工艺工法qc建筑工程无脊多坡异面屋盖钢结构成型施工工法

'无脊多坡异面屋盖钢结构成型施工工法1、前言随着建筑业的快速发展，建筑施工和技术的运用，造型新颖、美观的建筑孕育而生。特别是展览馆、博物馆等大型公共建筑，其独特的造型能使建筑物具有多样化、个性化且更加唯美的特点。武汉建工承接的辛亥革命博物馆新建工程屋面呈“V”字形，结构形式为钢结构+钢筋混凝土板，钢结构由弯扭的“H”型钢焊接拼装而成，混凝土楼板厚度12cm，屋面由七个坡面组成，造型复杂，施工难度大，针对钢构件空间定位精确高、弯扭成型组装后屋面结构符合设计要求（坡度、坡向）等特点，项目部应用计算机三维放样技术、数控无膜成型技术、三维空间测量定位技术及屋盖钢结构安装成型技术等，实现设计要求，得到了包括业主、设计和监理单位等的一致好评，并获得武汉市优质结构工程，通过该工程实践总结形成本工法。2、工法特点2.1施工效率高相对于传统钢构件加工制作方法，运用计算机技术与数控技术保证构件制作无膜成型，并最大限度地降低了工程生产成本、提高了工程的生产效率。2.2整体性好通过数控压制成形好、施工精度高等特点实时控制变形曲面及分段成形达到多坡面整体成型，从而使无脊多坡屋面无须另做找坡，实现了现代钢结构制作工艺与混凝土结构施工的完美结合，钢构件成型后与设计屋面坡度一致、转折点相同。2.3结构外观成型精度高由弯扭构件形成屋面钢结构，构件钢梁纵横交叉，结构定位复杂。通过数控多点无膜压制成形、实时控制变形曲面及分段成形，保证构件之间的平滑过渡。3、适用范围本工法适用于工业与民用建筑中无脊多坡屋面钢结构的施工。4、工艺原理运用Tekla软件进行钢结构的三维空间深化设计，确定屋盖每个钢构件的空间位置以及构件的弯扭状态，实现建筑设计的复杂外形要求。弯扭构件的制作精度控制采用无膜成型技术，根据计算机创建的三维模型确定每一个弯扭构件的空间定位坐标，利用数控机床对高度可调的基本体进行实时运动控制，保证构件平滑的压制成设计完成面，实现板材的三维曲面9 成型。通过专业放样软件与数控机床的无缝对接，达到屋盖钢结构弯扭成型精度控制的目的。5、施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程图（如图5.1所示）：弯扭构件拼装与焊接钢构件安装及验收现场三维测量定位钢牛腿拼装与焊接弯扭钢骨梁的拼装与焊接结构三维成型放样确定屋盖弯折关键点导入关键点形成多坡面确定钢构件空间位置确定构件弯扭点及扭转度构件三维成型放样及建模数控机床精确下料及压制成型三辊卷板机卷制成型数控油压机无膜压制成型图5.1无脊多坡异面屋盖钢结构施工工艺流程图5.2操作要点5.2.1.结构三维成型放样由于建筑造型要求屋盖结构完成无脊多坡异面，采用Tekla进行空间三维模型进行深化设计。屋面钢结构首先需要准确的按标高点形成各个面，然后以无脊的形式将面与面之间形成边坡线，最后通过变坡线以截面弯扭的形式完成钢构件。9 图5.2.1-1辛亥革命博物馆新建工程屋面钢结构11个关键变坡空间控制点（1）根据设计图纸，在三维空间模型中创建与图纸相对应的空间控制的关键点，将关键点用直线连接形成关键线，从而屋面形成多个空间面的轮廓以及面与面的交线，作为多个空间面在模型中的交线。图5.2.1-2辛亥革命博物馆新建工程屋面钢结构导入关键点连线成面模型图（2）将结构图中的屋面布置图导入到模型中，然后在所有的梁与梁的定位交点以及梁通过变坡线的交点位置上创建铅垂线，然后利用第一步中勾勒出的空间面与当前创建的铅垂线。图5.2.1-3辛亥革命博物馆新建工程屋面钢结构二维矢量线段结构布置图9 图5.2.1-4空间面与交点位置的铅垂线确定空间精确定位点的示意图（3）利用Tekla-xsteel.16软件，利用【创建面与线的交点】工具求出铅垂线，通过面与面的交点，然后布置钢梁。构件布置成功后，进行节点建模。图5.2.1-5在模型中完成构件空间坐标点屋盖梁效果图通过以上步骤确定钢构件在异面中的空间定位点，可以准确的将钢构件布置在模型中。5.2.2数控三维放样及建模根据铅垂线与空间面的交点，确定构件的空间弯曲点坐标，同时在模型中逐步进行构件的空间三维建模。