無(wú)脊多坡異面屋蓋鋼結(jié)構(gòu)成型施工工法1、前言隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，建筑施工和技術(shù)的運(yùn)用，造型新穎、美觀的建筑孕育而生。特別是展覽館、博物館等大型公共建筑，其獨(dú)特的造型能使建筑物具有多樣化、個(gè)性化且更加唯美的特點(diǎn)。武漢建工承接的辛亥革命博物館新建工程屋面呈“V”字形，結(jié)構(gòu)形式為鋼結(jié)構(gòu)+鋼筋混凝土板，鋼結(jié)構(gòu)由彎扭的“H”型鋼焊接拼裝而成，混凝土樓板厚度12cm，屋面由七個(gè)坡面組成，造型復(fù)雜，施工難度大，針對(duì)鋼構(gòu)件空間定位精確高、彎扭成型組裝后屋面結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求（坡度、坡向）等特點(diǎn)，項(xiàng)目部應(yīng)用計(jì)算機(jī)三維放樣技術(shù)、數(shù)控?zé)o膜成型技術(shù)、三維空間測(cè)量定位技術(shù)及屋蓋鋼結(jié)構(gòu)安裝成型技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，得到了包括業(yè)主、設(shè)計(jì)和監(jiān)理單位等的一致好評(píng)，并獲得武漢市優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)工程，通過(guò)該工程實(shí)踐總結(jié)形成本工法。2、工法特點(diǎn)2.1施工效率高相對(duì)于傳統(tǒng)鋼構(gòu)件加工制作方法，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)控技術(shù)保證構(gòu)件制作無(wú)膜成型，并最大限度地降低了工程生產(chǎn)成本、提高了工程的生產(chǎn)效率。2.2整體性好通過(guò)數(shù)控壓制成形好、施工精度高等特點(diǎn)實(shí)時(shí)控制變形曲面及分段成形達(dá)到多坡面整體成型，從而使無(wú)脊多坡屋面無(wú)須另做找坡，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)制作工藝與混凝土結(jié)構(gòu)施工的完美結(jié)合，鋼構(gòu)件成型后與設(shè)計(jì)屋面坡度一致、轉(zhuǎn)折點(diǎn)相同。2.3結(jié)構(gòu)外觀成型精度高由彎扭構(gòu)件形成屋面鋼結(jié)構(gòu)，構(gòu)件鋼梁縱橫交叉，結(jié)構(gòu)定位復(fù)雜。通過(guò)數(shù)控多點(diǎn)無(wú)膜壓制成形、實(shí)時(shí)控制變形曲面及分段成形，保證構(gòu)件之間的平滑過(guò)渡。3、適用范圍本工法適用于工業(yè)與民用建筑中無(wú)脊多坡屋面鋼結(jié)構(gòu)的施工。4、工藝原理運(yùn)用Tekla軟件進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的三維空間深化設(shè)計(jì)，確定屋蓋每個(gè)鋼構(gòu)件的空間位置以及構(gòu)件的彎扭狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)的復(fù)雜外形要求。彎扭構(gòu)件的制作精度控制采用無(wú)膜成型技術(shù)，根據(jù)計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的三維模型確定每一個(gè)彎扭構(gòu)件的空間定位坐標(biāo)，利用數(shù)控機(jī)床對(duì)高度可調(diào)的基本體進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制，保證構(gòu)件平滑的壓制成設(shè)計(jì)完成面，實(shí)現(xiàn)板材的三維曲面成型。通過(guò)專(zhuān)業(yè)放樣軟件與數(shù)控機(jī)床的無(wú)縫對(duì)接，達(dá)到屋蓋鋼結(jié)構(gòu)彎扭成型精度控制的目的。