上海世博轴

图1 上海世博会世博轴索膜结构 Figure1. Cable—membrane structure of Expo Axis in China Expo 2010 Shanghai China
阳光谷简介
世博轴共有6个阳光谷，结构体系均为三角形网格组成 的单层网壳，结构下部为竖直方向，到上部边缘逐步 转化为环向(见图2)。 阳光谷为漏斗形单层网壳钢结构，上表面覆盖玻璃幕 墙，整体通透。阳光谷平面为圆形或椭圆形，6个阳光 谷的杆件拓朴连接完全相同，但6个阳光谷体型不一， 其中4号阳光谷为旋转对称，其余均为轴对称。 每个阳光谷的高度为41．5m，最大底部直径约20m，最 大顶部直径约90m，6个阳光谷总面积31500 ㎡。
图焊 接 钢节 板点 全
3
螺栓对接翼缘焊接节点和仅螺栓对接节点 ①节点区 翼缘厚30mm，腹板厚10mm；②杆件区翼缘 厚25mm，腹板厚5mm。节点和杆件加工详图如 图4、5所示。事先将杆件端和节点端刨平，再对高强 螺栓施加预紧力，将节点和杆件对接连接(见图6)。
图加 工 节详 点图 区
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加工详图 图5 构建 区
源自文库 图9 焊接节点
节点测评
阳光谷钢结构节点几何特性比较复杂，利用传统的检测方 法无法准确地评价节点的加工精度是否符合要求，所以必 须采用一种新的方法以适应实际需要。 采用的方法为：利用三维坐标检测仪检测构件的所有关键 控制点坐标，形成真实产品的三维虚拟模型，再经过严密 的数据处理后与相应的设计模型进行比较，评估二者偏差 来描述产品的加工精度。需要重点评估节点牛腿与杆件连 接的端面精度。本工程利用三维坐标检测仪采集实物的关 键检测数据。 由于检测坐标值与设计坐标值的参照坐标系不相同，因此 在比较前必须将两套坐标值转化到同一个坐标系下，然后 分别分析每个控制数据与设计值的偏差。经过处理后得到 的成品精度可以直接反映节点端面的加工精度，评价节点 安装完后是否会造成视觉效果上的不协调。
图10 片装单元与满堂脚手架支撑 连接点示意图
满堂脚手架支撑
阳光谷钢结构安装采用满堂脚手架作为支撑，纵横距为 1．5m，步距为1.8m(见图11)，在外侧立面整个长度和高度 上连续设置剪刀撑，在满堂脚手架两个方向应每隔2跨从下 至上设置剪刀撑，剪刀撑间距为10m。满堂脚手架剪刀撑布 置如图12所示。 经计算，经过满堂脚手架扩散后，传递至混凝土楼层板上 的荷载包括阳光谷构件自重(<2kN／ ㎡)、满堂支撑自重 (<1．5kN／㎡)及施工荷载(考虑1kN／㎡）总计小于4．5kN ／㎡；10m混凝土平台的设计活荷载为4．5kN／㎡ ，再加 上楼面找平层恒荷载(按2．5kN／㎡计）等，可供利用的楼 面荷载达到7kN／㎡以上。因此，可以不对10m平台进行加 固，即可满足阳光谷施工需要。
图8 熔模精铸工艺
2)焊接节点 焊接节点按照加工工艺主要分为组件拼接焊接节点和整板 弯扭组合焊接节点。 组件拼接焊接节点主要是将节点分散为中心柱体与四周牛 腿，分别加工，最后组拼并焊接形成整体。首先将节点的 每个牛腿按照截面特性做成矩形空心块体，然后利用机器 人进行精确切割，形成基础组拼件，如图9所示。在完成了 节点所有基础组拼件的加工后，即需要组拼并焊接，形成 完整节点。 整板弯扭焊接将节点的上下翼缘板分别作为一个整体，利 用专用机械进行弯扭，以保证端部能够达到设计要求的位 置，之后再将节点的腹板和构造板件组合进行整体焊接。 在完成节点焊接以后，需要对节点进行消除焊接应力的技 术处理，再对牛腿与杆件连接的断面采用自行研制的数控 专用机床进行铣削处理。阳光谷作为精细钢结构，加工精 度要求很高，以0.1mm计，故非数控设备难以达到精度要求。
钢结构安装
