箱型空间弯扭钢结构构件加工制作工法

箱型空间弯扭钢结构构件加工制作工法由北京城建集团有限责任公司、浙江精工钢结构有限公司完成的工法01形成原因操作原理质量控制工法特点材料设备安全措施目录030502040607环保措施应用实例效益分析荣誉表彰目录0908010基本信息《箱型空间弯扭钢结构构件加工制作工法》是北京城建集团有限责任公司、浙江精工钢结构有限公司完成的建筑类施工工法；作者分别是李久林、高树栋、邱德隆、俞荣华、董海；适用范围是板厚在10～60毫米范围内，材质为Q345、Q345GJ钢，截面尺寸不大于1350毫米×1350毫米箱形空间弯扭构件的工厂制做，对于其他截面形状和强度等级的弯扭构件制做可以参照执行。《箱型空间弯扭钢结构构件加工制作工法》主要的工法特点是引入多点无模成形理论，采用数控模具；通过优化无模压制成形的变形路径、实时控制变形曲面，实现可随意调整板材的变形路径和受力状态；采用分段成形新技术，实现小设备成形大工件功能；降低生产成本、提高生产效率。2008年1月31日，《箱型空间弯扭钢结构构件加工制作工法》被中华人民共和国住房和城乡建设部评定为2005-2006年度国家二级工法。形成原因形成原因大尺寸箱形空间弯扭钢结构构件的加工制做，截至2005年，中国国内外钢结构制做厂尚无成熟的经验可借鉴，制做难度大。而随着建筑钢结构施工技术的发展，越来越多的工程采用新颖独特造型，构件截面形式也日趋向异型截面发展。因此，探索总结箱形空间弯扭构件的制做技术对于推动箱形空间弯扭构件在中国国内外建筑钢结构领域的应用具有积极的创新和推广意义，同时从节约资源的角度上也符合中国的可持续发展国策。《箱型空间弯扭钢结构构件加工制作工法》是北京城建集团有限责任公司和浙江精工钢结构有限公司结合国家体育场钢结构工程箱形空间弯扭构件制做综合技术等研究成果，自行研制的箱形空间弯扭钢构件的加工制做工法。

工法特点工法特点与传统钢构件加工制做相比，《箱型空间弯扭钢结构构件加工制作工法》的特点为：首次将多点无模成形理论引入建筑钢结构加工制做领域，用数控模具取代传统的整体模具；通过优化无模压制成形的变形路径、实时控制变形曲面，实现可随意调整板材的变形路径和受力状态，从而扩大加工范围；通过采用分段成形新技术，实现小设备成形大工件功能；解决传统制做工艺难以解决的弯扭构件制做关键技术难题，并最大限度地降低生产成本、提高生产效率。

操作原理适用范围施工工艺工艺原理操作原理适用范围《箱型空间弯扭钢结构构件加工制作工法》主要适用于板厚在10~60毫米范围内，材质为Q345、Q345GJ钢，截面尺寸不大于1350毫米×1350毫米箱形空间弯扭构件的工厂制做，对于其他截面形状和强度等级的弯扭构件制做可以参照该工法执行。

工艺原理《箱型空间弯扭钢结构构件加工制作工法》的工艺原理叙述如下：根据箱形空间弯扭构件由四块空间弯扭的板件组装焊接形成的原理，先将箱形空间弯扭构件离散成四块空间弯扭的板件，采用多点无模成形技术将平板压制成符合要求的四块空间弯扭板件，然后将这四块空间弯扭板件在胎架上组装焊接形成箱形空间弯扭构件。其中，弯扭板件多点无模成形原理则是将传统的整体模具离散成一系列规则排列、高度可调的基本体（即冲头），通过对各基本体运动的实时控制，自由地构造出成形面，实现板材的三维曲面成型。其成形过程如图1。

图1无模成形过程示意图施工工艺《箱型空间弯扭钢结构构件加工制作工法》的工艺流程如下：箱形空间弯扭构件制做工艺流程如图2所示，空间弯扭板件多点无模成形工艺流程如图3所示。

《箱型空间弯扭钢结构构件加工制作工法》的工艺操作关键点主要包括：弯扭板件的多点无模压制成形和弯扭构件的组装焊接，具体操作要点如下：一、弯扭板件多点无模压制成形采用多点无模成形工艺进行空间弯扭板件的压制成形时，主要涉及基本体（即冲头）调平、工件加工、大型工件分段成形等内容，其操作要点如下：1.基本体群调平弯扭板件压制前首先需要进行基本体调平，确定所有基本体的初始零点，并保证其在同一参考平面内。调平时，应用控制软件的手动调形功能，将所有基本体的高度调整至较低数值，保证调平装置的顺利放入；然后选择调平选项，逐行将上下基本体群中所有的基本体调整至同一高度，以此高度值作为参考面，确定其基准零点。2.材料设备材料设备一、主要材料《箱型空间弯扭钢结构构件加工制作工法》涉及的材料主要是焊接材料及氧气、乙炔等辅助材料；焊接材料的规格、型号由焊接工艺评定结果确定；氧气、乙炔等辅助材料的选用则根据烤枪、割枪等设备的型号确定，不再赘述。

