大跨度蝶形空间弯扭管桁架新型水平滑架研发

大跨度蝶形空间弯扭管桁架新型水平滑架研发与应用发布人：王峥嵘北京城建集团中关村软件园国际交流与技术转移中心项目“开心麻花”QC小组2016年3月23日用

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梦中关村软件园国际交流与技术转移中心工程工程名称建筑概况海淀区中关村软件园二期，建筑面积6.8万平米，建筑高度30.9m

。由L栋、A栋科研楼和横跨主路的麻花状异形钢结构连廊组成。设计上通过两个90米长钢结构连廊与L栋、A栋两个“磁极”连接形成无界限创永恒的莫比乌斯环。钢结构整体跨度大、结构不规则扭曲、杆件复杂全部需要现场焊接安装、变截面最大尺寸宽21米、高15米，总用钢量1250吨。工程特点用

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梦课题介绍本工程钢结构施工具有造型复杂、体型庞大、跨度大、杆件零散需大量高空组拼作业等特点难点，同时为保证不影响钢桁架底部道路交通，必须采用合适的模架满足现场施工。采用何种模架才能满足安全、便捷、省时、经济的原则呢？针对这个问题，项目成立了QC小组，准备采用QC方法来解决。连廊端部剖面图连廊鸟瞰图用

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梦连廊中部剖面图小组名称成立时间本轮课题北京城建开心麻花QC小组年

月

日2015

10

1课题类型创新型注册时间活动时间小组人数出勤频数年

月

日2015

10

1注册编号BUCJ-ZGC-01-2015年

月

日～2015

10

1年

月

日2016

3

2010平均年龄出勤率325次/月100％培训情况本小组成员人均接受TQC知识培训72课时制表人：王峥嵘制表时间：2015年10月小组成立之后，所有组员在组长的带领下，按照PDCA循环定期开展活动，并认真做好活动全过程的记录和总结。用

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梦序号姓名性别

年龄项目职务或职称项目经理、高级工程师总工程师、高级工程师高级工程师学历研究生本科组内职务和职责顾组

问长123456孙彦军杨民政韩

冰男男女男男男423242263

5838副组组长长本科策划、诊断、标准化副组长组：织组、织编、写编写副组技长术：技指术导指导组

员方：案资编料制收

集组

员资：料方收案集实

施王峥嵘梅何

振勇兴刘何

志勇辉刘刘志晔辉技术员、助理工程师钢结构经理、工程师钢结钢构结技构术经、理助、理工工程师程师钢技结术构员技术、助、理助理工工程师程师本科本科本专科789男男男2

872

7626专本科本科本科高刘树晔轩高树轩预技算术员、助理工程师预算员、助理工程师组

员方：案经实济施核

算经济核算9李俭文李俭文男男2424施工员、助理工程师施工员、助理工程师本科本科组员：现场协调现场协调10制图人：王峥嵘制图时间：2015年10月用

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梦小组活动指导韩冰具有中质协和中建协诊断师资格证书。拥有丰富的QC小组活动和诊断经验。小组成员王峥嵘和刘志辉参加了北京市QC骨干培训并取得了合格证书。制图人：王峥嵘制图时间：2015年10月用

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梦小组简介及获奖情况“开心麻花”QC小组---《大跨度蝶形空间弯扭管桁架新型水平滑架研发与应用》成果在2016年度北京市发布会获得优秀QC小组一等奖。本工程也获得了北京市结构长城杯金质奖。用