5、施工工藝流程及操作要點(diǎn)5.1施工工藝流程圖（如圖5.1所示）：彎扭構(gòu)件拼裝與焊接彎扭構(gòu)件拼裝與焊接鋼構(gòu)件安裝及驗(yàn)收現(xiàn)場(chǎng)三維測(cè)量定位鋼牛腿拼裝與焊接彎扭鋼骨梁的拼裝與焊接結(jié)構(gòu)三維成型放樣確定屋蓋彎折關(guān)鍵點(diǎn)導(dǎo)入關(guān)鍵點(diǎn)形成多坡面確定鋼構(gòu)件空間位置確定構(gòu)件彎扭點(diǎn)及扭轉(zhuǎn)度構(gòu)件三維成型放樣及建模數(shù)控機(jī)床精確下料及壓制成型三輥卷板機(jī)卷制成型數(shù)控油壓機(jī)無(wú)膜壓制成型圖5.1無(wú)脊多坡異面屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工工藝流程圖5.2操作要點(diǎn).結(jié)構(gòu)三維成型放樣由于建筑造型要求屋蓋結(jié)構(gòu)完成無(wú)脊多坡異面，采用Tekla進(jìn)行空間三維模型進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。屋面鋼結(jié)構(gòu)首先需要準(zhǔn)確的按標(biāo)高點(diǎn)形成各個(gè)面，然后以無(wú)脊的形式將面與面之間形成邊坡線(xiàn)，最后通過(guò)變坡線(xiàn)以截面彎扭的形式完成鋼構(gòu)件。圖-1辛亥革命博物館新建工程屋面鋼結(jié)構(gòu)11個(gè)關(guān)鍵變坡空間控制點(diǎn)（1）根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，在三維空間模型中創(chuàng)建與圖紙相對(duì)應(yīng)的空間控制的關(guān)鍵點(diǎn)，將關(guān)鍵點(diǎn)用直線(xiàn)連接形成關(guān)鍵線(xiàn)，從而屋面形成多個(gè)空間面的輪廓以及面與面的交線(xiàn)，作為多個(gè)空間面在模型中的交線(xiàn)。圖-2辛亥革命博物館新建工程屋面鋼結(jié)構(gòu)導(dǎo)入關(guān)鍵點(diǎn)連線(xiàn)成面模型圖（2）將結(jié)構(gòu)圖中的屋面布置圖導(dǎo)入到模型中，然后在所有的梁與梁的定位交點(diǎn)以及梁通過(guò)變坡線(xiàn)的交點(diǎn)位置上創(chuàng)建鉛垂線(xiàn)，然后利用第一步中勾勒出的空間面與當(dāng)前創(chuàng)建的鉛垂線(xiàn)。圖-3辛亥革命博物館新建工程屋面鋼結(jié)構(gòu)二維矢量線(xiàn)段結(jié)構(gòu)布置圖圖-4空間面與交點(diǎn)位置的鉛垂線(xiàn)確定空間精確定位點(diǎn)的示意圖（3）利用Tekla-xsteel.16軟件，利用【創(chuàng)建面與線(xiàn)的交點(diǎn)】工具求出鉛垂線(xiàn)，通過(guò)面與面的交點(diǎn)，然后布置鋼梁。構(gòu)件布置成功后，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)建模。圖-5在模型中完成構(gòu)件空間坐標(biāo)點(diǎn)屋蓋梁效果圖通過(guò)以上步驟確定鋼構(gòu)件在異面中的空間定位點(diǎn)，可以準(zhǔn)確的將鋼構(gòu)件布置在模型中。數(shù)控三維放樣及建模根據(jù)鉛垂線(xiàn)與空間面的交點(diǎn)，確定構(gòu)件的空間彎曲點(diǎn)坐標(biāo)，同時(shí)在模型中逐步進(jìn)行構(gòu)件的空間三維建模。利用三維放樣軟件實(shí)現(xiàn)彎扭構(gòu)件下料成型、彎扭構(gòu)件組裝及焊接，采用計(jì)算機(jī)三維放樣技術(shù)繪制零件詳圖，繪制下料圖及編制數(shù)控編程，完成彎扭構(gòu)件的放樣下料、壓頭、成型工藝、組裝焊接及矯正檢驗(yàn)。（1）根據(jù)彎扭構(gòu)件的空間坐標(biāo)，定出彎扭構(gòu)件的平面彎曲點(diǎn)和空間扭轉(zhuǎn)角度，再輸入構(gòu)件壁厚，自動(dòng)生成彎扭構(gòu)件實(shí)體模型，得到構(gòu)件上的任意空間坐標(biāo)。