摘  要：深圳市体育中心游泳训练馆钢结构屋盖开创性地采用“空间交叉三铰刚架” 的新颖结构形式，箱形截面刚架两两空间交叉，柱脚完全铰接，跨中高低错位铰接。低侧梁柱三次交叉、柱段小角度交合以及梁柱的弯扭给深化设计和加工制作提出较大的挑战。本文主要介绍如何通过慎密的深化设计，预判钢材在弯扭过程的变形机理，绘制机械切割放样曲线，完全通过钢板组焊来实现弯扭钢箱柱“工艺品”追求的过程。
关键词：交叉刚架  焊接节点  弯扭构件

 1. 工程概况
      深圳市体育中心游泳训练馆由主馆（池厅）及其端部辅房组成（图1、图2）。
     

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 图1 深圳市体育中心游泳训练馆主馆效果图 

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图2  深圳市体育中心游泳训练馆照片

主馆钢结构为“空间交叉三铰刚架”结构（图3、图4），辅房为三层框架结构。主馆跨度31.2m，每两榀刚架斜向交叉。其中一侧的每两榀半跨刚架梁在支座端交汇合并为单一变截面箱形截面柱，另一侧则在两榀刚架梁交叉后，弯扭相接，延续为两根箱柱，侧斜空间交汇于铰接支座。
      两侧刚架梁跨中交叉时，首先同侧交汇，再上下错位相接（图3、图4）。上位刚架梁通过三角刚域实现与下位刚架梁交汇，采用d150销轴连接，柱脚通过d150销轴与支座连接。
      刚架交叉节点类似于鸟巢的箱形截面构件弯曲相交，梁柱通过拱角弯扭平滑相接，翼缘、腹板全部对正不错位。深化设计延续了 “复杂结构，简单设计；复杂节点，简单加工” 的设计理念，整个工程无一铸钢节点，全部采用焊接工艺实现独特的建筑造型效果。这对于钢结构加工，无疑是一道难题，最大难点主要在于梁柱节点的弯扭拱角。

     
 图3深圳市体育中心游泳训练馆三铰交叉刚架轴侧图 


图4  深圳市体育中心游泳训练馆三铰交叉刚架

2. 弯扭刚架深化设计
      弯扭刚架节点（图6）加工的难度具体在于刚架为弯扭构件（图5），翼缘下料边线为样条曲线，放样有一定难度，且难以考虑钢板弯扭过程中的收缩与扩张。箱形刚架相交相贯，节点板较多，空间定位及图面表达难度大。

    
 图5 深圳市体育中心游泳训练馆三铰交叉刚架 


图6 深圳市体育中心游泳训练馆三铰交叉刚架节点

弯扭刚架深化设计主要采取了如下对策。
      对策1：舍弃常规的XSteel钢结构深化设计软件，回归AutoCAD三维建模，利用AutoLISP开发平台，完成了复杂双向弯扭刚架深化设计。
      对策2：探索弯扭钢板的三维扭曲机理，研究出了钢板切割边样条曲线方程，而后利用AutoLISP转换为CAD座标，精确绘制了钢板下料样条曲线（图7、图8）。
                              

第一段为直线， 为刚架偏转角， 为拱角弯曲半径，  为拱角圆心垂直于直线段  座标， 为拱角圆心垂直于直线段  座标； 为梁段弯曲半径， 为梁段圆心垂直于直线段 座标， 为梁段圆心垂直于直线段 座标。代入本工程设计数据，可得如下方程，并据此绘制下料放样曲线。

   
 图8  深圳市体育中心游泳训练馆弯扭箱梁下翼缘放样


 图9 深圳市体育中心游泳训练馆弯扭箱梁下翼缘分段放样

对策3：深化设计在理解结构设计意图的前提下，与结构师进行了充分的沟通与协调，优化钢结构设计，将原设计中板件错位转换为连续或“十”字型对接，使板件传力更为直接，同时将箱形刚架中横隔板断开。取消了箱形构件全部外露加劲板，保证了弯扭刚架的光洁美观。
 

