钢结构技术-建筑业十项新技术五

5.1 高性能钢材应用技术
5.1.1 技术内容
选用高强度钢材（屈服强度ReL≥390Mpa），可减少钢材用量及加工量，节约资源，降低成本。为了提高结构的抗震性，要求钢材具有高的塑性变形能力，选用低屈服点钢材（屈服强度ReL=100～225Mpa）。
国家标准《低合金高强度结构钢》GB/T 1591中规定八个牌号，其中Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690属高强钢范围；《桥梁用结构钢》GB/T 714有九个牌号，其中Q420q、Q460q、Q500q、Q550q、Q620q、Q690q属高强钢范围；《建筑结构用钢》GB/T 19879有Q390GJ、Q420GJ、Q460GJ三个牌号属于高强钢范围；《耐候结构钢》GB/T 4171，有Q415NH、Q460NH、Q500NH、Q550NH属于高强钢范围；《建筑用低屈服强度钢板》GB/T 28905，有LY100、LY160、LY225属于低屈服强度钢范围。
5.1.2 技术指标
钢厂供货品种及规格：轧制钢板的厚度为6～400mm，宽度为 1500～4800 mm，长度为6000～25000mm。有多种交货方式，包括：普通轧制态AR、控制轧制态CR、正火轧制态NR、控轧控冷态TMCP、正火态N、正火加回火态N+T、调质态QT等。
建筑结构用高强钢一般具有低碳、微合金、纯净化、细晶粒四个特点。使用高强度钢材时必须注意新钢种焊接性试验、焊接工艺评定、确定匹配的焊接材料和焊接工艺，编制焊接工艺规程。
建筑用低屈服强度钢中残余元素铜、铬、镍的含量应各不大于0.30%。成品钢板的化学成分允许偏差应符合GB/T222的规定。
5.1.3 适用范围
高层建筑、大型公共建筑、大型桥梁等结构用钢，其它承受较大荷载的钢结构工程，以及屈曲约束支撑产品。
5.1.4 工程案例
国家体育场、国家游泳中心、昆明新机场、北京机场T3航站楼、深圳湾体育中心等大跨度钢结构工程；中央电视台新址、新保利大厦、广州新电视塔、法门寺合十舍利塔、深圳平安金融中心等超高层建筑工程；重庆朝天门大桥、港珠澳大桥等桥梁钢结构工程。
5.2 钢结构深化设计与物联网应用技术
5.2.1 技术内容
钢结构深化设计是以设计院的施工图、计算书及其它相关资料为依据，依托专业深化设计软件平台，建立三维实体模型，计算节点坐标定位调整值，并生成结构安装布置图、零构件图、报表清单等的过程。钢结构深化设计与BIM结合，实现了模型信息化共享，由传统的“放样出图”延伸到施工全过程。物联网技术是通过射频识别（RFID）、红外感应器等信息传感设备，按约定的协议，将物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术。在钢结构施工过程中应用物联网技术，改善了施工数据的采集、传递、存储、分析、使用等各个环节，将人员、材料、机器、产品等与施工管理、决策建立更为密切的关系，并可进一步将信息与BIM模型进行关联，提高施工效率、产品质量和企业创新能力，提升产品制造和企业管理的信息化管理水平。主要包括以下内容：
（1）深化设计阶段，需建立统一的产品（零件、构件等）编码体系，规范图纸深度，保证产品信息的唯一性和可追溯性。深化设计阶段主要使用专业的深化设计软件，在建模时，对软件应用和模型数据有以下几点要求：
1）统一软件平台：同一工程的钢结构深化设计应采用统一的软件及版本号，设计过程中不得更改。同一工程宜在同一设计模型中完成，若模型过大需要进行模型分割，分割数量不宜过多。