（2）對(duì)構(gòu)件進(jìn)行自動(dòng)展開(kāi)，形成展開(kāi)的線(xiàn)型數(shù)據(jù)，然后將零件切割數(shù)據(jù)輸入數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行鋼板的下料切割。數(shù)控機(jī)床精確下料及壓制成型彎扭構(gòu)件的加工關(guān)鍵是鋼板的壓制成型，彎板加工采用三輥卷板機(jī)卷制成型，局部配以數(shù)控油壓機(jī)壓制整形。圖柱上牛腿扭轉(zhuǎn)圖（1）采用全站儀、數(shù)控掃描儀等方法進(jìn)行拼裝。構(gòu)件及對(duì)柱上的牛腿的扭轉(zhuǎn)角度及彎曲點(diǎn)與鋼梁進(jìn)行預(yù)拼裝（如圖）。（2）拼裝時(shí)，根據(jù)制作工藝要求焊接收縮余量，預(yù)置焊接反變形，使用必要的裝配和焊接胎具、工藝隔板及支撐。（3）在同一構(gòu)件上焊接時(shí)，盡量采用熱量分散對(duì)稱(chēng)分布方式施焊以抵消焊接應(yīng)力與焊接變形，焊接時(shí)主要采用CO2氣體保護(hù)焊及手工電弧焊的焊接方法。5.2.4彎扭構(gòu)件拼裝與焊接焊接采用手工電弧焊接打底，CO2氣體保護(hù)焊填充和蓋面以小電流和微小的擺動(dòng)手法，采用雙人對(duì)稱(chēng)，節(jié)點(diǎn)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)的全方位對(duì)稱(chēng)焊接技術(shù)以盡量減少焊接殘余，防止焊接變形，確保焊接質(zhì)量。（1）根據(jù)三維模型中結(jié)構(gòu)空間成型的彎曲點(diǎn)和扭轉(zhuǎn)角度，在彎扭構(gòu)件的支撐柱牛腿使用全站儀逐一對(duì)構(gòu)件彎曲點(diǎn)和扭轉(zhuǎn)角度進(jìn)行測(cè)量定位。（2）由于構(gòu)件制作、測(cè)量、安裝存在著不可避免的誤差，在構(gòu)件連接點(diǎn)上進(jìn)行復(fù)核校正。5.2.5彎扭構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)三維測(cè)量定位（1）吊裝彎扭主梁桿件，在桿件彎曲各扭轉(zhuǎn)部位設(shè)置點(diǎn)對(duì)位，把桿件吊裝到位并與節(jié)點(diǎn)軸線(xiàn)對(duì)中測(cè)量空間彎扭點(diǎn)準(zhǔn)確后，連接支撐柱牛腿節(jié)點(diǎn)與彎扭桿件（如圖5.2.5）。（2）安裝螺栓對(duì)鋼梁進(jìn)行固定，待校正完畢后，再換高強(qiáng)螺栓。（3）螺栓初擰及終擰時(shí)使用專(zhuān)用的扭力扳手和扭剪扳手進(jìn)行施工，在終擰完成后及時(shí)對(duì)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢查，確保螺栓達(dá)到終擰扭矩。（4）螺栓終擰完畢后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接施工，主梁焊接采用以節(jié)點(diǎn)為中心對(duì)稱(chēng)、節(jié)點(diǎn)與各桿件同時(shí)焊接的方法，次梁焊接采用兩端異側(cè)同時(shí)施焊的方法，以抵消焊接應(yīng)力與焊接變形。及時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)部位用油漆進(jìn)行封閉。圖5.2.5彎扭構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)安裝圖鋼構(gòu)件安裝及驗(yàn)收屋蓋鋼結(jié)構(gòu)完成上述核心工藝以后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝，安裝完成后收集鋼結(jié)構(gòu)制作和安裝過(guò)程中的資料，完成驗(yàn)收。5.3勞動(dòng)力組織表5.3勞動(dòng)力組織情況表序號(hào)鋼結(jié)構(gòu)施工安裝所需人員備注1管理人員22技術(shù)人員33起重工64安裝工205電焊工126電工27普工10合計(jì)556、材料與設(shè)備6.1主要施工機(jī)具投入計(jì)劃見(jiàn)表6.1。