利用三维放样软件实现弯扭构件下料成型、弯扭构件组装及焊接，采用计算机三维放样技术绘制零件详图，绘制下料图及编制数控编程，完成弯扭构件的放样下料、压头、成型工艺、组装焊接及矫正检验。（1）根据弯扭构件的空间坐标，定出弯扭构件的平面弯曲点和空间扭转角度，再输入构件壁厚，自动生成弯扭构件实体模型，得到构件上的任意空间坐标。（2）对构件进行自动展开，形成展开的线型数据，然后将零件切割数据输入数控切割机进行钢板的下料切割。5.2.3数控机床精确下料及压制成型弯扭构件的加工关键是钢板的压制成型，弯板加工采用三辊卷板机卷制成型，局部配以数控油压机压制整形。9 图5.2.3柱上牛腿扭转图（1）采用全站仪、数控扫描仪等方法进行拼装。构件及对柱上的牛腿的扭转角度及弯曲点与钢梁进行预拼装（如图5.2.3）。（2）拼装时，根据制作工艺要求焊接收缩余量，预置焊接反变形，使用必要的装配和焊接胎具、工艺隔板及支撑。（3）在同一构件上焊接时，尽量采用热量分散对称分布方式施焊以抵消焊接应力与焊接变形，焊接时主要采用CO2气体保护焊及手工电弧焊的焊接方法。5.2.4弯扭构件拼装与焊接焊接采用手工电弧焊接打底，CO2气体保护焊填充和盖面以小电流和微小的摆动手法，采用双人对称，节点对称结构对称的全方位对称焊接技术以尽量减少焊接残余，防止焊接变形，确保焊接质量。（1）根据三维模型中结构空间成型的弯曲点和扭转角度，在弯扭构件的支撑柱牛腿使用全站仪逐一对构件弯曲点和扭转角度进行测量定位。（2）由于构件制作、测量、安装存在着不可避免的误差，在构件连接点上进行复核校正。5.2.5弯扭构件现场三维测量定位（1）吊装弯扭主梁杆件，在杆件弯曲各扭转部位设置点对位，把杆件吊装到位并与节点轴线对中测量空间弯扭点准确后，连接支撑柱牛腿节点与弯扭杆件（如图5.2.5）。（2）安装螺栓对钢梁进行固定，待校正完毕后，再换高强螺栓。（3）螺栓初拧及终拧时使用专用的扭力扳手和扭剪扳手进行施工，在终拧完成后及时对每个点进行检查，确保螺栓达到终拧扭矩。（4）螺栓终拧完毕后，进行现场焊接施工，主梁焊接采用以节点为中心对称、节点与各杆件同时焊接的方法，次梁焊接采用两端异侧同时施焊的方法，以抵消焊接应力与焊接变形。及时对节点部位用油漆进行封闭。9 图5.2.5弯扭构件现场安装图5.2.6钢构件安装及验收屋盖钢结构完成上述核心工艺以后，进行现场安装，安装完成后收集钢结构制作和安装过程中的资料，完成验收。5.3劳动力组织表5.3劳动力组织情况表序号钢结构施工安装所需人员备注1管理人员22技术人员33起重工64安装工205电焊工126电工27普工10合计556、材料与设备6.1主要施工机具投入计划见表6.1。表6.1主要施工机具投入计划序号设备名称规格型号数量用途备注1三辊卷板机1台构件制作2数控油压机1台构件制作3直流电焊机ZX-32040焊接4CO2焊机CPXS-50020焊接5碳刨机ZX5-63012焊接6电焊条烘箱YGCH-X-4004焊条烘焙7电热焊条保温筒TRB系列60焊条保温8角向砂轮机JB1193-7140焊缝打磨9 9空气压缩机XF2008焊接10倒链5/3t30稳定校正11千斤顶50/20/10t20稳定校正12钢丝绳6X37+124个吊绳、缆风绳6个4组13卸扣T-DW3020个吊装14钢板30*1500*30008块吊车支腿垫板6.2主要仪器投入计划见表6.2。表6.2主要仪器投入计划序号设备名称规格型号数量用于生产部位1超声波探伤仪USL-32UM22焊缝探伤2电子全站仪GTS-7011拼装、安装检测3经纬仪光学FDTL2CL2定线、长轴线测设4水准仪ALL3222标高测设5涂层测厚仪EPK600BF1油漆厚度检测7、质量控制7.1工程质量控制标准《型钢混凝土组合结构技术规程》JGJ138-2001;《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001;《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002;《钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程》JGJ82-91;《建筑钢结构防火技术规范》CECS200:2006;《钢结构防火涂料应用技术规范》CECS24:90;《厚度方向性能钢板》GB/T53137.2工程质量控制项目7.2.1主控项目项目规范允许偏差（mm）项目内控目标（mm）建筑总体垂直度偏差e≤H/2500+10e≤50e≤20建筑总高度偏差-H/1000≤e≤H/1000-30≤e≤30-20≤e≤20本建筑平面弯曲偏差e≤L/1500e≤25e≤20本建筑定位偏差e≤L/20000±3≤±27.2.2一般项目9 