2）人员协同管理：钢结构深化设计多人协同作业时，明确职责分工，注意避免模型碰撞冲突，并需设置好稳定的软件联机网络环境，保证每个深化人员的深化设计软件运行顺畅。
3）软件基础数据配置：软件应用前需配置好基础数据，如：设定软件自动保存时间；使用统一的软件系统字体；设定统一的系统符号文件；设定统一的报表、图纸模板等。
4）模型构件唯一性：钢结构深化设计模型，要求一个零构件号只能对应一种零构件，当零构件的尺寸、重量、材质、切割类型等发生变化时，需赋予零构件新的编号，以避免零构件的模型信息冲突报错。
5）零件的截面类型匹配：深化设计模型中每种截面的材料指定唯一的截面类型，保证材料在软件内名称的唯一性。
6）模型材质匹配：深化设计模型中每个零件都有对应的材质，根据相关国家钢材标准指定统一的材质命名规则，深化设计人员在建模过程中需保证使用的钢材牌号与国家标准中的钢材牌号相同。
（2）施工过程阶段，需建立统一的施工要素（人、机、料、法、环等）编码体系，规范作业过程，保证施工要素信息的唯一性和可追溯性。
（3）搭建必要的网络、硬件环境，实现数控设备的联网管理，对设备运转情况进行监控，提高设备管理的工作效率和质量。
（4）将物联网技术收集的信息与BIM模型进行关联，不同岗位的工程人员可以从BIM模型中获取、更新与本岗位相关的信息，既能指导实际工作，又能将相应工作的成果更新到BIM模型中，使工程人员对钢结构施工信息做出正确理解和高效共享。
（5）打造扎实、可靠、全面、可行的物联网协同管理软件平台，对施工数据的采集、传递、存储、分析、使用等环节进行规范化管理，进一步挖掘数据价值，服务企业运营。
5.2.2 技术指标
（1）按照深化设计标准、要求等统一产品编码，采用专业软件开展深化设计工作。
（2）按照企业自身管理规章等要求统一施工要素编码。
（3）采用三维计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺规划（CAPP）、计算机辅助制造（CAM）、工艺路线仿真等工具和手段，提高数字化施工水平。
（4）充分利用工业以太网，建立企业资源计划管理系统（ERP）、制造执行系统（MES）、供应链管理系统（SCM）、客户管理系统（CRM）、仓储管理系统（WMS）等信息化管理系统或相应功能模块，进行产品全生命期管理。
（5）钢结构制造过程中可搭建自动化、柔性化、智能化的生产线，通过工业通信网络实现系统、设备、零部件以及人员之间的信息互联互通和有效集成。
（6）基于物联网技术的应用，进一步建立信息与BIM模型有效整合的施工管理模式和协同工作机制，明确施工阶段各参与方的协同工作流程和成果提交内容，明确人员职责，制定管理制度。
5.2.3 适用范围
钢结构深化设计、钢结构工程制作、运输与安装。
5.2.4 工程案例
苏州体育中心、武汉中心、重庆来福士、深圳汉京、北京中国尊大厦等。
5.3 钢结构智能测量技术
5.3.1 技术内容
钢结构智能测量技术是指在钢结构施工的不同阶段，采用基于全站仪、电子水准仪、GPS全球定位系统、北斗卫星定位系统、三维激光扫描仪、数字摄影测量、物联网、无线数据传输、多源信息融合等多种智能测量技术，解决特大型、异形、大跨径和超高层等钢结构工程中传统测量方法难以解决的测量速度、精度、变形等技术难题，实现对钢结构安装精度、质量与安全、工程进度的有效控制。主要包括以下内容：
（1）高精度三维测量控制网布设技术
采用GPS空间定位技术或北斗空间定位技术，利用同时智能型全站仪（具有双轴自动补偿、伺服马达、自动目标识别（ATR）功能和机载多测回测角程序）和高精度电子水准仪以及条码因瓦水准尺，按照现行《工程测量规范》，建立多层级、高精度的三维测量控制网。