表6.1主要施工機(jī)具投入計(jì)劃序號(hào)設(shè)備名稱(chēng)規(guī)格型號(hào)數(shù)量用途備注1三輥卷板機(jī)1臺(tái)構(gòu)件制作2數(shù)控油壓機(jī)1臺(tái)構(gòu)件制作3直流電焊機(jī)ZX-32040焊接4CO2焊機(jī)CPXS-500020焊接5碳刨機(jī)ZX5-63012焊接6電焊條烘箱YGCH-X-44004焊條烘焙7電熱焊條保溫筒TRB系列60焊條保溫8角向砂輪機(jī)JB1193-77140焊縫打磨9空氣壓縮機(jī)XF2008焊接10倒鏈5/3t30穩(wěn)定校正11千斤頂50/20/100t20穩(wěn)定校正12鋼絲繩6X37+124個(gè)吊繩、纜風(fēng)繩6個(gè)4組13卸扣T-DW3020個(gè)吊裝14鋼板30*1500**30008塊吊車(chē)支腿墊板6.2主要儀器投入計(jì)劃見(jiàn)表6.2。表6.2主要儀器投入計(jì)劃序號(hào)設(shè)備名稱(chēng)規(guī)格型號(hào)數(shù)量用于生產(chǎn)部位1超聲波探傷儀USL-32UMM22焊縫探傷2電子全站儀GTS-7011拼裝、安裝檢測(cè)3經(jīng)緯儀光學(xué)FDTL2CCL2定線(xiàn)、長(zhǎng)軸線(xiàn)測(cè)設(shè)設(shè)4水準(zhǔn)儀ALL3222標(biāo)高測(cè)設(shè)5涂層測(cè)厚儀EPK600BFF1油漆厚度檢測(cè)7、質(zhì)量控制7.1工程質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ138-2001;《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50205-2001;《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》JGJ81-2002;《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)程》JGJ82-91;《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》CECS200:2006;《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》CECS24:90;《厚度方向性能鋼板》GB/T53137.2工程質(zhì)量控制項(xiàng)目主控項(xiàng)目項(xiàng)目目規(guī)范允許偏差（mmm）項(xiàng)目?jī)?nèi)控目標(biāo)（mmm）建筑總體垂直度偏偏差e≤H/2500+110e≤50e≤20建筑總高度偏差-H/1000≤≤e≤H/10000-30≤e≤30-20≤e≤200本建筑平面彎曲偏偏差e≤L/1500ee≤25e≤20本建筑定位偏差e≤L/20000±3≤±27.2.2一般項(xiàng)目項(xiàng)目工程允許偏差(mmm)項(xiàng)目?jī)?nèi)控目標(biāo)(mmm)地腳螺栓移位e≤1e≤1螺栓露出長(zhǎng)度0≤e≤300≤e≤20定位軸線(xiàn)e≤1e≤1柱子的底座位移e≤3e≤2柱底標(biāo)高-2≤e≤22-1.5≤e≤≤1.5上柱和下柱的扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)e≤3e≤2同一層柱的柱頂高高差e≤5e≤4單節(jié)柱的垂直度e≤L/1000e≤10e≤L/1200e≤8同一根梁兩端水平平度e≤L/1000e≤≤10e≤L/1200e≤≤8主次梁表面高差-2≤e≤+2-2≤e≤+2桁架、梁跨中垂直直度H/250ee≤15H/250e≤≤8.0桁架、梁側(cè)向彎曲曲H/1000e≤≤10H/1000e≤≤8現(xiàn)場(chǎng)焊縫組對(duì)間隙隙-2≤e≤+30≤e≤+38、安全措施8.1安全教育制度：所有進(jìn)場(chǎng)施工人員必須經(jīng)過(guò)安全培訓(xùn)，經(jīng)公司、項(xiàng)目、班組三級(jí)教育，考核合格后方可上崗。