在每个阳光谷中布置1台300t〃m塔吊作为主要安装机械， 阳光谷钢结构采用“节点工厂制作，现场散拼片状单元吊 装，临时连接，逐环安装，闭环后焊接”的安装方式。节 点、构件运输至现场后拼装成“个”字形片状小单元吊装。 各构件之间采用临时连接固定，直至整环安装完成。待3 环结构完成后，焊接第l环。以工厂加工精度控制现场安 装精度；吊装作业遵循对称吊装的原则，及时形成闭合的 稳定体系。为控制焊接变形，结构分片暂不焊接而采用临 时连接节点连接。 整个结构的临时支撑系统采用满堂脚手架结构。片状单元 吊装就位时，当片状单元与立面夹角≤45°时，由满堂脚 手架支撑提供侧向刚度；当>45°时，由满堂脚手架支撑 提供其竖向刚度(见图10)。
图2
工程特点、难点
钢结构呈空间不规则变化，没有规律可循，对现场拼装、 安装及测量校正带来极大难度。 大悬挑结构在安装过程中的结构稳定控制问题。 大量的高空焊接及引起的焊接变形控制。 单层网壳结构要求连接节点为刚性抗弯连接，节点连接方 向多、角度不一，须选择简单及可靠的连接形式。
节点构造类型
阳光谷节点有4种构造类型，分别为钢板全焊接节点、 铸钢焊接节点、螺栓对接翼缘焊接节点和仅螺栓对接节 点。 钢板全焊接节点 节点区翼缘厚25mm，腹板厚10mm；杆件区翼缘厚25mm， 腹板厚5mm，如图3所示。
节点制作
阳光谷钢结构节点按照制作方式的不同可以分为铸钢节点 与焊接节点。 1)铸钢节点 铸钢节点的关键问题在于如何能够快速制作复杂节点铸造 模型，本工程采用“组合成模工艺”创新技术，即将各不 相同的铸钢节点按一定的截面规格分解成标准模块，然后 将标准模块按最终形状组合成模。标准模块采用高密度泡 沫塑料压注制成，利用机器人技术进行数控切割和数控定 位组合成模，提高了模型的制作加工精度及效率。然后， 采用熔模精铸工艺(改进的消失模铸造技术)，提高铸件尺 寸精度以及表面和内在质量(见图8)。 阳光谷共有实心铸钢节点573个，采用组合成模技术后，按 不同杆件截面划分为11种标准模块，显著降低造价，提高 工效。
世博轴简介
目录
世博轴简介 阳光谷简介
工程特点、难点 节点部分 安装与施工
膜结构简介
膜材料的选择 膜材料的剪裁和节点优化设计
世博轴简介
上海世博会世博轴及地下综合体工程(以下简称世博轴)， 是世博会的主入口和世博园区的中央交通轴线。 其屋面采用了钢-索-膜的半敞开结构体系，南北长1045m， 东西宽地下99.5～110.5m，地上80m，基底面积130699㎡， 总建筑面积27169㎡，其中地上42877㎡，地下184292㎡。 由标高一6．5、一1．0,4．5、10m的平面及膜结构屋顶组 成(见图1)，并设有6个标志性强的阳光谷，以满足地下空 间的自然采光，阳光谷顶端与膜结构顶棚连接(见图1)，是 本次世博会的最大单体场馆建筑。 世博轴中的钢结构为6个采用自由形态理念的单层钢网壳阳 光谷，它为大型索膜结构提供支点。大型索膜屋面由69个 巨型膜单元构成，膜材厚度1.2mm，膜面总面积达68 000㎡， 使用年限30年。
图点 对 杆接 件详 与图 节 6
节点部分—难点、特点
节点呈三维空间形态．且数量众 多 整个阳光谷造型为异形曲面，它 是通过每个杆件交汇处节点的扭 转而形成空间结构。6个阳光谷共 有一万多个节点，且由于是异形 曲面，几乎没有两个完全相同的 节点(图7)。 由图7所示，每个节点分为牛腿区 及中心区，各牛腿相对其它牛腿 均不在同一平面，通过中心区过 渡：由于选用了箱型截面杆件， 各牛腿相对中心区存在着扭转角、 俯仰角和分度角关系，空间关系 非常复杂。到目前为止国内钢结 构工程中还尚未遇到，这给加工 制作提出了很大的挑战。
模型3：熔模铸造工艺(高密度泡沫)——密度约35g／cm30 选用高密度泡沫，其表面粒子明显细密，铸造成型外观好， 能满足工程要求，价格比低密度泡沫略贵。密度高于35g／ cm3泡沫，造成切割困难，不宜采用。 通过试验结果比对，最终制定了以下总体工艺路线：采用 计算机辅助建模、数据处理、结构参数自动采集；以高密 度泡沫为铸模材料，压注成标准模块：以配备专用软件的 TriVariant—B系列机器人对标准铸模进行数控切割和数控 定位组合成模：采用熔模精铸工艺(消失模技术)完成节点 浇铸。
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熔模铸造工艺简述如下：在完成的泡沫模型上涂覆若干层 特制的耐火涂料，经过干燥和硬化形成一个整体型壳后， 再用热水从型壳中熔掉模型，然后把型壳置于砂箱中，在 其四周填充干砂造型，最后将铸型放入焙烧炉中经过高温 焙烧，铸型或型壳经焙烧后，于其中浇注熔融金属而得到 铸件。