（2）钢结构地面拼装智能测量技术
使用智能型全站仪及配套测量设备，利用具有无线传输功能的自动测量系统，结合工业三坐标测量软件，实现空间复杂钢构件的实时、同步、快速地面拼装定位。
（3）钢结构精准空中智能化快速定位技术
采用带无线传输功能的自动测量机器人对空中钢结构安装进行实时跟踪定位，利用工业三坐标测量软件计算出相应控制点的空间坐标，并同对应的设计坐标相比较，及时纠偏、校正，实现钢结构快速精准安装。
（4）基于三维激光扫描的高精度钢结构质量检测及变形监测技术
采用三维激光扫描仪，获取安装后的钢结构空间点云，通过比较特征点、线、面的实测三维坐标与设计三维坐标的偏差值，从而实现钢结构安装质量的检测。该技术的优点是通过扫描数据点云可实现对构件的特征线、特征面进行分析比较，比传统检测技术更能全面反映构件的空间状态和拼装质量。
（5）基于数字近景摄影测量的高精度钢结构性能检测及变形监测技术
利用数字近景摄影测量技术对钢结构桥梁、大型钢结构进行精确测量，建立钢结构的真实三维模型，并同设计模型进行比较、验证，确保钢结构安装的空间位置准确。
（6）基于物联网和无线传输的变形监测技术。
通过基于智能全站仪的自动化监测系统及无线传输技术，融合现场钢结构拼装施工过程中不同部位的温度、湿度、应力应变、GPS数据等传感器信息，采用多源信息融合技术，及时汇总、分析、计算，全方位反映钢结构的施工状态和空间位置等信息，确保钢结构施工的精准性和安全性。
5.3.2 技术指标
（1）高精度三维控制网技术指标
相邻点平面相对点位中误差不超过3mm，高程上相对高差中误差不超过2mm；单点平面点位中误差不超过5mm，高程中误差不超过2mm。
（2）钢结构拼装空间定位技术指标
拼装完成的单体构件即吊装单元，主控轴线长度偏差不超过3mm，各特征点监测值与设计值（X、Y、Z坐标值）偏差不超过10mm。具有球结点的钢构件，检测球心坐标值（X、Y、Z坐标值）偏差不超过3mm。构件就位后各端口坐标（X、Y、Z坐标值）偏差均不超过10mm，且接口（共面、共线）错台不超过2mm。
（3）钢结构变形监测技术指标
所测量的三维坐标（X、Y、Z坐标值）观测精度应达到允许变形值的1/20～1/10。
5.3.3 适用范围
大型复杂或特殊复杂、超高层、大跨度等钢结构施工过程中的构件验收、施工测量及变形观测等。
5.3.4 工程案例
大型体育建筑：国家体育场（“鸟巢”）、国家体育馆、水立方等。
大型交通建筑：首都机场T3航站楼、天津西站、北京南站、港珠澳大桥等。
大型文化建筑：国家大剧院、上海世博会世博轴、北京凤凰国际中心等。
5.4 钢结构虚拟预拼装技术
5.4.1 技术内容
（1）虚拟预拼装技术
采用三维设计软件，将钢结构分段构件控制点的实测三维坐标，在计算机中模拟拼装形成分段构件的轮廓模型，与深化设计的理论模型拟合比对，检查分析加工拼装精度，得到所需修改的调整信息。经过必要校正、修改与模拟拼装，直至满足精度要求。
（2）虚拟预拼装技术主要内容
1）根据设计图文资料和加工安装方案等技术文件，在构件分段与胎架设置等安装措施可保证自重受力变形不致影响安装精度的前提下，建立设计、制造、安装全部信息的拼装工艺三维几何模型，完全整合形成一致的输入文件，通过模型导出分段构件和相关零件的加工制作详图。
2）构件制作验收后，利用全站仪实测外轮廓控制点三维坐标。
①设置相对于坐标原点的全站仪测站点坐标，仪器自动转换和显示位置点（棱镜点）在坐标系中的坐标。
②设置仪器高和棱镜高，获得目标点的坐标值。
③设置已知点的方向角，照准棱镜测量，记录确认坐标数据。
3）计算机模拟拼装，形成实体构件的轮廓模型。
