摘  要：鄂尔多斯民族大剧院工程，以蒙古民族男女的两顶帽子为设计理念，为框架混凝土-钢结构体系，由大圆（剧院）、小圆（音乐厅）及中间连接体三部分组成，钢结构型式为空间双曲面螺旋箱形结构。空间建模、详图设计难度大，位置坐标多样，胎具搭设、下料、装配精度要求高，焊接变形控制及焊接质量要求严。本文结合详图深化设计、双曲面螺旋箱型柱制作、预拼装等重点施工工艺，较详细的介绍了鄂尔多斯民族大剧院制作施工技术。
      关键词：钢结构  详图设计  双曲面箱型柱  预拼装

1 工程概况
      随着钢结构行业的迅速发展，设计理念多元化，建筑结构造型越来越具有民族艺术特色。这样就要求钢结构构件形式向多样化，复杂化发展。结构形式改变就要求以往传统的制作方法进行创新，对钢结构的制作技术水平、焊接质量、预拼装精度要求更为严格。我单位承揽的鄂尔多斯民族大剧院工程作为第十一届亚洲文化艺术节闭幕式演出场馆，以蒙古民族男女的两顶帽子为设计理念，由大圆（剧院）、小圆（音乐厅）及中间连接体三个部分组成,建筑面积37800? 。本工程结构形式为框架混凝土-钢结构框架结构,一类高层建筑,设计使用年限为50年。钢结构形式主要为空间双曲面螺旋箱型柱，最大箱型截面尺寸为□600×800×20，主要截面为□500×500×16，材质为Q345D，本工程效果图见图1。
      针对该工程空间双曲面螺旋体结构和空间斜柱网结构的特点，我公司采用整体建模，对所有构件进行空间模拟，将空间三维图形转换成二维平面施工图，并首次研发了空间双曲面螺旋箱型柱制作工法，为现场安装提供质量保证。

图1 鄂尔多斯民族大剧院效果图

      2 详图深化设计
      鄂尔多斯民族大剧院工程结构形状复杂，主要构件为空间双曲面螺旋箱型柱。构件为异形结构，常规详图深化不能准确的将单件构件反映在施工图纸上，不能有效指导施工。为反映构件的空间实际尺寸及空间坐标位置，我单位采用X-STEEL和CAD软件相结合，建立空间双曲面螺旋箱型构件的实体模型，采用近似原理，对模型中每个构件进行描点，然后绘制单个零件展开下料详图。

2.1 空间建模
      本工程结构形状复杂，单独采用X-STEEL设计软件进行建模难度较大，需利用CAD软件与X-STEEL软件相互转化进行三维空间建模。首先根据一次设计图，采用CAD软件建立空间三维线形建模，如图2所示。

图2  鄂尔多斯民族大剧院 CAD软件空间线形建模

      然后将CAD线形模型数据导入X-STEEL设计软件进行空间建模，由X-STEEL设计软件自动生成空间模型，如图3所示。

图3 鄂尔多斯民族大剧院  X-STEEL软件空间实体建模

      2.2 转化施工图及构件胎具坐标
      由于构件非规则性，不能由X-STEEL软件直接导出施工图纸。需再将X-STEEL软件中的实体模型转换到CAD上，如图4所示。

 
图4  鄂尔多斯民族大剧院 CAD软件实体模型

取出单件构件模型，如图5所示。然后分别对每个构件建立坐标系进行合理的描点，创建各点空间坐标，根据单件构件点的空间坐标导出相应的坐标点图，利用近似原理，将构件每个零件进行展开，得到每个零件的展开下料详图，如图6所示。

 
图5  鄂尔多斯民族大剧院 单件构件实体模型


图6  鄂尔多斯民族大剧院 CAD软件构件壁板展开详图

      2.3 构件分段
      为了保证制作、安装的精度和施工安全可靠，充分分析结构形式。根据箱形钢柱交叉编织的特点，我单位采用了斜网柱一个方向为长柱，另一个方向为短柱的分段形式；采用了长柱无牛腿和短柱直接和长柱相贯对接的节点形式，节点处加设定位托板和连接板，以保证安装一次准确就位和施工安全可靠。
      3 空间双曲面螺旋箱型柱制作
      鄂尔多斯民族大剧院工程主要构件形式为空间双曲面螺旋箱型结构，还有箱型钢柱、圆钢管型钢柱、H型直钢梁、弧型箱型钢梁、H型和箱型环形圈梁。本文着重介绍空间双曲面螺栓箱型构件的制作。
      3.1工艺流程
      施工准备→胎具搭设→钢板下料、成型→组装→焊接→回胎矫正→检查→预拼装→喷沙除锈→涂装编号。
      3.2 胎具搭设
      根据单件构件的实体模型的空间坐标，得出搭胎数据，编制胎具搭设工艺。由于每件构件的三维螺旋曲面方向不一致，每件构件都需进行专用胎具的搭设。胎具材料选用大截面型钢和厚板，搭设时采用全站仪进行空间坐标的放样测量，并在平台上做出投影面进行检查，见图7。

