箱形空間彎扭建筑鋼構(gòu)件的加工制作施工技術(shù)

【摘要】箱形空間彎扭鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的軸線在兩個(gè)主平面內(nèi)彎曲，其橫截面同時(shí)還發(fā)生扭轉(zhuǎn)，此類構(gòu)件的加工制作施工技術(shù)是建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的一大難點(diǎn)。深圳當(dāng)代藝術(shù)館與城市規(guī)劃展覽館鋼結(jié)構(gòu)工程，建筑造型復(fù)雜，構(gòu)件大、板厚且空間彎扭，加工制作難度非常大。本文通過對(duì)該類構(gòu)件的加工制作過程進(jìn)行描述分析，主要從空間彎扭構(gòu)件的形成原理與規(guī)律著手分析，通過對(duì)構(gòu)件圖紙進(jìn)行詳圖深化、構(gòu)件的胎架放樣、搭設(shè)胎架、加工制作，以及后續(xù)的焊接成型等整個(gè)工序全過程所采用的方法進(jìn)行了總結(jié)。為后續(xù)工程中類似空間彎扭構(gòu)件的加工制作奠定良好的基礎(chǔ)，通過快捷、高效、成熟的施工技術(shù)來提高整個(gè)建筑鋼結(jié)構(gòu)的加工制作效率。

【關(guān)鍵詞】箱形空間彎扭鋼構(gòu)件；加工制作；組裝；施工技術(shù)鋼結(jié)構(gòu)；彎扭構(gòu)件；加工

1、工程概況

深圳當(dāng)代藝術(shù)館與城市規(guī)劃展覽館項(xiàng)目簡稱“深圳兩館項(xiàng)目”，該項(xiàng)目位于深圳中心區(qū)中軸線，南臨市民中心，北靠市少年宮，西臨深圳書城，建成后的深圳兩館是深圳市新的標(biāo)志性建筑之一。該工程用地面積29688 m2，建筑面積88185.38m2，地上5層，地下1層，局部2層，建筑高度約50m。由14000m2展示面積的當(dāng)代藝術(shù)館和11000平方米展示面積的城市規(guī)劃展覽館合二為一成為推廣新銳藝術(shù)并展示城市規(guī)劃設(shè)計(jì)的大型公共文化建筑。

該工程主體鋼結(jié)構(gòu)部分總噸位重約19300噸，所用鋼材為Q345B、Q390GJC和0420GJC。構(gòu)件截面形式包含日字型、箱型、圓管、H型等形式。工程由這些截面形式的空間彎扭構(gòu)件和非空間彎扭構(gòu)件組合而成（兩館效果圖、模型圖見圖1-a、1-b）。所使用的板厚度從6mm～60mm。

2、對(duì)該工程結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件形成原理的理解

深圳兩館項(xiàng)目外形奇特，極具藝術(shù)效果同時(shí)又很好的兼顧了展示功能。該項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)廊闊了大懸挑桁架鋼結(jié)構(gòu)、空間異面彎曲鋼結(jié)構(gòu)和核心筒一框架結(jié)構(gòu)體系于一體。主樓為復(fù)雜空間大跨結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為6個(gè)型鋼混凝土核心筒，作為懸挑桁架及復(fù)雜大跨空間結(jié)構(gòu)的支點(diǎn)，提供必要的側(cè)向剛度。入館大堂上部采用空間異面鋼結(jié)構(gòu)，主要由箱型截面空間彎扭鋼構(gòu)件作為主要受力結(jié)構(gòu)，傳力于基礎(chǔ)之上。彎扭構(gòu)件弧度不一，與其它構(gòu)件縱橫交叉，非常復(fù)雜。面對(duì)如此復(fù)雜的工程，我公司全體人員在接到本工程的制作任務(wù)后，按照以往施工其它異型構(gòu)件的經(jīng)驗(yàn)，先將整體工程合理劃分成若干個(gè)單元，然后再對(duì)逐個(gè)單元進(jìn)行拆解成逐根散件。堅(jiān)持化整為零，逐根突破的原則，嚴(yán)格控制單件制作質(zhì)量，以此來保證整個(gè)工程的質(zhì)量精度。

如下重點(diǎn)對(duì)本工程中難度最大的箱型空間彎扭構(gòu)件的加工制作施工技術(shù)進(jìn)行論述，以便于后續(xù)碰到類似工程構(gòu)件時(shí)，能有一套成熟的制作工藝技術(shù)作為參考和借鑒。

