Jiangsu Huning Steel Machinery Co.，Ltd.
概括
与传统的混凝土结构相比，由于重量轻，高强度和易于成型的优势，钢结构已逐渐在建筑行业中广泛使用。自19世纪末以来，钢结构的应用一直在不断扩展，尤其是在高层建筑和体育场中。中国的钢结构开发开始很晚，但是随着城市建设的迅速发展，尤其是2008年北京奥运会的机会，许多创新的建筑出现了，这促进了钢结构技术的进步。
我国复杂的建筑钢结构的发展可以大致分为三个阶段：第一阶段（1990年代），上海大剧院等项目采用了焊接盒和钢管桁架结构的复杂结构；第二阶段（2000-2010），诸如国家体育场等项目的建设标志着复杂的建筑钢结构的快速发展。第三阶段（在过去的十年中），随着技术创新，各种复杂的钢结构接一个地出现了，例如上海中央建筑。
复杂的钢结构主要用于特殊建筑形状的裸露组件，或者由于建筑结构的复杂性，节点结构特别复杂。常见应用包括特殊形状的横截面组件，空间弯曲组件等。提高设计效率和准确性； 2）特殊设备的开发：例如多维相交的电线切割机和大笔触的末端铣床等，以提高处理准确性和效率； 3）特殊形状的横截面组件形成技术：采用各种过程，例如冷处理，热处理和样品盒检查，以满足复杂组件的处理需求。钢管弯曲的成型包括两种方法：热弯曲和冷弯曲，适用于具有不同曲率半径的钢管加工。大直径钢管和圆锥形管是使用滚动和压制成型工艺处理的，这些过程适用于不同直径和形状的钢管。
0简介
与传统的混凝土结构相比，钢结构具有轻重，高强度，易于形成，外观良好，抗震能力和预制结构的特征，这很方便解决许多建筑和结构问题。因此，钢结构已被广泛使用。 。
从全球角度来看，钢结构在建筑中的应用可以追溯到19世纪末和20世纪初，当时它主要用于桥梁和工业建筑。在20世纪中叶，随着钢结构制造技术的发展，钢结构在建筑物中的应用逐渐扩大，例如高层建筑，体育场等。
我国家的建筑钢结构相对较晚，并且仅在20世纪后期逐渐发展。但是，随着我国城市建设的快速发展，尤其是随着2008年北京奥运会的机会，出现了越来越多的创新建筑，并且出现了许多大型建筑。公共建筑和超高层建筑已成为许多具有里程碑意义的建筑。这些建筑物的创新不仅反映在建筑创造力中，而且还直接指导了许多结构创新，其中建筑钢结构的创新特别突出。
同时，基于对钢结构特征的更深入，更全面的了解，越来越多的建筑师和结构工程师在使用钢结构方面更加熟练，大胆和想象力，并“创建”了许多复杂的空间形状和许多复杂的空间形状和复杂结构中钢结构的建造主要是没有先例，没有规范，没有标准，这已经引起了钢结构处理技术，焊接技术，测试技术，提升技术，空间定位技术等。有许多技术创新，其中复杂的钢结构处理和生产技术的创新是最直观的。
1复杂建筑钢结构的应用开发概述
复杂的建筑钢结构没有严格的标准，其定义标准在不同时期和不同的技术角度将有所不同。本文只是从建筑钢结构处理和制造技术的各个方面定义了复杂的建筑钢结构。从这个角度来看，我国复杂的建筑钢结构的发展可以大致分为三个阶段：
第一阶段是大规模钢结构项目，例如上海大剧院，上海航运大楼，上海80,000人体育场，首都机场2号航站楼，1号公民机场航站楼和上海扬恩的上海公路在1990年代（图1 1） ）成功构建，与通常使用H形钢和其他横截面类型的工业建筑相比，这些项目的钢结构主要使用更复杂的焊接盒类型的结构，焊接的多箱房间盒类型和其他横截面类型或使用钢管相交线。钢管桁架结构形式的焊接连接。在当时制造过程水平和处理设备条件下，制造过程和相交的多盒焊接焊接盒式组件的切线切割过程相对复杂。