①将全站仪与计算机连接，导出测得的控制点坐标数据，导入到EXCEL表格，换成（x，y，z）格式。收集构件的各控制点三维坐标数据、整理汇总。
②选择复制全部数据，输入三维图形软件。以整体模型为基准，根据分段构件的特点，建立各自的坐标系，绘出分段构件的实测三维模型。
③根据制作安装工艺图的需要，模拟设置胎架及其标高和各控制点坐标。
④将分段构件的自身坐标转换为总体坐标后，模拟吊上胎架定位，检测各控制点的坐标值。
4）将理论模型导入三维图形软件，合理地插入实测整体预拼装坐标系。
5）采用拟合方法，将构件实测模拟拼装模型与拼装工艺图的理论模型比对，得到分段构件和端口的加工误差以及构件间的连接误差。
6）统计分析相关数据记录，对于不符规范允许公差和现场安装精度的分段构件或零件，修改校正后重新测量、拼装、比对，直至符合精度要求。
（3）虚拟预拼装的实体测量技术
1）无法一次性完成所有控制点测量时，可根据需要，设置多次转换测站点。转换测站点应保证所有测站点坐标在同一坐标系内。
2）现场测量地面难以保证绝对水平，每次转换测站点后，仪器高度可能会不一致，故设置仪器高度时应以周边某固定点高程作为参照。
3）同一构件上的控制点坐标值的测量应保证在同一人同一时段完成，保证测量准确和精度。
4）所有控制点均取构件外轮廓控制点，如遇到端部有坡口的构件，控制点取坡口的下端，且测量时用的反光片中心位置应对准构件控制点。
5.4.2 技术指标
预拼装模拟模型与理论模型比对取得的几何误差应满足《钢结构工程施工规范》GB50755和《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205以及实际工程使用的特别需求。
无特别需求情况下，结构构件预拼装主要允许偏差：
预拼装单元总长            ±5.0 mm
各楼层柱距                 ±4.0 mm
相邻楼层梁与梁之间距离     ±3.0 mm
拱度（设计要求起拱）     ±l/5000
各层间框架两对角线之差      H/2000，且不应大于5.0mm
任意两对角线之差          ∑H/2000，且不应大于8.0mm
接口错边                  2.0mm
节点处杆件轴线错位          4.0mm
5.4.3 适用范围
各类建筑钢结构工程，特别适用于大型钢结构工程及复杂钢结构工程的预拼装验收。
5.4.4 工程案例
天津宝龙国际中心、天津宝龙城市广场、深圳平安金融中心、北京中国尊大厦等。
5.5 钢结构高效焊接技术
5.5.1 技术内容
当前钢结构制作安装施工中能有效提高焊接效率的技术有：（1）焊接机器人技术；（2）双（多）丝埋弧焊技术；（3）免清根焊接技术；（4）免开坡口熔透焊技术；（5）窄间隙焊接技术。
焊接机器人技术克服手工焊接受劳动强度、焊接速度等因素的制约，可结合双（多）丝、免清根、免开坡口等技术，实现大电流、高速、低热输入的连续焊接，大幅提高焊接效率；双（多）丝埋弧焊技术熔敷量大，热输入小，速度快，焊接效率及质量提升明显；免清根焊接技术通过采用陶瓷衬垫和优化坡口形式（如U型坡口），省略掉碳弧气刨工序，缩短焊接时长，减少焊缝熔敷量，同时可避免渗碳对板材力学性能的影响；免开坡口熔透焊技术采用单丝可实现t≤12mm板厚熔透焊接，采用双（多）丝可实现t≤20mm板厚熔透焊接，免除坡口加工工序；窄间隙焊接技术剖口窄小，焊丝熔敷填充量小，相比常规坡口角度焊缝可减少1/2~2/3的焊丝熔敷量，焊接效率提高明显，焊材成本降低明显，效率提高和能源节省的效益明显。
5.5.2 技术指标
