箱形空間彎扭建筑鋼構件的加工制作施工技術

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

【關鍵詞】箱形空間彎扭鋼構件；加工制作；組裝；施工技術鋼結構；彎扭構件；加工

1、工程概況

深圳當代藝術館與城市規(guī)劃展覽館項目簡稱“深圳兩館項目”，該項目位于深圳中心區(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展示面積的當代藝術館和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并展示城市規(guī)劃設計的大型公共文化建筑。

該工程主體鋼結構部分總噸位重約19300噸，所用鋼材為Q345B、Q390GJC和0420GJC。構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件和非空間彎扭構件組合而成（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、對該工程結構形式和構件形成原理的理解

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

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

經(jīng)過對箱型空間彎扭鋼構件的仔細斟酌、分析，我總結了如下幾點我個人的理解。

2.1構件的主要特征

所有箱型構件的加勁板均為矩形和正方形，其位置垂直于該構件的軸心線。

2.2構件成型原理

（1）先將一矩形截面，其形心貫穿于設計給定的箱型構件的軸心線；

（2）然后按照如下規(guī)則移動截面：矩形外側邊各兩點緊貼設計圖所確定的建筑外形膜皮表面進行移動；移動過程中截面與箱型構件軸心線始終保持垂直。

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

3、箱型空間彎扭構件的深化設計

本工程箱型空間彎扭構件實體模型的建立是該類高難度構件詳圖深化設計的關鍵，公司通過分析空間彎扭構件的幾何構造特點.研究構件的三維造型方法.建立了對應的數(shù)字化計算機模型，編制了壁板展開放樣的計算機算法。通過在AutoCAD平臺上以Ob-jectARX和C++語言為工具自行開發(fā)的空間彎扭構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，同時可以自動導出帶空間坐標數(shù)據(jù)的構件詳圖，進而可以直接完成彎扭板件的展開放樣，同時可以通過彎扭構件的空間坐標數(shù)據(jù)轉化出構件制作的胎架數(shù)據(jù)。

4、彎扭板件的加工與檢驗

4.1彎扭箱型構件板件的展開下料

通過自行開發(fā)的軟件系統(tǒng)，利用箱型彎扭構件的空間坐標，定出箱型彎扭構件的四條棱線，再輸入箱體壁厚，就可自動生成扭曲箱體的實體模型，從而可以得到壁板上的任意空間坐標，讓程序自動對壁板進行展開，同時生成箱體內(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)控切割機進行壁板的下料切割。

4.2彎扭箱型構件板件的加工成型

彎扭板件的加工成型方案常見的有三種，即：壓模壓制成型，油壓機壓制成型，三輥卷板機卷制成型。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，特別是在加工過程中為了避免板材點狀受力造成對母材的損傷，同時綜合考慮加工成本和加工工期等幾方面因素，最終確定以“三輥卷板機卷制成型為主，需要時配以油壓機局部整形”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，會直接影響到彎扭構件的板材裝配是否能夠順利進行，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件的整體質(zhì)量。為此，必須對加工成型后的彎扭板件進行嚴格質(zhì)量檢查。質(zhì)量檢查商去通常有全站儀檢驗、數(shù)控掃描儀檢驗以及傳統(tǒng)的樣箱檢驗等方法。在綜合考麒檢驗精度、工作效率、能否全程跟蹤檢驗及操作可行性等方面的特點后，最終決定采用傳統(tǒng)的樣箱檢驗法對彎扭構件的加工質(zhì)量進行儉驗。

5、箱形空間彎扭構件的組裝工藝

本工程箱形空間彎扭構件的組裝在彎扭構件專用的定制胎架上進行。組裝前先對胎架進行制作，然后再按照箱型彎扭構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，事先選好一塊平整的具有足夠拼裝空間的地面作為基準面，或者搭設一個施工平臺作為基準面，在基準面上劃出構件的基準面投影線、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出相應點位的定位標高線。當使用地面作為基準面時，若地面內(nèi)無預埋鐵件，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)深化圖紙結合轉化出的胎架數(shù)據(jù)制作胎架，胎架模板的設置必須保證模板上口線與構件表面的外形一致，并且要確保具有足夠的臨時剛度以抵抗構件焊接過程中的焊接變形。整個胎架的設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構件變形及質(zhì)量精度的監(jiān)控和測量。在胎架搭設結束后，對胎架進行測量、檢查驗收，確認胎架無誤并具有足夠剛度后，進行后續(xù)空間彎扭構件的組裝。

5.2空間彎扭構件的組裝和焊接

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

結語：

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