經(jīng)過對(duì)箱型空間彎扭鋼構(gòu)件的仔細(xì)斟酌、分析，我總結(jié)了如下幾點(diǎn)我個(gè)人的理解。

2.1構(gòu)件的主要特征

所有箱型構(gòu)件的加勁板均為矩形和正方形，其位置垂直于該構(gòu)件的軸心線。

2.2構(gòu)件成型原理

（1）先將一矩形截面，其形心貫穿于設(shè)計(jì)給定的箱型構(gòu)件的軸心線；

（2）然后按照如下規(guī)則移動(dòng)截面：矩形外側(cè)邊各兩點(diǎn)緊貼設(shè)計(jì)圖所確定的建筑外形膜皮表面進(jìn)行移動(dòng)；移動(dòng)過程中截面與箱型構(gòu)件軸心線始終保持垂直。

通過以上分析及對(duì)本工程圖紙中給出的軸心線坐標(biāo)值的分析得出，深圳兩館彎扭構(gòu)件，是一個(gè)有規(guī)律可循的彎扭構(gòu)件，并非是不規(guī)則的任意彎扭構(gòu)件。具體規(guī)律如下：彎扭構(gòu)件中任意一個(gè)垂直于構(gòu)件軸心線的截面均為矩形；矩形四個(gè)角點(diǎn)在空間移動(dòng)的軌跡的連線即為該箱型構(gòu)件的四角棱線；矩形四條邊在空間移動(dòng)所形成的弧面即為箱形彎扭構(gòu)件的四個(gè)表面。

3、箱型空間彎扭構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)

本工程箱型空間彎扭構(gòu)件實(shí)體模型的建立是該類高難度構(gòu)件詳圖深化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，公司通過分析空間彎扭構(gòu)件的幾何構(gòu)造特點(diǎn).研究構(gòu)件的三維造型方法.建立了對(duì)應(yīng)的數(shù)字化計(jì)算機(jī)模型，編制了壁板展開放樣的計(jì)算機(jī)算法。通過在AutoCAD平臺(tái)上以O(shè)b-jectARX和C++語言為工具自行開發(fā)的空間彎扭構(gòu)件三維建模及壁板展開放樣軟件系統(tǒng)。該軟件不但建模精度高，而且建模效率得以大大提高，同時(shí)可以自動(dòng)導(dǎo)出帶空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)的構(gòu)件詳圖，進(jìn)而可以直接完成彎扭板件的展開放樣，同時(shí)可以通過彎扭構(gòu)件的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化出構(gòu)件制作的胎架數(shù)據(jù)。

4、彎扭板件的加工與檢驗(yàn)

4.1彎扭箱型構(gòu)件板件的展開下料

通過自行開發(fā)的軟件系統(tǒng)，利用箱型彎扭構(gòu)件的空間坐標(biāo)，定出箱型彎扭構(gòu)件的四條棱線，再輸入箱體壁厚，就可自動(dòng)生成扭曲箱體的實(shí)體模型，從而可以得到壁板上的任意空間坐標(biāo)，讓程序自動(dòng)對(duì)壁板進(jìn)行展開，同時(shí)生成箱體內(nèi)部加勁肋的安裝位置線，這樣就可以根據(jù)展開的線型數(shù)據(jù)，將壁板切割數(shù)據(jù)輸入數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行壁板的下料切割。

4.2彎扭箱型構(gòu)件板件的加工成型

彎扭板件的加工成型方案常見的有三種，即：壓模壓制成型，油壓機(jī)壓制成型，三輥卷板機(jī)卷制成型。其各種加工成型方法的加工質(zhì)量和加工效率均有不同，各有優(yōu)缺點(diǎn)，特別是在加工過程中為了避免板材點(diǎn)狀受力造成對(duì)母材的損傷，同時(shí)綜合考慮加工成本和加工工期等幾方面因素，最終確定以“三輥卷板機(jī)卷制成型為主，需要時(shí)配以油壓機(jī)局部整形”的板件加工成型方案。

4.3彎扭板件加工成型后的質(zhì)量檢查

彎扭板件加工成型質(zhì)量的好壞，會(huì)直接影響到彎扭構(gòu)件的板材裝配是否能夠順利進(jìn)行，而裝配質(zhì)量是否能夠滿足要求，也直接影響到焊接的質(zhì)量。這些影響因素將直接影響到彎扭構(gòu)件的整體質(zhì)量。為此，必須對(duì)加工成型后的彎扭板件進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)量檢查。質(zhì)量檢查商去通常有全站儀檢驗(yàn)、數(shù)控掃描儀檢驗(yàn)以及傳統(tǒng)的樣箱檢驗(yàn)等方法。在綜合考麒檢驗(yàn)精度、工作效率、能否全程跟蹤檢驗(yàn)及操作可行性等方面的特點(diǎn)后，最終決定采用傳統(tǒng)的樣箱檢驗(yàn)法對(duì)彎扭構(gòu)件的加工質(zhì)量進(jìn)行儉驗(yàn)。

5、箱形空間彎扭構(gòu)件的組裝工藝

本工程箱形空間彎扭構(gòu)件的組裝在彎扭構(gòu)件專用的定制胎架上進(jìn)行。組裝前先對(duì)胎架進(jìn)行制作，然后再按照箱型彎扭構(gòu)件各板件的組裝順序依次組裝，組裝過程中使用定位板、限位板、加強(qiáng)板、斜撐等作為輔助受力板件配合開展工作。具體如下：