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梦活动进度计划表2015-2016年12月

1月活动项目10月11月2月3月课题选择目标设定与可行性分析提出方案并设定最佳方案制定对策对策实施效果检查标准化总结和今后打算计划进度：实际进度：制表人：王峥嵘

制表时间：2016年03月用

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梦本工程钢结构施工特点难点分析：主要采用十字剪刀撑，节点复杂，主要焊缝为一级焊缝，焊接量大，质量控制难度增大。构件总重量1250吨，除了地面组拼安装外，其中510吨构件需要高空组拼焊接，高安装难度大空操作的构件数量庞大。高空安装510吨41%地面组拼740吨59%现场协调配合难度大工程位于软件园二期园区西大门，直接影响园区内几万人通行，保证交通运输畅通，不能断路施工，工序协调组织难度大等。连廊安装整体工期压缩为90天，要完成全部1250吨钢构件加工、组拼、焊接、安装，工程量大。施工工期紧，需要合理组织各工序穿插施工。工程量大、工期紧通过分析本工程钢桁架及幕墙结构施工的特点及难点，小组成员发现对于这种横向大跨度结构施工中采用何种模架辅助施工是当前亟待解决的问题，而目前并没有最好的高效的解决方法，因而针对这个问题小组选择的课题方向是：大跨度横向水平架体的研制用

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梦针对本工程难点，小组成员开展专题活动，采用“头脑风暴法”集思广益，整理形成了3套可供选择的模架方案，从创新性、实用性、经济性三大方面进行系统的分析，得出调查评价表：课题一、满堂红脚手架大跨度横向水课题二、局部架体配合机械平架体的课题三、横向水平滑架研制用

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梦课题一、满堂红脚手架即在连廊底部搭设满堂脚手架，脚手架分左右连廊部分分别搭设，按现有结构尺寸，长×宽×高为90米*32米*30米。左右连廊幕墙操作防护架体约17.2万立方米。可行性分析：①

通过搭设满堂脚手架，可以根据结构形式布置安装操作点，便于焊接及安装操作②

搭设满堂脚手架体量大，施工周期长，不经济。③

大量钢构件穿插在脚手架体内，施工操作不便，④

存在大量拆除或加固工作量。用

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梦课题二、局部架体配合机械即在连廊两端搭设局部满堂脚手架操作平台，处于市政路面连廊中部桁架的施工，采用活动汽车吊以及曲臂车辅助安装。左右连廊局部满堂操作防护架体约9万立方米。可行性分析：①

公路两侧局部搭设满堂脚手架，避免影响路面交通。②

局部搭设满堂脚手架体量相对减少，方便连廊两侧桁架的焊接及安装操作。③

中部桁架结构选择采用机械辅助施工，增加机械费用。施工速度较慢，施工效率降低。用

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梦课题三、横向水平滑架研制采用在水平连廊上弦铺设滑动轨道，并设置滑动刚架操作平台，在滑动轨道上设置槽钢底座，根据实际位置搭设活动跳板，以满足玻璃幕墙结构的安装需要,一个安装单元

结束，滑动至下一个单元安装位置。可行性分析：①

通过在连廊桁架上弦设置滑动操作刚架，并根据作业点布置操作平台，人在平台上施工，操作方便，使地面拼装成立面桁架整体安装，保证安装精度。②

架体经过滑动后，可重复利用。③

没有现场经验需自行研制。用

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梦1、课题比选分析对三个课题进行综合对比分析。项目满足大跨度、高空水平作业面施工要求课题名称投入费用安全性交通影响结论次选优点：满足大跨度高空焊接、安装要求缺点：对操作面影响大、搭设拆除工作量大、周期长课题一满堂红脚手架不经济

安全性有保障大优点：架体工作量小，使用灵活缺点：工作面较小，机械使用周期长课题二局部架体配合机械机械费用较高安全性一般安全性较好较小较小次选首选优点：满足大跨度高空水平施工，安装简单，操作方便，可重复利用缺点：没有现场经验需自行研制课题三大跨度水平滑架研制较小制表人：王峥嵘制表时间：2015年10月用

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梦2、课题比选小组成员运用关联矩阵法对各方案分析评价，在评价时充分考虑了各因素的权重，大家一致认为满足施工要求是第一位，投入费用排第二位，安全性是第三位，对交通影响为第四位。每一项课题满分为10分，由0~10进行打分。注：Xj：评价指标；ωj评价指标权重；Vij是第i个方案Ai的关于Xj指标的价值评定量；