高空作業(yè)人員應(yīng)身體健康經(jīng)體檢合格后持證上崗，項(xiàng)目經(jīng)理部必須分階段對(duì)管理人員進(jìn)行安全書(shū)面交底，各施工工段及專(zhuān)職安全員必須定期對(duì)各班組進(jìn)行安全書(shū)面交底。8.2構(gòu)件起吊前須計(jì)算出重心部位，鋼繩長(zhǎng)度、夾角及鋼繩直徑。選擇吊點(diǎn)，計(jì)算桿件力。構(gòu)件起吊時(shí)應(yīng)保證水平，均勻離開(kāi)平板車(chē)或地面。起重吊鉤應(yīng)在重心的正上方，起鉤后構(gòu)件不作前后、左右擺動(dòng)。檢查鋼繩受力狀況，幾根鋼繩應(yīng)均勻受力。吊鉤要求具有防跳繩裝置，無(wú)排繩打攪現(xiàn)象。構(gòu)件吊點(diǎn)應(yīng)牢固，無(wú)滑落現(xiàn)象。起鉤由地面人員指揮，塔機(jī)操作員應(yīng)僅聽(tīng)從地面的專(zhuān)職人員指令。起鉤速度應(yīng)緩慢，施工人員不得站在構(gòu)件上.。8.3構(gòu)件起重高度應(yīng)在人手可觸及的高度，不能在空中自由任意擺動(dòng)。構(gòu)件吊運(yùn)通道應(yīng)無(wú)障礙物，施工人員不要站在構(gòu)件運(yùn)動(dòng)方向，構(gòu)件不得超躍頭頂。8.4落鉤前應(yīng)明確位置，擺正構(gòu)件，避免無(wú)目的隨意擺放。構(gòu)件下要墊放枕木以利于取出鋼繩。落鉤要使用慢速，經(jīng)充分落鉤鋼繩不受力才能靠近取鋼繩。忌手放在構(gòu)下取物，鋼繩退出時(shí)不允許使用吊鉤直接拉動(dòng)避免鋼繩彈出傷人。8.5每一根主梁安裝完后及時(shí)拉設(shè)安全繩，高于該層鋼梁約1.1米，兩端固定在鋼柱上，人員行走時(shí)，手扶鋼絲繩，并將安全帶掛于安全繩行走。8.6在主要施工通道鋪設(shè)跳板，可以通過(guò)主要通道，達(dá)到各個(gè)施工作業(yè)點(diǎn)。8.7安裝鋼梁后及時(shí)根據(jù)安裝情況，鋪設(shè)水平安全網(wǎng)。8.8壓型鋼板鋪設(shè)時(shí)，需邊拆除安全網(wǎng)，邊鋪設(shè)壓型鋼板。并及時(shí)做好臨邊與洞口的防護(hù)工作。9、環(huán)保措施9.1噪音控制1、場(chǎng)內(nèi)采用低噪音機(jī)械，一般情況晚上10點(diǎn)以后及午休時(shí)不施工。2、材料裝卸采用人工傳遞，嚴(yán)禁拋擲或汽車(chē)一次性翻斗下料。嚴(yán)禁汽車(chē)高音鳴笛。9.2污水控制1、施工廢水經(jīng)沉淀處理有組織排放，生活廢水經(jīng)化糞池處理排放到業(yè)主污水處理站。2、大力宣傳教育節(jié)約用水，減少污染，不亂倒、亂排。10、效益分析10.1社會(huì)效益無(wú)脊多坡異面屋蓋結(jié)構(gòu)彎扭成型施工工法涉及復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)與混凝土組合結(jié)構(gòu)的施工，創(chuàng)新了異形體空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、構(gòu)件制作方法及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量定位方法、形成了異面成型結(jié)構(gòu)的三維空間定位法、模擬空間深化設(shè)計(jì)法、彎扭構(gòu)件制作成型法、鋼結(jié)構(gòu)與混凝土組合結(jié)構(gòu)施工方法及現(xiàn)場(chǎng)三維測(cè)量定位法一系列施工成套技術(shù)，為今后復(fù)雜結(jié)構(gòu)的施工安裝積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，為我國(guó)建筑業(yè)新技術(shù)的推廣作出了貢獻(xiàn)。10.2經(jīng)濟(jì)效益無(wú)脊多坡異面屋蓋結(jié)構(gòu)彎扭成型施工工法設(shè)計(jì)構(gòu)件工廠(chǎng)一次加工成型，現(xiàn)場(chǎng)安裝工效大大提高，人工費(fèi)、機(jī)械臺(tái)班費(fèi)約節(jié)