 

图10  深圳市体育中心游泳训练馆深化设计断面优化

（上列为结构设计，下列为深化设计，6-6剖面清晰表现了刚架的弯扭特性）
     3. 箱体加工主要工序

下料：通过多次钢板弯扭实验，逐步掌握了钢板在弯扭过程的收缩与扩张规律，对理想样板进行修正，从而保证了钢板下料的准确性，制作过程中无一翼缘板需采用手工切割修正。
组立：弯扭刚架无法利用组立机组立，组焊前制作了刚度很大的钢平台（图11），在钢平台上操作，保证了弯扭刚架成型尺寸。刚架煨弯主要采用机械手段（如千斤顶、卡座等），辅以低温煨弯手段，保证了弯扭刚架成型，也使刚架加工内应力处于较低水平。

     
图 11 深圳市体育中心游泳训练馆 刚架在工厂拼焊

喷砂：部分构件制作完成后分支较长，体形较大，无法利用喷砂机作表面处理，需采用人工喷砂。
喷铝：由于沿海及可能的室内潮湿环境，本工程钢结构设计要求进行电弧喷铝高效防腐。根据以往工程经验，电弧喷铝对喷砂要求铰高，钢结构表面除锈等级要达到Sa3，粗糙度达到Rz40～100μm，喷砂一次达到要求。经反复试验，最终确定钢丸与河砂级配，人工砂罐喷砂方案，满足了电弧喷铝对喷砂的要求。
      4. 为安装服务的工艺措施

通过缜密的深化设计思考，解决了弯扭刚架加工安装的技术问题，但工艺仍然复杂。
本工程单侧刚架均焊接连接在一起，难以在工厂进行预拼装，所有的误差只能通过在工厂做预处理，安装消除的方法来解决。
      本工程钢结构设计精细，箱体内空小，钢板厚度小，加劲多，经济性好，但施焊较难。
箱体为三维空间实体，箱体本身无测放控制面，只有通过三维测点来测控箱体加工主尺。加工时构件需摆放成一种合适的体位，以方便进行各关键点，如销轴孔、拐点、分段接点、相贯线的测控。并利用计算机模型辅助控制。
      安装过程不仅要保证箱体的平滑对接，还要消除以前各道工序产生的误差。安装对接的工作量及难度均较大。
     为此，放样时，人为加长刚架主板长度50～100mm，焊接时预留300～400mm后焊，整根弯扭刚架组焊完成后，三维测点来检测刚架加工偏差，通过后焊段来修正刚架加工偏差，从而保证弯扭刚架在现场安装不出现错口错边现象。
      5. 总结

通过精心的深化设计，将结构设计、加工工艺融合为一体，将设计意图和理念完全体现于深化设计中，同时又尽可能地减少复杂钢构件的加工难度，一丝一环，环环相扣，制造出了独特的建筑工艺品，展现了深化设计在复杂钢结构工程中举足轻重的作用，同时为行业更深入研究弯扭构件制作工艺提供了宝贵的经验。

参考文献
      [1] 周永明,蒋良君,廖功华等. 国家体育场大型空间箱形截面扭曲构件的加工技术[J]  中国大型建筑钢结构工程设计与施工  中国建筑工业出版社  2007
      [2] GB50017-2003  钢结构设计规范[S]
      [3] YB9254-95  钢结构制作安装施工规程[S]
      [4] 郭满良 凌江 三铰刚架交叉结构的概念设计  深圳土木建筑  2011.09

     作者简介
      虎秉银:上海交通大学，上海  200240； 
     郭满良:深圳市建筑设计研究总院，深圳  518031；
     李志伟:中建一局华南分公司，深圳  518000； 
     李志伟:.中建钢构有限公司，深圳  518030