Ai提出的方案。满足施工要求投入费用安全性交通影响评价项目综合得分Vi选题

权重0.460.330.260.11课题一：满堂红脚手架4.63.6课题二：局部架体配合机械施工3185课题三：水平滑动钢架平台7.48777制表人：

王峥嵘、何勇制表日期：

2015年10月通过以上关联矩阵法进行课题分析，V﹥V﹥V

，故最终确定本次小组活3

1

2动课题为：课题三：用

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梦合同要求在原定90天工期内完工，合同工程造价在430万内。本小组活动目标定为：工期在60天内完成；滑架造价控制在200万以内。用

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梦研发异型空间结构滑架体系架体费用20

万元以内管桁架施工工期缩短至60天用

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梦曾等，处新采QC小组具较强的专业技术，在结合以往工程技术的基础上运用现代用

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梦小组成员借鉴以往类似工程的经验，结合本工程大跨度复杂异型钢结构特点，开展“头脑风暴”，总结归纳出研制新型水平滑架的方案和工艺，并采用亲和图进行了归纳整理，具体如下：新型水平滑架研发水平滑架工艺选定对架体的强度、刚滑架材料的选定对加工、组装以及几度、稳定性以及可操作性起到关键的何尺寸的控制、经济效果有较大影响作用滑动轨道材料钢轨连接节点形式的选定栓接连接钢梁上布设聚四氟乙烯板焊接连接40a工字钢栓焊连接架体材料选定圆钢管杆件滑动牵引工艺选定电子数控液压千斤顶方钢管杆件受力槽钢杆件组合滑架电动卷扬机手动葫芦（大小方钢管组合+槽钢用

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梦评估综合

选定得分

课题滑动轨道材料的选择钢轨分析实施性可否经济性施工效果周转1.找特定经销商采购2.价格约4000元/吨3.接触面积小，易于滑动4.不能周转△◎○△108不选不选5.规格尺寸小，加固量大钢梁上布设聚四氟乙烯板1.价格高，每平米约1000元2.摩擦力小，滑动系数高3.四氟乙烯板用量少，需要按尺

△△○△○寸定制4.不能二次使用使用40a工字钢1.比较容易采购2.价格便宜，2000元/吨3.规格尺寸大，加固量小，○○○12选定4.可多次周转，5、滑动接触面积略大，适当增加牵引力，保证滑动注：上表中：

◎5分；

○3分；

△1分。制表人：刘志辉制表时间：2015年11月用

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梦1.现场下料加工简单，可操作性强2.组装横平竖直，平面尺寸容易控制，3.组装焊接完成后整体稳定性好，安装变形小4.方钢接触面积大易于操作平台布置1.购买就可以使用，比较方便2.不易弯曲，抗弯刚度好3.易于与架体材料连接，施工方便5.架体整体规则，可合理布置安全网1.下料时需要相贯口加工2.组装时尺寸不易控制3.圆管的刚度没有方钢管好，特别作为斜向支撑时易变性，平面度不容易保证1.不需要特殊加工2.组拼简单，可操作性强3.刚性好，可保证架体整体稳定性4.尺寸容易控制用

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梦用

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梦为保证滑架整体的刚度、强度以及稳定性，小组通过计算机结构受力软件对滑架栓接、焊接、栓焊连接方式进行了模拟计算受力分析，以及以往类似工程的施工经验，最终发现除了材料影响因素外，连接节点的形式对滑架的刚度、强度和稳定性起关键作用。具体分析如下：评估综合

是否得分

选定连接节点形式栓接连接分析便捷

稳定

变

经性性形

济1.为铰接计算节点，架体变形量大2.施工简单，操作快3.拆装方便，4.螺栓可以重复利用5.绿色环保12◎△

△

◎1.为刚接计算节点，架体变形量小，稳定2.节点连接牢靠，焊接部位的强度与架体等强焊接连接148○△◎

○

○○

○

△3.就地取材，施工方便4.焊接产生有害气体1，工序复杂，施工繁琐2.对构件的制作精度要求较高3.为刚性计算节点，架体变形量小4.螺栓不能重复利用栓焊连接注：上表中：