 
图7 鄂尔多斯民族大剧院 胎具搭设图

      3.3 钢板下料、成型
      根据每件构件的展开详图进行数控编程，利用数控切割机进行下料，见图8。钢板下料后采用卷板机压弯和火曲成型相结合的方法对箱型构件壁板进行弯制，使其达到设计要求弧度。
 

图8  鄂尔多斯民族大剧院 数控下料

      3.4 组 装
      在专用胎具上组装时，将底板铺在胎具上，保证底板与胎具紧密贴合，由胎具的螺旋曲面控制底板的弧度，底板定位后进行固定，见图9。为了控制构件成型并且减少构件焊接变形，在箱内每隔1.5m设置12mm厚工艺隔板，见图10。

 
图9  鄂尔多斯民族大剧院 底板上胎、定位
 
图10  鄂尔多斯民族大剧院 工艺隔板
 

底板定位后，装配工艺隔板。由于箱型构件为螺旋形状，装配工艺隔板时应注意隔板的角度位置，保证箱型的形状。然后将两侧腹板靠在工艺隔板上并加支撑固定，见图11，固定后组装顶板。组装后应仔细检查箱形构件与胎具是否是紧密结合，保证构件的螺旋曲线符合设计要求。
 

图11 鄂尔多斯民族大剧院 组装腹板图

      3.5 焊接
      构件焊接采用二氧化碳气体保护焊打底，埋弧焊盖面的焊接工艺，见图12。为控制构件焊接变形，在组装时除加设工艺隔板还设置钢拉条，见图13。

 
图12 鄂尔多斯民族大剧院 埋弧焊焊接
 

图13 鄂尔多斯民族大剧院 工艺措施

      焊接时在全熔透坡口位置采用加垫条焊接。根据构件的螺旋旋转程度大小，对旋转程度较大的构件在焊接时设置临时支架，保证焊接构件平稳固定，并且在组装胎具上进行二氧化碳气体保护焊打底，然后再在龙门式双丝自动埋弧焊进机上进行盖面，以减少焊接变形。单根构件制作焊接探伤合格后，将构件吊回胎具进行复测，对控制点位置偏离的应进行矫正，见图14。

 
图14  鄂尔多斯民族大剧院 回胎复测

      4 预拼装
      由于构件形状复杂，钢柱分为长柱和短柱制作，为保证钢柱的制作精度和现场安装质量，将所有钢柱根据现场安装单元划分成多个预拼单元，进行平面预拼装。每个预拼单元弧度和斜度都不一样，需每个拼装单元单独搭设专用胎具进行整体预拼装。预拼装胎具采用大截面型钢和钢板搭设，搭设时不需要同单根钢柱胎具设置多根立柱，只需根据受力分析和弧度控制点设置立柱，保证拼装单元的稳定性和精度。由于杆件之间连接为刚接，且焊缝为熔透焊缝。在拼装时短柱端口焊接衬条与长柱、钢柱与胎具要紧密贴合。对不符合要求的进行调整，预拼装尺寸检查合格后安装现场安装定位板，见图15。
 

图15  鄂尔多斯民族大剧院 预拼装

      5.结 语
      通过详图深化设计、双曲面螺旋箱型柱制作和预拼装等工艺上的技术创新，鄂尔多斯民族大剧院工程构件制作精度和质量达到设计及规范要求，使现场安装提前17天完工，获得2009年度中国建筑钢结构优质工程“钢结构金奖”。 该工程已成为当地标志性建筑，并成功举办了第十一届亚洲文化艺术节闭幕式演出，带来了巨大的社会效益。鄂尔多斯民族大剧院钢结构施工技术提供了一种制作空间双曲面螺旋箱型构件的工艺，非常适合建筑结构多维化发展的需要，可依此技术向多维空间造型构件制作进行拓展。开创了空间双曲面异形螺旋箱型构件的先河，在处理异形钢结构构件组装中经济效益明显，增强了公司技术水平和公司竞争力，提高了钢结构行业的技术水平，促进了钢结构行业的发展。

参考文献
      [1] GB 50205-2001.钢结构工程质量验收规范.北京：中国计划出版社.2001
      [1] GB50205-2001,Code for Acceptance of Construction Quality of Steel Structures, China Planning Publishing House, Beijing, 2001