无脊多坡异面屋盖钢结构成型施工工法(图文详细)

无脊多坡异面屋盖钢结构成型施工工法(图文详细)

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）：

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。

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

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。

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。