项目工程允许偏差(mm)项目内控目标(mm)地脚螺栓移位e≤1e≤1螺栓露出长度0≤e≤300≤e≤20定位轴线e≤1e≤1柱子的底座位移e≤3e≤2柱底标高-2≤e≤2-1.5≤e≤1.5上柱和下柱的扭转e≤3e≤2同一层柱的柱顶高差e≤5e≤4单节柱的垂直度e≤L/1000e≤10e≤L/1200e≤8同一根梁两端水平度e≤L/1000e≤10e≤L/1200e≤8主次梁表面高差-2≤e≤+2-2≤e≤+2桁架、梁跨中垂直度H/250e≤15H/250e≤8.0桁架、梁侧向弯曲H/1000e≤10H/1000e≤8现场焊缝组对间隙-2≤e≤+30≤e≤+38、安全措施8.1安全教育制度：所有进场施工人员必须经过安全培训，经公司、项目、班组三级教育，考核合格后方可上岗。高空作业人员应身体健康经体检合格后持证上岗，项目经理部必须分阶段对管理人员进行安全书面交底，各施工工段及专职安全员必须定期对各班组进行安全书面交底。8.2构件起吊前须计算出重心部位，钢绳长度、夹角及钢绳直径。选择吊点，计算杆件力。构件起吊时应保证水平，均匀离开平板车或地面。起重吊钩应在重心的正上方，起钩后构件不作前后、左右摆动。检查钢绳受力状况，几根钢绳应均匀受力。吊钩要求具有防跳绳装置，无排绳打搅现象。构件吊点应牢固，无滑落现象。起钩由地面人员指挥，塔机操作员应仅听从地面的专职人员指令。起钩速度应缓慢，施工人员不得站在构件上.。8.3构件起重高度应在人手可触及的高度，不能在空中自由任意摆动。构件吊运通道应无障碍物，施工人员不要站在构件运动方向，构件不得超跃头顶。8.4落钩前应明确位置，摆正构件，避免无目的随意摆放。构件下要垫放枕木以利于取出钢绳。落钩要使用慢速，经充分落钩钢绳不受力才能靠近取钢绳。忌手放在构下取物，钢绳退出时不允许使用吊钩直接拉动避免钢绳弹出伤人。8.5每一根主梁安装完后及时拉设安全绳，高于该层钢梁约1.1米9 ，两端固定在钢柱上，人员行走时，手扶钢丝绳，并将安全带挂于安全绳行走。8.6在主要施工通道铺设跳板，可以通过主要通道，达到各个施工作业点。8.7安装钢梁后及时根据安装情况，铺设水平安全网。8.8压型钢板铺设时，需边拆除安全网，边铺设压型钢板。并及时做好临边与洞口的防护工作。9、环保措施9.1噪音控制1、场内采用低噪音机械，一般情况晚上10点以后及午休时不施工。2、材料装卸采用人工传递，严禁抛掷或汽车一次性翻斗下料。严禁汽车高音鸣笛。9.2污水控制1、施工废水经沉淀处理有组织排放，生活废水经化粪池处理排放到业主污水处理站。2、大力宣传教育节约用水，减少污染，不乱倒、乱排。10、效益分析10.1社会效益无脊多坡异面屋盖结构弯扭成型施工工法涉及复杂钢结构及钢结构与混凝土组合结构的施工，创新了异形体空间结构设计方法、构件制作方法及现场测量定位方法、形成了异面成型结构的三维空间定位法、模拟空间深化设计法、弯扭构件制作成型法、钢结构与混凝土组合结构施工方法及现场三维测量定位法一系列施工成套技术，为今后复杂结构的施工安装积累了宝贵经验，为我国建筑业新技术的推广作出了贡献。10.2经济效益无脊多坡异面屋盖结构弯扭成型施工工法设计构件工厂一次加工成型，现场安装工效大大提高，人工费、机械台班费约节约了1/5。多坡屋面能实现一次性浇捣成型，屋面无须混凝土另做找坡层，材料费、机械费、人工费约节省1/6。11、应用举例辛亥革命博物馆新建工程位于武汉市武昌区首义文化园内，建筑面积为22138m2（其中地下6154m2,地上15984m2）地下一层，地上三层，其结构采用钢筋混凝土框架-钢骨混凝土剪力墙结构，伸至屋面的柱采用钢管混凝土柱，三层为钢梁-混凝土楼板体系。屋面为无脊多坡异面钢结构与混凝土组合屋盖结构。桁架间楼板采用压型钢板组合楼盖，楼盖钢梁间设有水平支撑，整个屋面钢结构完成85根钢梁弯扭制作，总重共计550t。9'