◎5分；

○3分；

△1分;制表人：刘志辉

制表时间：2015年11月用

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梦本工程架体移动采用何种牵引方式，进过QC小组成员讨论从以下几方面进行对比分析：评估滑动牵引工艺综合

是否得分

选定分析可操作性经济能耗1.系统配套要求高，施工统一协不选调要求高，辅助工作量大2.施工机具投入量大，不经济3.油、电能消耗大电子数控液压千斤顶△

△

△

34、适用于体量大、重量重、结构刚性好、速率慢的结构1.机具投入适中，操作相对简单不选电动卷

2.机具使用相对少，○

○

○

9扬机3.存在电能消耗4.适用于远距、体量适中的结构1.单一工具操作简单选定2.施工机具投入量小，较经济3.无油、电能消耗手动葫芦◎

◎

◎

154、适用于体量小、短距、匀速、可控协调性好的结构注：上表中：

◎5分；

○3分；

△1分制表人：刘志辉

时

间：2015年11月用

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梦用

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制定实施流程图开心麻花QC小组根据以上最优方案，制定了水平滑架具体实施的流程图，如下所示。实施流程图用

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梦

制定对策表小组成员针对最终方案比选结果和流程图，按照5W1H的原则，分析研究相应对策，确立明确的目标值，并最终制定出相应的具体实施措施、明确责任人和完成日期，编制对策表如下：序号完成时间项目对策目标措施地点执行人1）材料：底座采用C20a槽钢，刚架采用100*5、50*3方钢2）连接方式：组合焊接成稳定刚架通过模拟架体受力分析，整体尺寸形式选择能够满足受力要求的材料，根据结构尺寸设计架体尺寸架体材料及结构形式100%满足结构受2015.11.25水平滑架架体设计12办公室何勇力的要求，架体100%满足安全施工作业要求，1）受力设计：通过计算机软件Midas/Gen模拟分析，选定葫芦等级，2）滑动速度：两个葫芦同时操作，适当调整，保证匀速单个葫芦牵引力5.36kN；保证每个单元牵引距离4.2m匀速滑动2015.11.25滑动牵引

核算架体自重，办公室何勇装置设计制定牵引力1）增加技术人员，保质保量用模2015制图、论证、指导加工出具施工图，满足下料加工要求，100%通过专家论证。型导出CAD详图；2）请专家论证可行性3）出加工图纸指导下料加工技术人员按要求设计画图34办公室

王峥嵘

.12.101）制作前对工人进行图纸讲解，提供纸板图纸，2)施工中加强过程检查，形成检查

加工区滑架制作偏差值与设计值偏差不超过1%；钢结构

刘志辉2016.1.20水平滑架加工制作确保按图施工记录1）滑架轨道及滑架施工前进行工平面位置偏差不超确保轨道、滑架安装位置准确人培训、交底，2）安装前先放线定位，确保安装位置准确。过10mm，轨道安2016.1.25水平滑架安装钢连廊顶面56刘志辉王峥嵘装位置偏差不超过5mm3）然后进行架体吊装及整体组装提前进行滑动流程模拟，明确各滑动控制重点，过程记录现场工人100%清楚1）进行培训和交底讲解，并且观水平控制重点和步骤，滑动偏差不超过50mm看模拟滑动动画，会议室、2016.1.28水平滑移2）现场按步骤实施，使用仪器监

施工区测滑架位置用

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梦实施一

水平滑架架体设计小组成员在水平滑架研发设计时，结合以往施工经验采用“头脑风暴法”，总结出设计应考虑的几个主要方面，示意如下：一、架体材料选定二、架体结构受力设计三、架体与

四、架体增加桁架组合受

施工荷载安全力验算稳定性设计用

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梦实施一

水平滑架架体设计流程一：

架体材料选定通过对市场上现有材料的对比，根据材料的力学性能选择架体材料：底座采用C20a槽钢，刚架采用100*5、50*3方钢，钢材材质均为Q235B，组拼后焊接成稳定滑架，保证制作整体尺寸与结构一致。架体材料组合图用

