方案获得业主方认可（见图3），经数字扫描设备形成通用的三维数字文件，通过用3D 打印输出1∶50 的实体模型（见图4）。

图3 泥塑完成

图4 3D打印

定型方案凤凰高30 m，下部云朵高度8 m，两翼展宽25.8 m，长34.7 m，主体长度12.3 m，后侧尾部长22.4 m，尾部分散九飘尾用3 小块云朵连接为整体，整体造型飘逸灵动，两翼厚度由于结构变形控制加厚。

4 结构选型

现代大型雕塑主要以纪念人物或佛像为主，以美国1885年完成纽约自由女神像开始，国内和国际上相继建成的各种大型雕塑，其中以香港天坛大佛、海南三亚南海观音像、无锡灵山大佛等相对有名，这些雕塑主体结构以钢框架、钢桁架结构为主，另设与外部蒙皮过渡的副刚架、副支架，其中尤以设计建造埃菲尔铁塔闻名的法国人埃菲尔在百年前设计的自由女神像结构设计（见图5）尤为突出，结构效率高，整体高度46 m 的雕像主结构钢桁架120 t，外蒙皮为2.5 mm 铜片锻打成型，质量80 t，次结构20 t（见图6），合计雕像整体总质量仅225 t，其简洁有效的结构设计理念值得现代结构工程师学习借鉴。

图5 自由女神像结构模型

图6 蒙皮支承结构

钢框架、钢桁架主要缺点是对雕塑外形适应能力弱，不适用于体系复杂雕像，结合马军等[1]3介绍方法本工程选择对外形适应性最好的空间网格（钢网架）结构形式，充分利用杆件及节点可在专用设备进行，生产效率和加工精度高，现场装配速度快的优点，对文中提及缺点：大量杆件夹角无规律，节点种类多，安装困难且综合成本高的缺点，采取焊接球、管桁架结合和数字化建造技术等针对性对策解决，使其可在形状不规则雕像结构上得到应用。

5 结构建模

根据本雕塑整体造型将整体结构分为两翼、主体和尾部，另将需转动头部结构与主体分离，用转动机械装置连接，其中主体和两翼结构建模难度较大。

5.1 主体部分

根据马军等[1]5提出的结构建模基本方法，并根据造型变化特征，采用自下而上共计16 个横断面（见图7），断面间距分别为1 000 mm、1 300 mm、2 000 mm，既要能准确表达结构造型，同时构件长度还不至过短，造成结构杆件过多，底部横截面标高为支承平台面，顶部为切除头部断口，标高23.800 m，各横截面形状和尺寸变化很大（见图8），大致分为下部云段、中部身段和上部颈段，下部云段为0.00~7.90 m，长度7.5~11.2 m，宽度6~7 m 左右，中部身段9.2~19.2 m，长度3.5~5.0 m，宽度3.6~5.7 m，颈部为19.2 m 以上，为圆形（椭圆形），直径1.5~2.1 m。

图7 主体横断面标高

根据各断面形状，预留300 mm 外皮及次结构空间后，先布置外围杆件和节点，之后在截面内部布置节点和杆件，由于本雕塑内部无功能要求，截面内部杆件和节点布置未受制约，布置结果见图9。

图9 各层结构布置

在各层平面的结构布置完成后，进行竖向结构布置，沿高度方向连接各层平面上的节点，并适当布置高度方向的斜向支撑杆件。

马军等[1]5提及的由于雕塑表面轮廓的内凹部分，竖向杆件有可能的内凹表皮外露的所谓“犯界”问题，在结构布置过程中综合调整横断面标高、横向节点退让、杆件布置等各变量，最终完成主体结构的空间线框，主体结构正视图见图10，侧视图见图11，透视图见图12。

图10 主体结构正视图

图11 主体结构侧视图

图12 主体结构透视图

5.2 两翅结构

本雕塑造型手工完成，两翅尺寸外形基本一致，具体尺寸略有差别，两翅高度4.5 m，翼展12 m 左右，厚度2 m，外形如图13 所示。

图13 两翅外形尺寸

扣除两侧退让外皮及次结构各200 mm 后，两翅结构厚度仅有1 600 mm，根据外形及等距各断面尺寸，两翅结构高度方向等距布置5 道桁架，桁架之间设置斜向和竖向连接杆件，形成整体空间网格结构，远端造型制约过渡为单层，两外侧配合造型的凸起设置单层结构配合，翅结构线框图见图14。

图14 翅结构线框透视图

5.3 尾部结构

尾部厚度仅500 mm 左右，另行布置主结构无空间，主要采用外皮次结构，在尾部断面的芯部有限空间尽可能布置φ140 mm×12.0 mm 截面无缝钢管辅助受力，增强尾部结构刚度。

尾部自主结构外伸长度达20m，在尾部小云造型位置设置两根独立支承柱，将原20m 的悬挑长度减半。

6 结构计算

6.1 构件

计算模型线框搭建完成后，利用几款常用计算软件对结构进行反复计算和设计，全部构件选用无缝钢管，材质Q355B，杆件为φ219 mm×16 mm、φ219 mm×12 mm 和φ180 mm×12 mm。

6.2 荷载

1）恒载：结构构件考虑自重，放大系数1.2，雕塑外皮按0.30 kN/m2均布荷载加载在零刚度的壳单元，双向传递到相邻杆件。

2）活载：在主体中部考虑设置的头部旋转装置配电装置、两翅喷水管路水泵、喷火装置燃料罐集中点荷载；同时在两翼端部对应位置节点布置旋转喷水喷头集中点荷载，两翼中部均布集中点荷载考虑喷头供水管道及管道内水重。

3）风载：由于本雕塑体型特殊，风载为控制荷载，选择本地重复周期100 年基本风载0.40 kN/m2，阵风系数2.0，风载体型系数偏安全统一按迎风面0.8，背风面0.5 选用，采用前后左右4 向风载工况，其中左右风工况，两翅重复考虑加载，不考虑前后两翅的遮挡。

4）地震荷载：抗震设防烈度为7 度，基本地震加速度为0.12g，地震分组为第三组，场地类别二类，按横向和纵向双向地震力设置地震计算工况。

6.3 应力

根据陈绍藩疲劳研究分析及结论[2]，将结构应力比最大值控制在0.6 以下，以此降低结构在长期风载作用下的应力变化幅值，避免风载作用下疲劳应力破坏，以期保证整体结构的长期可靠。

6.4 风载变形

类似大型雕塑结构尚无对应规范对结构变形限值，可供参考规范有GB 50135－2019《高耸构筑物设计规范》和CECS 148—2003《户外广告设施钢结构技术规程》，GB 50135－2019对变形限值为H/75（H 为结构高度），CECS 148—2003 对顶部水平位移限值为H/100，悬臂横梁水平位移限值为L/150（L 为梁长），以作为参考的两规范（规程）限值判断，风载作用下结构变形如表1 所列，结构变形在正常范围。

表1 结构风载变形

6.5 蒙皮效应

作为外部造型的不锈钢外蒙皮和次结构依附在主体结构上，其对应主体结构受力有一定的有利影响，参考梁元玮研究成果[3]，目前对蒙皮效应对主体结构受力影响尚无定量精准结论，本工程尝试将外皮不锈钢按实际厚度、连带次结构的折算厚度等不同数值输入结构模型进行试算，计算结果对减少结构变形和降低结构自振周期有一定帮助，但效果并不明显，实际工程未考虑此有利影响。