空间异型双曲钢结构箱梁制作施工工法

1 、前言

钢结构素有 “ 绿色建筑 ” 之称，近年来在我国建筑等行业中得到了快速发展，很多大型公共建筑的屋面、外立面都喜欢用钢结构做成优美、大气、别具一格的造型，我公司承建的贵港文化艺术中心工程项目的群艺馆、科技馆及大剧院两侧都有大面积造型独特的钢结构流水表皮。 为了体现 “ 流水 ” 造型，该钢结构大量采用曲率多变的空间弯扭构件，其中较重要的箱梁因弯曲度及弯曲方向都不同，是个空间双曲结构，施工时加工难度大要求精度高。 本工法可以在施工现场对钢板精准下料、制作和安装，不仅施工速度快，加工后的波浪弧线光滑圆顺满足设计要求，同时还可节约成本缩短工期，具有一定的先进性，通过在群艺馆、科技馆及大剧院三个单体工程中的应用取得了很好的效果，可以在类似的建筑中推广应用。

2、工法特点

2 . 1 本工法应用 BIM 进行三维建模，精确把握双曲钢梁各节点位置，为准确下料提供详细数据，在保证质量的同时降低了材料的浪费，节省了成本。

2.2 本工法为空间异型钢结构箱梁的制作施工，有效解决了双曲钢结构箱梁在下料及焊接精度不高等问题；箱梁在施工现场加工，有效解决了双曲钢结构箱梁在工厂制作不方便及运输至现场难度大等问题。

3、适用范围

本工法适用于大型箱型钢结构柱和箱型钢结构梁的制作施工，特别是采用双向弯曲钢结构等空间异型钢结构形式的建筑。

4、工艺原理

4.1 工艺原理

利用 BIM 对双曲钢结构箱梁进行三维建模，通过建构件精确放样详图精确放样下料，对于弯扭部分分段下料，用三辊卷板机卷制成型，用油压机将钢板端口整形卷圆。分段总装时，翼板直接在临时支承上进行整体配重压模成形，用线锤吊线定位来控制精度。组装过程用分段模拟复位、全站仪测量三维控制点进行尺寸检验。尺寸检验合格后进行主体整体焊接，进行焊接工作时，根据已经建好的各焊接部位三维模型详图焊接，过程由经验丰富的焊接工程师指导，由经验丰富的焊接工人施焊，保障构件加工的质量。

4.2钢结构箱梁基本构造： 主要由盖板、腹板、加劲隔板及侧板等组成，见图 4-1 。         

图 4-1   箱型梁

 

5、施工工艺流程及操作要点

5.1操作要点

5.1.1 、施工准备

（ 1 ） 施工前机械设备、材料进场，有关人员持证到岗。由技术员组织有关人员进行培训和交底，使操作人员充分掌握施工的具体做法和要点；并设置专职安全检查人员进行监督检查。

（ 2 ） 清理现场，将有碍拼接的材料、杂物清除干净，场地不得有积水。

（ 3 ） 按拼板任务单及领料单领取所需拼接的钢板，根据排版图对所领取的材质、厚度、尺寸、板数进行认真的核对。

（ 4 ） 吊运钢板至拼接场地，为防止钢板弯折变形，必须使用专用吊具。

5.1.2、放样

钢板下料切割、箱型钢组合、各部件和零件的组装，构件预拼件组装都利用 BIM 绘图软件按照设计图纸要求将构件按 1： 1 建立三维模型。再由专业放样工在加工面上和组装大样板上进行精确放样。放样时，按 1:1 在样板台上弹出大样。当大样尺寸过大时 , 可分段弹出；对一些三角形的构件 , 如果只对其节点有要求 , 则可以缩小比例弹出 , 但必须注意其精度 , 放样弹出的十字基准线 , 二线必须垂直 , 然后据此十字线逐一划出其他各个点及线 , 并在节点旁注上尺寸 , 以备复查及检验。放样后须经检验员检验，以确保零件、部件、构件加工的几何尺寸，形位分差、角度、安装接触面等的准确无误。

5.1.3、划线及号料：

对尺寸较小的板、杆材在不必要数控切割的情况下，用人工参照对应的三维详图进行划线、号料。划线、号料人员应做到熟练制作样板、样杆，熟悉样板、样杆上标注的符号和文字含意，搞清号料数量。

5.1.4、下料

5.1.4.1   钢板下料（气割）

（ 1 ） 通过 BIM 三维建模确定出成型后的弯扭板的各个控制点，然后将弯扭板展开，通过各控制点定出钢板的放样定位图，确定钢板下料形状。

（ 2 ） 切割前应用矫正机对钢板或型材进行矫正；对焊接钢板或型钢进行检验和探伤，确认合格后才准切割。

（ 3 ） 待钢板及小车的轨道放置好后，将小车沿切割线试走一遍，并随时调整轨道的位置，确保割矩始终按切割线行走。

（ 4 ） 切割前，先预热钢板边缘 1~2 分钟，钢板预热处呈红色，打开切割氧阀门，按下行走按钮，开始气割。

（ 5 ） 气割过程中，应随时观察割矩的火焰是否正常，切割速度是否合适，切割缝是否漏气，切割走向是否按切割线行进，并作随时调整。

（ 6 ） 切割完成后按公司内控标准检验切割面、几何尺寸、形状公差、切口截面等，检验合格后作上合格标识， 写上工程名称、数量、下料尺寸等 并 分类堆放在一起。

5.1.4.2  其它零件下料

一般情况下，钢结构其他零件均应使用余料按设计图纸、制作清单或拼接图进行划线下料。 对于能在剪切机上下料的零件则在剪切机上下料； 无法在剪切机上下料的，则采用半自动切割机或手工切割的方法进行下料并作好标识。 下料后的零件必须进行校平或校直。

