钢壳沉管曲面结构优化设计与建造

郑志华 李爽 胡韬 潘均发 刘仕莲

摘    要：大型的道路、桥梁、隧道等钢壳沉管等钢结构，不必像船体曲面结构那样特别注重结构的光顺性，以提高船舶水动力性能。为此，本文提出一种类似微积分的方法，将曲面结构细分成若干平直结构，采用平直结构建模出图的方式，这种方法将有效提升大型钢结构产品的设计质量、制作效率以及缩短建造周期。

关键词：曲面结构；平直化；生产设计；建造

中图分类号：U459.5                                文献标识码：A

Optimum Design and Construction of Curved Surface

Structure of Steel Shell Immersed Tube

ZHENG Zhihua，  LI Shuang，  HU Tao，  PAN Junfa，  LIU Shilian

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Limited，  Guangzhou 511462 ）

Abstract： As to large steel structures for the roads， bridges and steel shell immersed pipes involve curved surface structure areas， if the ship curved surface structure modeling is used to carry out the production design， the efficiency is low and prone to mistakes. Such steel structures do not need like hull structure to pay special attention to the smoothness of structure to improve the ship hydrodynamic performance. Therefore， this paper puts forward a similar calculus method， where the curved surface structure is subdivided into several straight structures， and the flat structure modeling diagram is adopted. This method will effectively improve the design quality and production efficiency of large steel structure products， and shorten the construction cycle.

Key words： curved surface structure;  flat straight;  production design;   construction.

1     前言

目前大部分道路、橋梁、沉管隧道等大型钢结构的制造都由具备资质的船厂承接，这些钢结构不同于船体结构首尾区域曲面线型较大，通常都是平直结构，此类平直结构利用船舶生产设计软件建模出图效率较高，但部分钢结构涉及曲面结构，若采用船舶曲面结构建模开展生产设计，软件操作复杂，后期套料处理难度大，设计制造效率较低，而且容易出错。考虑到道路、桥梁、隧道沉管等钢结构不必像船体结构那样特别注重结构光顺性以提高船舶水动力性能，我们采用微积分的思维将曲面结构细分成若干平直结构，采用平直结构建模出图的方式，若这种方式能满足设计制作要求，将极大程度的降低设计制造成本，提升效率。

2     项目简介

我司为某海底隧道建造的钢壳沉管结构平面，如图1所示：钢壳结构主要由内外面板、横隔板、纵隔板、横向加强筋、纵肋及焊钉组成，纵横隔板将结构分隔成多个封闭的混凝土浇筑独立隔舱。本项目有6个管节为变径管节（整个管节为纵向圆弧结构），一个管节划分为9个大环段、72个小分段，共41档横隔板。

变径管节若采用曲面结构三维建模，步骤复杂，横向结构与曲面板相互交接时，划线均无法在套料册中显示，需手工进行划线的添加；在曲面结构上需开孔时，可能导致孔的大小数据不准确及开孔丢失等问题；在现场建造过程中，曲面结构也将导致胎架数据调整不便、现场划线困难、曲面板精度控制难度大等问题；曲面板架和型材均需使用设备进行加工，现场工作量大，成本费用高，还将严重影响现场建造周期。

基于以上，为了降低设计与施工难度，提高建造效率及降低人工成本，考虑将纵向曲面结构通过以直代曲的设计方法进行优化设计，以期达到降本增效的目的。

3    曲面结构平直化设计方法

钢壳隧道沉管变径管节主体结构，主要为内外面板、纵隔板、横隔板、纵肋和横向加强筋，其所有横向结构都是以R5 000 m为圆心的发散型结构，所有纵向结构都是以R5 000 m弧线段为管节中心进行偏移而形成的圆弧形结构。

曲面结构平直化设计方法，是在满足拱高-10≤h≤10 mm的精度前提下，将分段的纵向结构（包括纵向内外面板、纵隔板及纵肋）量取两端点连成一直线，以平面结构的形式进行设计建造。该方法既可提高设计建模速度，解决套料册划线及结构开孔问题，也可提高现场胎架制作效率，划线简便，精度控制测量便捷，减少曲面结构的加工，极大的缩减产品整体建造周期和降低人工成本消耗。

3.1   曲面结构与平直化结构生产设计对比

1）板架建模对比

曲面板架建模：创建一个曲面板所在的曲面→在曲面上分别定义曲面板所需的曲面板缝→曲面板定义。

平面板架建模：定义平面板架属性（定位面确定）→平面板定义。

通过上述曲面板与平面板架建模方式对比，可以看出：曲面建模要复杂很多，建模前需先创建一个曲面板所在的曲面，然后在该曲面上创建定义曲面板架所需的曲面板缝才能进行曲面板的定义；平面板架建模，只需定义完板架属性后，完成边界定义即可完成平面板架的建模。

本鋼壳隧道沉管结构为横隔板连续纵隔板中断，一道曲面纵向结构被分隔为41块纵隔板，即需把这41块纵隔板的曲面板缝定义完才能完成此道纵向结构的曲面板建模；将此道曲面纵向结构平直化，仅需修改好每块纵隔板板架属性中的定位面，利用拓补关系修改边界定义中前后边界即可完成纵隔板平面板架的建模。相比而言，曲面板需提前定义好曲面及曲面板架所需的曲面板缝才可进行曲面板的定义，本项目6个变径管节共有1361x6= 8 166张曲面板架的曲面及曲面板缝需要定义，使用平直化设计方法将极大的提高纵向板架的建模效率。