二、主要设备《箱型空间弯扭钢结构构件加工制作工法》需要的主要机具如表1。质量控制质量控制一、应执行的标准规范《箱型空间弯扭钢结构构件加工制作工法》应执行的主要标准规范有《国家体育场钢结构施工质量验收标准》JQB-046-2005、《钢结构施工质量验收标准》GB50205-2001、《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002、《低合金高强度结构钢》GB/T1591-1994和《建筑结构用钢板》GB/T19879-2005等。

二、质量要求《箱型空间弯扭钢结构构件加工制作工法》施工时，当设计文件无明确要求时箱形空间弯扭构件的成形质量按照表2的要求进行质量控制。弯扭构件的焊缝质量要求按照国家标准的有关要求执行。安全措施安全措施采用《箱型空间弯扭钢结构构件加工制作工法》施工时，除应执行国家、地方的各项安全施工的规定外，尚应遵守注意下列事项：一、管理制度1.加强安全教育，使焊接操作人员牢固树立“安全第一、预防为主”的思想，认识到安全生产、文明施工的重要性，严格执行安全生产三级教育。2.严格执行现场安全生产有关管理制度，建立奖罚措施，并定期检查考核。3.根据工程特点编制焊接操作规程和作业人员岗位职责，确保分工明确、责任到人。

二、技术安全措施1.加强操作人员的安全教育培训工作开工前做好安全交底工作，并形成书面交底记录；每天认真开展好班前安全教育活动，确保每个操作人员对安全防护工作做到心中有数。2.弯扭板件压制过程中，操作人员应严格按照无模压制成形的安全操作规程进行板件的计算机调形、传动机构的传输及压制等工序。环保措施环保措施《箱型空间弯扭钢结构构件加工制作工法》的环保措施主要从污染源的控制、传播途径治理、个人防护和环保教育等四方面进行。一、污染源控制1.焊接方法选择时，焊接条件允许的前提下优先选用自动化程度高的焊接方法进行焊接；选用低尘低毒性焊接材料，以降低电焊烟尘的浓度和毒性；改善焊工的作业条件，减少电焊烟尘污染。2.选择合理的切割、矫正设备，控制加工制做过程的噪声到合理的范围。3.加强对无模成型设备的维护、保养及管理，避免其对压制钢板造成二次污染。

二、传播途径治理1.改善作业场所的通风条件，当封闭或半封闭结构施工时必须有机械通风措施。2.车间焊接时，通过在墙体表面采用吸声、吸收材料进行装饰等措施，降低加工场所的噪声，减少焊接弧光的反射，加强对操作者的保护。3.焊接时保证工件接地良好，控制做业场的温、湿度，控制焊接时电磁辐射对操作者的伤害。效益分析效益分析一、经济效益分析由于《箱型空间弯扭钢结构构件加工制作工法》的关键技术为新开发的技术，因此在进行经济效益分析时主要与传统技术方案（即传统模具工艺和传统火工弯板工艺）进行生产成本费用比较。传统模具工艺、传统火工弯板工艺及该工法各项成本费用支出如表3所示。以国家体育场钢结构工程为例，采用该工法加工的箱形弯扭构件约2000根，总用量约6000吨，则该工程由于采用该工法其生产成本费用节约如下，材料摊销系数取0.4。相对于传统模具工艺：[（500+1.5×2000×4）-（500+350）]×（1-0.4）=6990（万元），相对于传统火工弯板工艺：{[（1+0.15+0.072）×2000×4]-（500+350）}×（1-0.4）=5355.6（万元）。

二、环保节能效益分析《箱型空间弯扭钢结构构件加工制作工法》的环保节能效益是明显的，各项环保节能指标同表3。以国家体育场钢结构工程为例，采用该工法加工的箱形弯扭构件总计2000根，总用量约6000吨，则该工程由于采用该工法导致能源节约如下，其中材料摊销系数取0.4。应用实例应用实例《箱型空间弯扭钢结构构件加工制作工法》的应用实例如下：截至2005年，中国国内外建筑钢结构工程仅有国家体育场钢结构工程大量采用了大尺寸箱形空间弯扭构件。国家体育场工程为北京“2008”奥运会主会场，其钢结构工程为了编织“鸟巢”的特殊建筑造型，设计时在钢屋盖与立面相交部位（即肩部）全部采用了箱形空间弯扭构件，其截面尺寸基本为1200毫米×1200毫米，钢板材质涉及Q34C、Q345D、Q345GJD、板厚涉及10~60毫米，总用钢量12000吨。图15为国家体育场钢结构工程全貌，图16为典型弯扭构件实物图片。图15国家体育场钢结构工程全貌图16典型弯扭构件实物图片在进行弯扭构件制做施工时，按照该工法规定的加工工艺、操作要点及质量标准等