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梦实施一

水平滑架架体设计流程二

架体结构受力设计小组成员运用计算机对既定材料的架体进行模拟受力计算分析，把设计的滑架模型图导入结构计算受力软件Midas/Gen中得出受力分析结果如下

：刚架变形图（下部挂架变形14mm

挂架长9m，变形模拟图显示深红色区域最大拉应力为101N

mm²为跨度的2‰

<设计3‰

）通过对组合滑架的结构受力分析，最终数据表明架体的强度、刚度以及稳定性满足结构设计要求。应力比图（主杆件应力比在0.9以内）用

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梦实施一

水平滑架架体设计流程三：架体与桁架组合受力验算通过对架体模拟计算分析，可知架体稳定、安全，现在将滑架模型与结构实体模型图同时导入结构计算受力软件Midas/Gen中，通过整体受力分析判断移动架体的安全可实施性。滑架在结构中部时最大变形为

mmQ

小组成员根据结构尺滑架安装在结构上后，产生的最大反力为18.7KN，取1.

倍动荷载系数，得出传递给结构的竖向荷载为26.8KN寸和既定材料设计架体，100%经过受力分析确定滑架具有可实施性。用

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梦实施一

水平滑架架体设计流程四：架体增加施工荷载的安全稳定性设计小组成员在架体结构设计通过后，根据施工时人员的操作位置和人数，施工荷载按沿滑架边缘及内部2.5m~3m的原则布置，每个点集中荷载按1KN予以考虑，通过计算受力软件Midas/Gen分析受力，结果如下

：荷载组合：sLCB3

承载能力

相加

1.35D+1.

（0.

）LsLCB4

承载能力

相加

1.2D+1.4LsLCB5

承载能力

相加

1.0D+1.4L应力比表（主杆件最大应力比在0.

以内）通过模拟对滑架施加人员荷载，分析架体受力时的强度、刚度以及稳定性，最终数据表明架体满足受力要求。对滑架2.5~

米每个点同时施加1KN荷载用

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梦实施一

水平滑架架体设计一、架体材料选定二、架体结构受力设计三、架体与

四、架体增加桁架组合受

施工荷载安全力验算稳定性设计实施一效果检查：通过四项设计及模拟验算，架体材料及结构形式100%满足结构受力的要求，架体100%满足安全施工水平滑架架体设计结果：达成目标！用

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梦实施二

滑动牵引装置设计通过架体图纸，计算出架体的整体质量为5吨，对结构进行受力简化，分析计算刚架在钢轨上滑动时的牵引拉力S（KN）1、材料的相应力学参数f=0.1Q=26.8*2=53.6KN2、牵引拉力S=F=f*Q=0.1*53.6=5.36KN结论：端部可选用5吨手拉葫芦进行牵引用

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梦实施二

滑动牵引装置设计连廊结构安装完成卸载后，

在已完成的连廊桁架上弦设置40a工字钢轨道，轨道与架体与连廊桁架上弦用卡具固定牢靠，滑动刚架下部为C20a槽钢底座。设置两部5吨手拉葫芦作为牵引装置。为保证架体延直线滑动，在滑架基座上设置两块滑动限制卡码，卡码位置与轨道预留50mm的间隙，便于滑动控制。通过模拟，微调了固定轨道卡码及限位卡码设置位置，确保了轨道与弦杆，基座与轨道间不出现相对位移。滑架轨道节点用

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梦实施二

滑动牵引装置设计小组成员通过研究分析，为减小摩擦阻力，联想到滚轴，并制作模型进行演示。滑动过程中，应严格监控架体的滑动速度，在滑移轨道上翼缘上涂硅脂油，使刚架底座的滑动静摩擦系数减小到0.1,动摩擦系数理想情况下可以接近滚动摩擦，使构件平面滑动较为容易，模拟用两个手拉葫芦同步牵引，匀速前进。实施效果牵引力按照5.36KN设计；牵引距离实现4.2m，匀速滑动；轨道长度能满足固定需求，并能重复周转使用；用