5.1胎架制作

（1）基面劃線。制作胎架時(shí)，事先選好一塊平整的具有足夠拼裝空間的地面作為基準(zhǔn)面，或者搭設(shè)一個(gè)施工平臺(tái)作為基準(zhǔn)面，在基準(zhǔn)面上劃出構(gòu)件的基準(zhǔn)面投影線、端面輪廓投影線、4條棱線投影線、胎架位置線，然后在胎架位置線上樹立角鋼胎架立柱，在角鋼胎架立柱上標(biāo)出相應(yīng)點(diǎn)位的定位標(biāo)高線。當(dāng)使用地面作為基準(zhǔn)面時(shí)，若地面內(nèi)無預(yù)埋鐵件，需先打膨脹螺栓固定鐵件，方便角鋼胎架的固定和后期輔助支撐的固定。

（2）制作胎架。根據(jù)深化圖紙結(jié)合轉(zhuǎn)化出的胎架數(shù)據(jù)制作胎架，胎架模板的設(shè)置必須保證模板上口線與構(gòu)件表面的外形一致，并且要確保具有足夠的臨時(shí)剛度以抵抗構(gòu)件焊接過程中的焊接變形。整個(gè)胎架的設(shè)置和制作既要考慮便于拼裝，也要考慮便于在制作過程中對(duì)構(gòu)件變形及質(zhì)量精度的監(jiān)控和測量。在胎架搭設(shè)結(jié)束后，對(duì)胎架進(jìn)行測量、檢查驗(yàn)收，確認(rèn)胎架無誤并具有足夠剛度后，進(jìn)行后續(xù)空間彎扭構(gòu)件的組裝。

5.2空間彎扭構(gòu)件的組裝和焊接

構(gòu)件組裝前，先找齊已經(jīng)下料完成、開坡口完成并編號(hào)齊全的彎扭板件。組裝時(shí)，先在胎架上組裝定位下面板，點(diǎn)焊在胎架上（見圖1-c）。再安裝箱體內(nèi)部的加勁板和輔助加強(qiáng)板，采用點(diǎn)焊或間斷焊的方式（見圖1-d）。然后安裝兩側(cè)的側(cè)板，采用點(diǎn)輝進(jìn)行裝配固定（見圖1-e）。裝配固定好后進(jìn)行裝配精度的測量，確認(rèn)偏差在規(guī)范允許范圍內(nèi)后，進(jìn)行內(nèi)部加勁板與下面板、內(nèi)部加勁板與兩側(cè)板、內(nèi)部加強(qiáng)板與側(cè)面板的焊縫焊接，焊接完成后進(jìn)行必要的焊縫外觀檢驗(yàn)和探傷檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后安裝上部面板（見圖1-f），安裝完上部面板后再進(jìn)行一次裝配精度檢查，檢查合格后進(jìn)行上部面板與側(cè)板的焊接工作，焊接完成再次進(jìn)行焊縫外觀檢查和探傷檢驗(yàn)，檢查和檢驗(yàn)合格后再次對(duì)構(gòu)件的尺寸、空間彎扭數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，對(duì)構(gòu)件的外觀進(jìn)行檢查，確認(rèn)符合圖紙和技術(shù)規(guī)范要求，方可認(rèn)為空間彎扭構(gòu)件組裝焊接完成。

結(jié)語：

深圳當(dāng)代藝術(shù)館與城市規(guī)劃展覽館項(xiàng)目既是展示文化藝術(shù)和展示深圳城市規(guī)劃發(fā)展的一個(gè)綜合性場館，同時(shí)其場館本身也體現(xiàn)了建筑鋼結(jié)構(gòu)的藝術(shù)性，也是對(duì)深圳乃至中國建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)會(huì)產(chǎn)生重要影響的工程。本工程由于在空間彎扭構(gòu)件的胎架制作、板件組裝、焊接順序方面采取了有效的工藝方法，并嚴(yán)格按照工藝控制制作過程，使得該項(xiàng)目箱型空間彎扭構(gòu)件的制作質(zhì)量和精度完全符合設(shè)計(jì)圖紙要求。該工程中的箱型空間彎扭構(gòu)件的加工制作施工技術(shù)的成功應(yīng)用，繼續(xù)鞏固和提高了我國鋼結(jié)構(gòu)加工制造領(lǐng)域的技術(shù)水平，也為我國培養(yǎng)了一批新的建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)人才。同時(shí)通過對(duì)深圳兩館項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)工程的制造實(shí)踐，制定了一套適合箱型空間彎扭構(gòu)件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的加工制作施工技術(shù)方案，為今后類似空間彎扭箱型構(gòu)件的設(shè)計(jì)、制造提供新的借鑒和思考。