5.1.5、弯扭板加工

本工程弯扭板加工采用 “ 三辊卷板机卷制成形为主，局部配以油压机整形 ” 的加工方案。钢板主要由三辊卷板机卷制成形，由于卷板机辊轴直径较大，钢板端头无法卷圆，因此端头采用油压机压制。 本工法 主要通过外协加工对钢板进行卷圆加工。

5.1.6、双曲箱梁组装及焊接：  

双曲箱梁的组装在专用拼装 钢板 上组装，采用卧拼组装的方式进行。焊接方法主要采取埋弧焊及 CO2 气体保护对称施焊 。

（ 1 ） 将开好坡口的翼板放置于钢板平台上；

（ 2 ）根据图纸要求，选取整齐的一端划出封头板的基准线，以封头板位置线为基准线划出内隔板、工艺隔板的位置线；

（ 3 ）将封头板、内隔板、工艺隔板按相应位置线垂直放置于翼板上，并将封头板、工艺隔板临时点固；如设计没有布置内隔板处，一般相隔 2500~3000mm 加入一块工艺隔板；

图 5-7 BIM 模拟封头板及内隔板放置固定

（ 4 ）用卷尺检测内隔板、工艺隔板、封头板的间距；用角尺检测封头板、内隔板、工艺隔板的垂直度，待确定各个尺寸都合格后进行点固焊；

（ 5 ）将两腹板放在内隔板两侧，并用夹具固定，调节好位置及尺寸并进行点固焊接；当内隔板与腹板间隙大于 3mm ，要将隔板取下堆焊返工或更换；

（ 6 ）内隔板衬条面一般统一高出腹板面 2~3mm ；  

（ 7 ）在腹板上引出内隔板与封头板的位置线，并在封头板位置线上敲上样冲（打一个点）；

（ 8 ）内隔板与翼腹板进行焊接，焊接时按下列参数进行焊接： I=200~240A ， U=28~32V ， V=20~35cm/min ；

（ 9 ）对设计要求探伤的焊缝进行探伤；  

（ 10 ）在全熔透区域装焊衬条，要求衬条一面与内隔板衬条面平齐；

（ 11 ） 盖板：将上翼板吊至 U型柱上，并从基准端开始，向另一端点固上翼板与腹板的连接缝，特别是隔板处应压紧上翼板后，再点固；

（ 12 ）盖板后进行自检，检验其截面尺寸、构件长度、坡口间隙等是否符合要求，确认合格后报检验员检验，检验员检验合格后进行盖板焊接。

5.1.6 .1   焊缝超声波探伤

超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并由一端截面进入另一端截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法。 当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波来，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断焊缝缺陷位置和大小。 根据焊缝缺陷位置及大小来判断是否影响结构的质量，不影响结构质量为合格焊缝，否则不合格。

5.1.7 、平直及矫正

（ 1 ） 钢材和型钢通过机械平直后钢材表面不得有凹痕和其它损伤，深度不得大于 0.5mm 。

（ 2 ） 钢材、型钢用火焰矫正时，矫直、矫平的材料必须通过自然状态冷却，不可强制冷却。

（ 3 ） 火焰矫正前要预先了解结构材质及其特点，以确定能否使用火焰矫正，并根据不同材质正确掌握矫正过程中的温度，避免因火焰矫正而导致材料机械性能的严重下降。

（ 4 ） 分析结构的变形情况，考虑加热方式，加热位置和矫正步骤，选择最佳的矫正方案。

（ 5 ） 火焰矫正温度应控制在 900 度内。

（ 6 ） 弯曲成形的零件应采用弧形样板检查。当零件弦长小于或等于 1500mm 时，样板弦长不应小于零件弦长的 2/3 ；零件弦长大于 1500mm 时，样板弦长不应小于 1500mm 。成形部位与样板的间隙不得大于 2.0mm 。

