刻骨銘心的一個項目——新加坡不鏽鋼風車雕塑

作者：建築一網，http://www.jianzhu1.com

一、引言

2013年，小建建接觸到一個風車雕塑的項目。這件雕塑是黎巴嫩藝術家Nadim Karam創作的，他本身是建造師出身。雕塑的製作地點在上海，最終的安裝地點在新加坡，所以需要使用英標來計算（附註：當時新加坡還是用的英國規範，現在已經轉為歐洲規範了）。

二、設計

該風車使用的材料是316L不鏽鋼，屈服強度為170MPa。316L不鏽鋼的設計強度f=170/1.15=148MPa，彈性模量E=20600MPa。花瓣的連接採用四顆M16的不鏽鋼沉頭螺栓（如下圖所示），在花瓣偏心重力作用下的剪力估算V=1kN*m/0.083m/4=3kN，足夠。夾板採用12mm不鏽鋼板，內部沒有花瓣的地方填12mm鋼板。

由於該項目的複雜性，所以使用了ANSYS的APDL語言來編程計算其變形和應力情況。當時小建建記得這個雕塑每一片風車的葉子都不同，所以建模花了很大的心思，主要的思路是通過犀牛來完成主體結構的建模，再導入ANSYS來分析。

以下是有限元模型

這是位移圖，可發現葉片端部最大位移為15.7mm，而葉片根部的位移很小。

這是結果Von Mises應力雲圖，其最大應力小於不鏽鋼屈服應力，滿足。

為了更進一步分析葉片的受力情況，將葉片單獨拿出來做了分析，以下是分析結果。

三、組裝

採用分塊拼裝，主體一塊，葉片17塊。現場拼接方式採用沉頭螺栓。當時也考慮了焊接，但是由於鋁合金焊接處的強度相比構件出強度會下降30%~40%，而且現場焊接成本很高。所以，最終採用了沉頭螺栓的方案。螺栓放鬆的問題如何解決？這裡採用了高強特種膠水加固的方案。

以下是不鏽鋼焊接板樣品圖片。

以下是工程預拼裝圖片。

四、英標設計總結

風荷載計算公式如下所示，以後會專門來講一下歐標風荷載，這裡先不贅述。

計算內容如下：

風壓計算高度Z=5m基本風速Vb20m/s空氣密度ρ=1.194kg/m3Z0=0.05mCr(Z)=0.87 C0（Z）=1 lv(Z)=0.22 Vm(Z)=Cr(Z)*C0（Z）*Vb=17.50m/s風荷載標準值： qb(Z)=[1+7*lv(Z)]*0.5*ρ*Vm^2=0.46kN/㎡

五、部分ANSYS命令流（和犀牛協調建模）

IOPTN,IGES,SMOOTH nIOPTN,MERGE,YES nIOPTN,SOLID,YES nIOPTN,SMALL,YES nIOPTN,GTOLER, DEFA nIGESIN,Windmill_Flower,iges, !插入犀牛模型nAPLOT n