图1第1阶段大规模钢结构项目
第二阶段是国家体育场，闭路电视，广州电视塔等十多年的建设（图2）。这是一个复杂建筑钢结构的应用时期。国家体育场是第一个大规模应用领域。弯曲的面板焊接组件，CCTV的蝴蝶节点代表了复杂的结构节点，而广州电视塔的外框柱均使用可变截面钢管柱。
图2阶段2中钢结构的代表性项目
在过去的十年中，它可以视为复杂建筑钢结构的应用的第三阶段。随着设计技术，制造工艺和加工设备的持续创新和进步，具有更复杂形状和结构的各种建筑钢结构接连出现了一个，这是代表性的。上海中央建筑有巨大的钢柱，凤凰电视国际媒体中心的太空弯曲组件以及Tianjin Chow Tai Fook的特殊横截面钢柱（图3）。
图3复杂钢结构建筑的代表性项目3
2复杂建筑钢组件的应用特征
从工程应用的角度来看，一个复杂的钢结构用于裸露的组件（无装饰层），具有特殊的建筑形状要求，并且使用特殊的横截面，用于单个特殊的组件横截面类型，例如广州火车站椭圆形柱和武汉火车站改变了横截面椭圆钢管拱，北京北站腰鼓支撑等（图4）。第二种是由于特殊的建筑形状引起的，该形状在结构的某些部分或整体结构中使用复杂的空间形成组件，例如鸟巢的肩部结构，昆明机场的缎带结构和扭曲的主凤凰电视国际媒体中心的主要钢结构肋骨。 （图5）。第三种类型是，由于建筑结构本身的复杂性，例如上海全球金融中心，广州Zhujiang新城市建筑等，钢组件的节点结构特别复杂（图6）。
图4特殊形组件的横截面类型一毫米
图5特殊形组件的横截面类型两个mm
图6项目具有更复杂的节点构造
3处理和制造技术的主要开发方向
分析上述复杂钢组件的应用特性，可以看出钢结构常规检测项目，其处理和制造技术主要包括以下开发方面：
1）加深设计技术。复杂的建筑结构本身和复杂的钢组件的加深设计需要建立三维模型，并且加深的设计技术从手动绘制到CAD计划绘图，然后再到当今的BIM模型。
2）特殊设备。早期相交的电线切割只能用于扩展相交的电线平面以制成1：1样品（图7）。制作手工切割的钢管杆，它们效率低下且具有成本效益，无法完成多管相交电线的木桩和切割。 。因此，有必要开发多维相交的电线切割机。此外，还需要特殊设备，例如大幅磨机机器，以确保大型且复杂的横截面组件的准确性。
图7连接线中的手动模板mm
3）特殊形状的横截面组件形成和空间弯曲和扭转钢板形成技术。特殊形状的横截面形式的组件可以总结为两种横截面形式。第一种类型是由空间弯曲的钢板组装和焊接的，第二种类型是由钢管弯曲的。与常规的横截面成员（第一类横截面成员）相比。加工和生产的困难在于深化的设计，加工和形成太空弯曲钢板的过程。在第二个横截面形式中处理和制造组件的困难在于处理和形成过程。
对于以上两个问题，尽管传统上在船舶，飞机和机械加工领域中存在成熟的过程，但建筑钢结构具有其自身的特征，例如空间弯曲表面更“任意变化”，并且具有许多弯曲的表面类型。难以大规模生产。建筑物中可能有数千个具有不同空间弯曲表面形状的组件，例如厚钢板，大型横截面的钢管，较短的加工时间和较大的工作量。因此，这些原始过程无法完全满足复杂的建筑钢结构的需求。钢组件的加工要求需要与其自身的特征和技术创新相结合。
4加深设计技术的发展
为了加深钢制组件的设计，形成和焊接太空弯曲钢板，主要有两种技术创新：
