铸钢节点枝状空间钢结构的研究与应用

深圳文化中心黄金树为铸钢节点枝状空间钢结构，介绍了巨型复杂铸件的设计与铸造工艺,树枝结构安装 工艺及测控手段，复杂条件下异种钢材的焊接。

钢结构;空间结构;铸钢;节点;设计;铸造;安装;焊接变形

深圳市文化中心由音乐厅、图书馆和室外大平台 组成，长312m,宽89.7m,高40m,总建筑面积8.98万 m\图书馆和音乐厅入口处均设有对称分布的树型结 构的大前厅,树型结构表面装饰成黄金色，故称黄金 树。黄金树按照树的生长机理设计，从下至上由主干、 粗枝、中枝和端枝组成，多根钢管杆件以不同的角度汇 交于一点,为铸钢节点枝状空间钢结构(见图1)。黄金 树建筑高度达40m,2棵树投影面积约3400m2 0汇交节

点共计67个，形 状各异，节点伸出 的枝管数量为3~ 10个。钢结构工 程量约1200t,主杆 件共计216根。复杂铸钢节点达

10个分枝、重达7.71U

铸钢节点

本工程的深化设计按国外做法由施工单位完 成，设计单位只进行审查。由于结构新颖独特,尤其是 铸钢节点造型复杂、体积庞大，给节点的计算和受力分 析带来困难。

铸钢节点具有不同性、多枝性、分枝多向性、体 积庞大、重量大等特点。从模型选择与制作、骨架打孔 定位、插杆，到铸件精度控制，都是铸钢铸造的新课题。

枝状空间结构为不规则结构，规模庞大，确保 黄金树整体安装到位且控制其精度,是一大难题0

黄金树的安装测控是一个复杂、庞大的体系。 安装过程中的累计误差控制难,相关节点的协调和修 正难。

枝状空间结构焊接约束较多，焊接变形控制较 难，铸钢件体形复杂、现场焊接空间狭窄，而且铸件与 钢管对接为不同材质、不同壁厚的高空全位置焊接。

铸钢节点案例

黄金树结构与铸钢节点造型的深化设计、节点铸 造、结构安装、测控与焊接等方面的综合技术在国内尚 无先例可循，具有较大难度。

2.1巨型复杂铸件的设计及验算

通过对节点的大量计算 和分析，创造性地釆用半空 心半实心的节点形式(见图 2),解决了铸钢节点的构造和受力难题。

材质 通过化学成分、力学性能比较,选用中 国牌ZG275485H代换原牌号(日本)SCW480焊接结 构用铸钢件。

模型建立 节点设计既要保证建筑安全，又要 满足铸造工艺可行，安装方便。选取一些代表性的节 点建立计算模型进行分析G节点分析与选择实心节点极限承载力 为设计承载力的45倍左右，铸造相对容易，但造成材 料的浪费，加大了节点的自重，同时难以解决一些焊接 技术问题，对整个黄金树结构受力将产生不利的作用； 空心节点 模型壁厚取28mm时，极限承载力为设 计承载力的5.71倍，材料省，自重轻，但给铸造带来相 当大的困难；半实心节点节点管径450mm或 350mm,壁厚40mm。极限承载力为设计承载力的15倍 左右，可以减轻节点自重，能解决节点焊接难度，同时 铸造工艺可行;根据各类型节点受力状况及铸造、安 装、焊接难度进行综合考虑，选择安全、经济、合理可行 的半空心半实心节点。

2.2铸件的铸造工艺

针对铸件体积大、重量大、分枝多及半空心等特 点，经查询资料和市场调研，传统的木模、蜡模、金属模 等工艺均不能解决制模问题，这就要求在模型选择与 制作、铸造工艺、成品的精度控制等方面采用新工艺。

模型选择消失模铸造工艺广泛运用于汽车 制造业，模具的材料可以随钢水自然挥发消失,但用于 如此复杂的建筑还是次。经过改进，采用消失模 铸造工艺。

模型制作将图纸数据转换成机床能够识别 的数据格式，然后制作模型骨架，在骨架中心处的圆球 上打孔定位,然后将经特殊处理的杆件插入孔内，既保 证杆件空间位置的准确性,又控制了每根杆件的长度。 经修整后，形成模型骨架。

铸造工艺 主要控制内容:采用透气性好、 强度高、干燥快的醇基涂料;布设浇铸系统;向砂 箱内通COz气体，使砂型硬化，然后注入钢水进行浇 铸;热处理改善钢性能;后处理控制铸件外观。

精度控制在铸造过程中，采用三坐标仪测量 控制铸钢件空间位置精度。为确保铸钢件铸造工艺更 加合理，使节点几何形状、外观达到建筑设计要求，在 正式生产前，选取典型的429号节点，按照1 ： 1的比例 进行模具制造试验及浇铸试验。

铸钢节点-深圳机场

枝状空间结构打破了传统的横平竖直的结构形 式,对现场安装提出了较高的技术要求I枝状空间结 构为不规则结构，节点铸件形状各异、外形复杂、体积 庞大。针对其形式和特点，制定了由下向上、由内及 夕卜、由主枝到次枝的空间定位安装工艺:

在铸钢节点下方搭设节点安装与校正专用固 定架与支撑架，吊装节点至支撑架上，调校节点至设计 位置。选择合理的焊接工艺，制定焊接顺序,减少焊 接约束，有效控制焊接变形。