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梦实施三

水平滑架制作图根据连廊外层三维扭曲索型玻璃幕墙支撑结构形状，立面支撑杆件呈不规则星型空间发散型的特点，设计了长22m、宽3m、高13.5m滑架体系，主要材料以材质为Q235方钢管为原材料制作滑架结构体系。通过前期加工构件选定、全过程计算机模拟计算后，设计并绘制了设计图纸。水平滑架体加工图用

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梦实施三

水平滑架制作图本工程为大跨度钢结构，按照相关规范要求项目聘请了五名国内知名专家对方案进行论证，其中一位专家为北京市危险性较大的分部分项工程专家库模架工程专家，通过对方案内容的逐条论证，最终结论为方案可行，通过。实施效果滑架体系方案经过专家论证，有较强可实施性，滑架架体尺寸设计是按照每榀立面桁架满足多点操作的安全施工需求，出具施工图100%满足下料加工要求。论证报告用

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梦实施四

水平滑架加工制作在施工前对工人进行施工技术交底，根据制作图纸，在钢结构加工区对杆件进行下料，现场进行组拼焊接，制作过程中加强对零部件和整体尺寸的检查。下部挂架上部滑架组拼完毕地面拼装滑架立面拼装用

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梦实施四

水平滑架加工制作按照制作图纸，经过现场加工下料、组装、焊接、检查最终完成了架体的制作，并将过程中的检查数据及时记录，形成纸质文件。序号

检查项目

抽查

缺陷

合格点数

点数率1286104801222799%98%98%98%98%下料精度焊接质量垂直度3482水平度352合计实施效果通过检查架体制作完全满足图纸要求；滑架制作偏差值为

%高于设计偏差；滑架制作偏差检查表用

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梦实施五

水平滑架安装项目部管理人员在安装前在会议室对安装工人进行滑架安装技术交底，对安装过程进行详细讲解。架体在安装前按照图纸尺寸使用仪器进行精确定位，保证安装精度。安装位置偏差检查施工方案组织技术交底测量放线安装在结构梁上弹墨线安装测量控制对工人进行技术交底用

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梦实施五

水平滑架安装根据方案及滑架模拟结果，将轨道及滑架安装不同立面的幕墙结构桁架实施效果通过检测，轨全满足要求；平面位置偏差安装位置偏差不超过5mm用

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梦实施六

水平滑移根据施工组织方案方案，组织工人进行培训和讲解，并且观看模拟滑移动画，确保现场工人100%清楚滑移控制重点和步奏。最终成功的实现了滑移作业用

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梦实施六

水平滑移使用全站仪监测滑架滑动过程各阶段位移，并对滑架最后位置与滑架滑动时位置进行对比。激光接受反光片滑移监测实施对比20151510-10-15-202512345678检测编号制表人：刘志辉制表时间：2016年2月实施效果现场操作工人100%掌握滑移操作要求，通过监测表明，水平滑移过程及最后位置完全在50mm可控范围，实施效果达到对策目标；用

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梦效果检查：通过新型滑架的研制工需要，并得到了业主，具体如下：乌斯环幕墙结构的施了既定的预期目标。1、大跨度蝶形空间弯扭，取得成功。2、避免了市政道路的阻前的计划工期（90天）工期（50天）比活动3、从架体方案上选择了很显著，经计算实际采用架措施费(430万元)节约100研发顺利进行，成果确前计划采用满堂脚手90天908070605040302010000万60天元90万元目标值计划工期目标工期实际工期制表人：高树轩制表时间：2016年3月本次QC小组活动课题：用

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梦标准化滑架完成后，在七周内对四组滑架架体进行了变形监测，每组滑架采集同一处变形量最大值，计算分析并绘制了控制图，计算如下（单位mm）：样本平均值的平均值：样本极差的平均值：xi

28.57x

7.12k4Ri

19R

4.75k4控制图CL计算：

CLx7.12CL

R

4.75控制图的UCL和LCL的计算R控制图UCL和LCL的计算:xUCL

D4

R

1.92

4.75

9.12LCL

D3

R

0.076

4.75

0.361UCL