1）第一个是工作方法的创新。传统的钢结构工程通常从建筑设计到结构设计到加深设计。加深设计是根据结构施工图进行的（图8）。但是，由于特殊形组件的空间线性形状非常复杂，并且有许多弯曲和扭转组件（在Phoenix TV International Media Center中需要散布并扩展到最多30,000 m），因此同时，由于结构工程师对处理技术的熟悉程度不太熟悉，因此他们无法准确提供处理要求。通常，信息轴线控制点的坐标仅在施工图中可用，该图纸无法满足加深设计的要求。新的加深设计方法基于结构构造图和三维建筑模型，同时（图9）。组件的结构特性是从结构构造图中获得的，例如横截面几何尺寸，钢板厚度，钢板材料和其他信息，而组件的空间线形状直接在三维建筑模型上提取，这简化了结构施工图的工作。避免了模型坐标之间的转换，从而大大提高了设计的效率和准确性。
图8一般设计方法
图9新设计方法
2）第二个是加深设计方法中的创新。由于加深的设计工程师需要从建筑模型中提取各种线性模式，因此在加深设计中使用常规加深设计软件（例如AutoCAD或Xsteel）无法满足要求，并且需要使用建筑师。常用的空间塑料软件CATIA或Rhinoceros执行各种定位和轮廓线的均值，然后将它们转换为AutoCAD或Xsteel文件以绘制或生成加深的设计图纸（图10）。通过这种建筑设计，结构设计和加深设计的无缝组合，可以实现特殊形组件的高效，准确的加深设计。
图10加深设计
5。主要处理和生产技术开发和实践
5.1特殊设备
1）多维相交的电线切割机。它可以以高效率和高精度自动进口和自动切割，并且在多达9个钢管相交时可以切断相交线。钢管的最大直径可以达到2.5 m（图11）。
图11大直径钢管相交的电线切割机
大风末端铣床。在超高层建筑的钢结构的生产中，大部分的末端磨碎，以确保钢柱段和机器端面表面的平坦度的整体准确性，并确保钢垫的紧密粘贴当连接上钢柱时，从而提高了现场对接焊接速率。大端铣床可以运行到10 m以上（图12）。
图12北京CITIC大楼的巨型钢柱
5.2空间弯曲钢板的处理和形成过程
有许多用于加工和形成太空弯曲钢板的处理技术。在这里，我们只会引入一些具有广泛应用，最成熟和良好成型效果的处理技术。一个是冷处理成型过程，主要包括钢板的初步弯曲成型（图13（a））和整理成型（图13（b））。此过程经过高度处理，适用于具有较大工程量的项目。第二个是热处理成型过程，它适用于曲率半径与碱材料的厚度之比的空间弯曲钢板的处理（图14（a）），主要包括钢板加热（图14） （b））和霉菌制造（图14（c））以及压制和形成（图14（d））。热处理技术需要特殊的供暖设备和霉菌生产，这是昂贵且处理周期较长的，它适用于少量和特殊形状的处理组件。第三是空间弯曲面板的样品框检测过程。对于处理空间弯曲面板的处理精度检测，无论是使用诸如钢制标尺还是总站等测量方法，它都只能测量某些位置点，并且不能反映整个弯曲表面。处理准确性，低工艺和不直觉。可以通过采用样本框检查过程来解决上述缺点。样本框检查过程具有以下特征：
1）样品框过程源自造船过程，并且今天仍然广泛使用，因此整个过程非常成熟。
2）由于样品框是由木材制成的（图15），因此准确性很高，从而确保了空间弯曲钢板的形成精度。
3）当使用样品框检查空间弯曲钢板的线性形状时（图16），与诸如Theodolite和Total Station之类的测量方法相比，它在任何时候都具有非常直观和重新测试的优点。
图13冷处理过程
图14热处理过程
图15制作样品框
图16样本框检查
5.3钢管弯曲成型过程
大直径钢管的弯曲过程主要包括两个处理过程：中间频率热弯曲成型（图17（a））和冷弯曲成型（图17（b））。
两个形成过程具有以下特征：
1）热弯曲成型由中频管弯曲机制成，用于热弯曲；冷弯曲成型是使用大型液压压机和专门设计的上和下压模制成的冷处理和成型。