（ 7 ） 矫正好构件必须按规格编号分类，不能混放。

5.1.8 、钻孔

（ 1 ） 用模板打孔构件首先校对模板的孔径、编号、行距与要求相符合方可打孔。

（ 2 ） 模板中心线必须对准构件中心线，并用轧紧器轧紧。

（ 3 ） 螺栓孔的分组应符合下列规定：

1 ）在节点中连接板情形一根杆件相连的所有螺栓孔为一组；

2 ）对接接头在拼接板一侧的螺栓孔为一组；

3 ）在两相邻节点或接头间的螺栓孔为一组，但不包括上述两款所规定的螺栓孔；

4 ）受弯构件翼缘上的连续螺栓孔，每米长度范围内的螺栓孔为一组。

5.1.9、摩擦面处理

（ 1 ） 高强度螺栓摩擦面处理后的抗滑移系数值应符合设计的要求；

（ 2 ） 采用砂轮打磨处理摩擦面时，打磨范围不应小于螺栓孔径的 4 倍，打磨方向与构件受力方面垂直；

（ 3 ） 处理好的摩擦面，应作抗滑移系数试验，最小值应符合设计的要求。

（ 4 ） 处理好的摩擦面，不得有飞边、毛刺、焊疤或污损等。

5.1.10 、涂装

（ 1 ） 除锈采用喷丸，除锈等级达到 Sa2 级。经表面处理的钢结构应清洁无灰尘， 4~6 小时内应上底漆，防止腐蚀。湿度大于 80% 时，严禁喷丸。

（ 2 ） 当钢材表面温度低于露点以上 3 度时，相对湿度大于 85% ，不得油漆，露天作业涂覆时，出现雨、霜或环境温度在 5 度以下时，均应停止作业，涂后四小时内严防雨淋。

（ 3 ） 高强螺栓连接的摩擦面、埋入砼内的钢结构表面，密封的内表面等部位不涂漆。

（ 4 ） 各种涂料必需具备产品合格证书和混合材料的配料说明书。因存放过久，超过使用期限的涂料，应取样进行质量检测，检测项目按产品标准的规定或设计部门要求。

（ 5 ） 涂料色泽按设计要求，涂料调制应搅拌均匀，防止沉淀，影响色泽。当天使用的涂料当天配置。

（ 6 ） 不得随意添加稀释剂，当粘度过大不便涂刷时，可适量加入，但不得超过 5% 。

（ 7 ） 目测涂装质量应均匀、细致，无明显色差，无流挂、失光、起皱、针孔、气泡、裂纹、脱落、脏物粘附、漏涂等，必须附着良好。

（ 8 ） 损伤涂膜应根据损伤的情况，砂、磨、铲后重新按层涂刷。

（ 9 ） 最短涂装间隔 8 小时以上。

6、效益分析

6.1 经济效益

在贵港市文化艺术中心建设项目中，流水表皮为空间异型曲面，杆件多为双曲箱型杆件，且节点全部为相贯面焊接，加工精度要求高；钢板厚度薄，加工时变形控制难度大。应用空间异型双曲钢结构箱梁制作施工工法不仅缩短制作工期，在现场施工过程中产生的余料用了生产其他零件，节省了大 量 原材料及人工费，最终使造价成本得到很大程度的降低，给施工带来显著的经济效益。

经济效益分析（以 流水表皮及大剧院工程共 30 0T 计算） ：

1 ） 在该项目施工中，节省材料费约 2500× （ 11 +10 ） = 52 500 元。

2 ） 在该项目施工中，节省运输费 220× （ 150 +150 ） = 66 000 元。

3 ） 在该项目施工中，大约节约 800 工日，节省人工费 80 0×220= 176000 元。 其中流水表皮工程 500 工日（下料节省 300 工日，焊接节省 150 工日，其他工作节约 50 工日。）；大剧院工程 300 工日（下料节省 200 工日，焊接节省 80 工日，其他工作节约 20 工日。）。

  4 ） 节约费用合计： 52 500+ 66 000+ 176 000= 294 500 元

6.2 社会效益

使用本工法可以降低材料损耗、节能减排，达到环保绿色施工要求，有利于文明施工。本工法的编制、推广和应用，符合国家节能、环保的建筑发展方向要求，对行业的类似工程形成良好带动效果。双向弯曲钢结构箱梁的现场制作过程及质量获得了监理单位、建设单位的一致好评，对外展示了工程建设新形象，提高公司创新能力，更提高公司的市场竞争力。

7、应用实例

某文化艺术中心建设项目位于**市迎宾大道与荷城路交汇处东南角。总建筑面积为 115324 ㎡。建设内容包括：科技馆、群众艺术馆、大剧院和室外景观广场等相关配套设施。本工法成功地应用于贵港市文化艺术中心建设项目，工程质量满足设计和规范要求。

7.1 **市文化艺术中心建设项目——流水表皮

该工程东侧及西侧有大面积的流水表皮，如图 11.1-1 所示，在施工过程中经常遇到双向弯曲钢结构梁，运用了此工法，通过 BIM 三维建模，精确放样定位双向弯曲钢结构箱梁，用独特施工工法进行下料制作，使项目节约了很多人力物力，缩短了项目的工期，为项目创造巨大的效益。

  图 11-1 流水表皮效果图

图11-2 西流水表皮部分标高图

图 11- 3    动流水表皮部分标高图

7.2 **市文化艺术中心建设项目——大剧院

**市文化艺术中心大剧院总建筑面积 22837.56 平方米，地下二层，地上一层，建筑高度为 27.3 米。建筑结构形式为钢筋混凝土框架 - 剪力墙结构，钢结构屋架。