2）型材建模对比

曲面型材建模：创建船体曲线（即迹线曲线） →定义船体曲线对应的位置标签→曲面型材定义。

平面型材建模：直接进行扶强材定义。

通过上述曲面与平面型材建模方式对比，可以看出：曲面型材建模前，需要先创建该型材的船体曲线作为迹线曲线使用，再定义好该迹线曲线所对应的位置标签，在曲面型材定义的界面选取所需的迹线曲线、对应的位置标签及完成其他信息的填写才可完成曲面型材的建模；平面型材建模是在平面板架命令栏中进入扶强材定义界面，定义好所需扶强材的定位属性及完成其他信息的填写即可完成平面型材的建模。相比而言，曲面型材建模比平面型材建模多了创建迹线曲线和定义位置标签两个步骤，本项目6个变径管节共有382x6=2 292根船体曲线及其对应的位置标签需要定义，所以平直化设计方法将有效提高型材的建模效率。

3）拼板划线图对比

拼板图（如图2所示）中焊前尺寸是现场施工定位的依据，其计算公式为：焊前尺寸=理论尺寸+端口余量/补偿量+内部构件焊接收缩量-端口焊接间隙；完工尺寸是现场组件验收的依据，其计算公式为：完工尺寸=理论尺寸+端口余量/补偿量-端口焊接间隙；拼板划线图的零件可在套料册中提取，进行拼接后根据拼板图要求准确标注拼板的焊前、完工及对角线尺寸，划线图应以精度布置图中设置好的基准线为基准标注板架中的划线数据尺寸。

曲面结构零件从软件中导入后，套料册是无结构划线的，所以做拼板划线图前需在曲面结构零件图进行手工添加划线后再将零件进行拼接。手工添加划线工作量大，且划线尺寸需考虑到板架的端口余量、内部构件焊接收缩量、拼板焊接收缩量及端口焊接间隙，进一步增大了手工划线准确性的难度；平直化结构零件导入后，套料册上划线完整显示，零件上的划线为焊前尺寸数据，可直接用于拼板划线图绘制。

在做拼板划线图时，需在划线图上标出所有曲面结构线各档位距离基准线的尺寸，标注工作量大，容易造成标注跑偏；平直结构线只需标出前后两端点距离基准线的尺寸。显而易见，曲面结构的拼板划线图绘制难度大、数据多、易出现数据标注错误及划线不精确等问题。

4）斜板架定位数据图

平直化结构是由各个斜平面相接组成，为保证设计人员斜板架定位的准确性和建模的便捷性，专门编制了斜板架定位数据图，将各结构的定位坐标都在图纸上体现出来，设计人员在建模时可直接复制图纸上的数据进行三点斜平面的坐标定位，也保证了整个项目不同分段间斜平面坐标的统一性，解决了相邻分段板架对接错位的根源问题。

3.2   曲面结构与平直化结构现场建造对比

1）胎架对比

胎架布置前，先由精控人员用精度专用工具建立一个水平面，并将水平基准线标记于胎架支柱上，再根据胎位情况用激光经纬仪或全站仪开出角尺，即胎架中心线标记于地上，最后由施工班组根据胎架数据进行胎架支柱高度的调整，高度数据需标记于每根胎架支柱上，以便后续检测使用。活络支柱胎架形式，如图3所示。

曲面板胎架各个横向支柱高度都不同，需根据设计提供的胎架数据精确调整到位；平面板胎架各支柱高度，根据板厚区域不同规整排列，方便调整。

胎架支柱报验要求方面，曲面胎架需进行全检，平直胎架仅需抽检。

2）精度控制对比

在吊运、搁置及焊接等过程中，都会引起钢板的变形，在装配前将零件摆放平整后进行平整度测量，应保证偏差≤1 mm/m，若是超过标准值需采用三星辊或火工进行矫正；本隧道沉管钢结构曲面板曲率很小，需对曲面板使用水火弯板进行曲度控制，曲面板加工前需绘制加工线，加工后使用活络样板进行精度检测，精控部门对于水火弯板的钢板需进行全检；平面板精度测量方便，钢板零件可用水准仪或全站仪检查钢板的平整度，对于平整度不满足要求的部位进行矫正，达到精度要求即可。

3）划线对比

零件下料加工完毕后，需由现场划线班组根据设计提供的拼板划线图数据对零件进行精准的结构划线。

曲线划线复杂，数据多且容易出错，划线前需对所有数据进行检查核对，满足精度要求后使用样条进行曲线划线，人工成本占用较大；平直划线仅需将前后两点核对准确，拉直弹线后在划线中抽查几个数据，满足精度要求即可完成平直划线工作。

4    结束语

曲面结构一直是钢壳隧道沉管、船舶、桥梁建筑等结构建造的难点，本文通过使用曲面结构与平直化结构设计和建造方式的对比，分析使用平直化结构设计与建造的优点，特别是在设计建模效率、现场胎架搭设、精度控制测量及现场划线定位等方面的突出优势，能有效提升产品的建造效率及制作质量，降低了建造成本。

该优化设计方案已在本司承建的钢壳隧道沉管6个变径管节的设计与建造中实施，对设计与建造效率都有着明显的提升效果，保证了项目计划的顺利进行，该方法将推广使用在后续更多的新项目中。

参考文献

[1] 钢结构工程施工质量验收规范[S].北京：中华人民共和国建设部， 2002.

[2] 公路工程质量检验评定标准[S].北京：中华人民共和国交通运输部， 2017.