2）热弯曲成型通常适用于弯曲半径为4.6〜20 m的大直径钢管的弯曲成型；冷弯曲成型通常适用于弯曲半径超过21 m的大直径钢管的弯曲成型。
3）由于热弯曲成型是局部加热，因此在形成后的加热和冷却时，肉眼可见凹形和凸状。冷弯曲表面很好，没有明显的痕迹。
4）在热弯曲成型之后，如果发现过度弯曲，则很难重新弯曲；可以根据要求重复进行冷弯曲成型，并且成型质量更好。
5）热弯曲成型不能在两个不同的半径处弯曲相同的钢管；冷弯曲成型可以通过调节压机模具在两个以上的半径上弯曲相同的钢管。
6）需要加热钢管以形成热弯曲，该弯曲的效率低和电力较高；冷弯曲的形成操作很简单，不需要加热钢管，因此它具有较高的工艺效率和低电量。
图17大直径钢管弯曲过程
5.4大直径钢管加工和生产过程
有两种用于大直径钢管加工的常用加工技术。一种由大直径液压压力机和三星卷卷制成，另一个由特殊的生产设备制成。滚动成型通常适用于直径不少于1,000毫米的厚壁管道；钢管直径和基本材料厚度的应用范围很大，最大滚动厚度取决于设备容量，相应的钢板材料和直径厚度比和其他因素。单部分线圈的长度取决于三星卷的大小和钢板的宽度。卷成型过程主要由诸如压痕头（图18（a）），滚动（图18（b）），纵向接缝焊接和整整一轮组成。
图18滚动过程
按直径不少于6,000毫米的钢管，通常适用于钢管。通常，压钢板的壁厚小于40毫米，根据设备性能和钢板的长度，压板的长度可以达到12 m。有两种类型的压力：2 -HALF（圆形截面上的两个纵向焊缝）和整个钢管截面（圆形截面上的一个纵向焊缝）。原则上，使用2 -HALF按下直径不少于1 500 mm的钢管。压制成型过程主要包括折叠边缘（图19（a）），按压（图19（b）），圆形（图19（c）），纵向接缝焊接和细圆（图19（d））。作品。
图19压制过程
5.5锥管加工和生产过程
圆锥形横截面钢管通常用作节点支撑或钢柱，例如首都机场T3端子的大多数钢柱是大直径的圆锥形钢管柱（图20）。处理和形成过程主要包括压制和滚动成型。
图20首都机场终端3
按直径不少于1,000毫米的大型圆锥形管通常适用于压力机成型工艺钢结构常规检测项目，并由大型液压压力压2半（图21）。该过程的处理效率低于滚动成型过程，适合处理少量组件。
图21压形的圆锥形管（1半）
卷成型过程与大直径钢管盘绕过程的大多数过程相同，但通常适用于直径不少于1,000毫米的小型端锥形管，并且由大型液压压力机和特殊制成三星卷线圈（图22）。该过程具有较高的处理效率，适用于批量生产。
图22滚动锥管
6其他复杂钢组件的例子
上面介绍的处理技术是基本的形成技术。结合使用多个工艺，可以制造不同的复杂钢组件。图23是一些典型的工程示例。
图23典型的工程示例
7结论
首先，具有复杂形状的钢组件是建筑艺术的重要展示。作为建筑个体的独特标记，建筑师将始终使用它们，并且具有不同样式的复杂钢组件将继续出现。其次，复杂的生产过程，许多过程以及对复杂钢组件的工人技能的高需求导致了高生产成本。在激烈的市场竞争中，最终产品未能达到设计效果，而是成为整个建筑物。缺点。最后，随着智能设备的使用和数字技术的开发，最终将改善复杂钢组件的生产准确性，生产效率和处理难度。但是，在可预见的时期，仍然需要具有工匠精神的高级技术人员来实现它。建筑师的想法。
资料来源：Gao Jiling。复杂建筑钢结构的加工和制造技术的开发和实践[J]。钢结构（中文和英语），2024，39（11）：72-79。
doi：10.13206/j.gjgs24101035。