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1.1 简介
1、1、1工程规模 世博轴的大型索膜屋面由69个巨型膜单元构成， 膜材厚度1．2mm膜面总面积达68 000m2，使用年限 30年。 1、1、2膜结构的选择依据 索膜结构主要还是从功能上看，上海5月份到10 月份是一个天气非常炎热的季节，主要是太阳辐射非 常厉害，索膜结构遮阳率就比较好，可以遮挡90%的 太阳光，当然有一部分光线是可以投射过来，所以为 世博轴平台下的人提供了一个非常好的遮阳环境，如 果我们用其他建筑材料，像玻璃的穿透率也很强，使 里面暖房一样，世博轴里的人流会更热，所以膜结构 对这个项目来说是最合适的一种材料。
片状单元就位后立刻采用标准连杆和夹具进行固定(见图 10b)。吊装过程中阳光谷钢结构与脚手架支撑系统共同受 力。阳光谷钢结构安装完成后须将支撑系统卸载，将共同 受力的状态转化为阳光谷钢结构系统单独受力状态，以实 现设计意图。 阳光谷钢结构与立面夹角小于45°的范围内，每形成一个 闭合圈，焊接完成后，标准连杆即可间隔拆除。其它区域( 顶部环向)的标准连杆待整个阳光谷安装、焊接完成后再整 体卸载。卸载顺序从高到低逐环卸载。阳光谷钢结构卸载 以结构计算分析为依据、以结构安全为宗旨、以变形协调 为核心、以实时监控为手段。
安装施工
施工特点与难点 虽然阳光谷的形状简单明了，但所有杆件均为截面较小 的厚板焊接方钢管。而且建筑设计与玻璃幕墙安装都要求 在方管的汇交节点区域保持平顺过渡，从而保证阳光谷在 整体和局部均是高精度的光滑曲面，由此形成复杂的节点 构造形式，给钢结构的深化设计与制作造成很大的困难。 由于该结构的复杂性与特殊性，国内外现有的钢结构深化 设计CAD软件均不能满足该工程要求。6个阳光谷共有一万 多个节点，完全人工绘制加工详图，工作量大，效率低， 不能保证详图工作按计划工期完成。由于节点相似不相同， 人工绘图极易产生难以发现的错误。此外，该工程由多家 钢构公司同时承建，各公司的加工工艺和技术习惯不同， 需要分别处理。 为此，研制开发了专用的世博轴阳光谷钢结构深化设计与 加工制作的CAD／CAM集成软件系统，完成从结构三维实体 建模到自动输出加工详图及数控信息的完整功能，成为阳 光谷工程建设的重要技术手段。
图11 满堂脚手架 布置示意
图14 剪刀撑 布置示意
前期进行了系列节点试验，进行技术攻关，共试验了3种模 型制作工艺。 模型1：熔模铸造工艺(蜡料）——选用低温蜡料制成模型。 优点：低温蜡价格便宜，工艺成熟。 缺点：低温蜡由于熔点低，不能采用数控自动切割；蜡模 手工切割组拼成整体模型精度差；效率低。 试验期间，曾尝试用高温切削蜡代替低温蜡，但其价格要 贵几十倍，经济性差，因此予以否定。 模型2：熔模铸造工艺(低密度泡沫)——密度约23g／cm3。 优点：可实现机器人数控切割和数控定位组合成模，模型 制作加工精度及效率高；价格便宜。 缺点：低密度泡沫表面粒子较粗，外观不甚理想。
图7
阳光谷典型节点效果图
节点制作精度要求高 阳光谷结构作为世博轴的标志性建筑结构，不同于常规 钢结构范畴，属于精细钢结构。三角形网格组成的单层网 架，每个网格都相互制约。每个节点至少有4个牛腿，每个 牛腿都与其它构件连接，任意一个牛腿出现过大的偏差都 会影响构件的安装。因此，为确保现场安装控制及建成后 的外观效果，对构件工厂加工提出了相对较高的制作精度。 而常规的钢结构加工将难以达到其精度要求，必须开发应 用新的制作工艺。 复杂铸钢节点制作工艺难 阳光谷节点除了焊接形式外，为满足结构受力要求，其 中共有573个节点采用实心铸钢形式。节点各不相同且精度 要求高，传统铸造工艺无论从经济性还是质量将难以保证。 节点制作工期紧 节点制作工艺，构件加工质量不仅要满足设计及规范要 求，同时要确保该工艺满足现场紧张的施工安排。阳光谷 节点各不相同，决定了其产品的单一性，这将制约加工进 度，须采取合理的加工工艺来保证成品的合格率。