焊接工艺参数须按《钢结构焊接规范》GB50661要求，满足焊接工艺评定试验要求；承载静荷载结构焊缝和需疲劳验算结构的焊缝，须按《钢结构焊接规范》GB50661分别进行焊缝外观质量检验和内部质量无损检测；焊缝超声波检测等级不低于B级，母材厚度超过100mm应进行双面双侧检验。
5.5.3 适用范围
所有钢结构工厂制作、现场安装的焊接。
5.5.4 工程案例
国家体育中心、深圳平安金融中心、天津高银117大厦、天津周大福、南京金鹰商业广场等。

5.6 钢结构滑移、顶（提）升施工技术
5.6.1 技术内容
滑移施工技术是在建筑物的一侧搭设一条施工平台，在建筑物两边或跨中铺设滑道，所有构件都在施工平台上组装，分条组装后用牵引设备向前牵引滑移（可用分条滑移或整体累积滑移）。结构整体安装完毕并滑移到位后，拆除滑道实现就位。滑移可分为结构直接滑移、结构和胎架一起滑移、胎架滑移等多种方式。牵引系统有卷扬机牵引、液压千斤顶牵引与顶推系统等。结构滑移设计时要对滑移工况进行受力性能验算，保证结构的杆件内力与变形符合规范和设计要求。
整体顶（提）升施工技术是一项成熟的钢结构与大型设备安装技术，它集机械、液压、计算机控制、传感器监测等技术于一体，解决了传统吊装工艺和大型起重机械在起重高度、起重重量、结构面积、作业场地等方面无法克服的难题。顶（提）升方案的确定，必须同时考虑承载结构（永久的或临时的）和被顶（提）升钢结构或设备本身的强度、刚度和稳定性。要进行施工状态下结构整体受力性能验算，并计算各顶（提）点的作用力，配备顶升或提升千斤顶。对于施工支架或下部结构及地基基础应验算承载能力与整体稳定性，保证在最不利工况下足够的安全性。施工时各作用点的不同步值应通过计算合理选取。
顶（提）升方式选择的原则，一是力求降低承载结构的高度，保证其稳定性，二是确保被顶（提）升钢结构或设备在顶（提）升中的稳定性和就位安全性。确定顶（提）升点的数量与位置的基本原则是：首先保证被顶（提）升钢结构或设备在顶（提）升过程中的稳定性；在确保安全和质量的前提下，尽量减少顶（提）升点数量；顶（提）升设备本身承载能力符合设计要求。顶（提）升设备选择的原则是：能满足顶（提）升中的受力要求，结构紧凑、坚固耐用、维修方便、满足功能需要（如行程、顶（提）升速度、安全保护等）。
5.6.2 技术指标
滑移牵引力计算，当钢与钢面滑动摩擦时，摩擦系数取0.12～0.15；当滚动摩擦时，滚动轴处摩擦系数取0.1；当不锈钢与四氟聚乙烯板之间的滑靴摩擦时，摩擦系数取0.08。
整体顶（提）升方案要作施工状态下结构整体受力性能验算，依据计算所得各顶（提）点的作用力配备千斤顶；提升用钢绞线安全系数：上拔式提升时，应大于3.5；爬升式提升时，应大于5.5。正式提升前的试提升需悬停静置12小时以上并测量结构变形情况；相邻两提升点位移高差不超过2cm。
5.6.3 适用范围
滑移施工技术适用于大跨度网架结构、平面立体桁架（包括曲面桁架）及平面形式为矩形的钢结构屋盖的安装施工、特殊地理位置的钢结构桥梁。特别是由于现场条件的限制，吊车无法直接安装的结构。
整体顶（提）升施工技术适用于体育场馆、剧院、飞机库、钢连桥（廊）等具有地面拼装条件，又有较好的周边支承条件的大跨度屋盖钢结构；电视塔、超高层钢桅杆、天线、电站锅炉等超高构件；大型龙门起重机主梁、锅炉等大型设备等。
5.6.4 工程案例
昆明新机场航站楼，武汉火车站中央站房，北京华能大厦，天津嘉里中心酒店，哈尔滨万达茂滑雪乐园，成都双流国际机场T2航站楼。
鄂尔多斯东胜体育中心（2608t），海航美兰机场2号机库（2000t），西飞公司369号厂房（1967t），武汉国际博览中心洲际酒店（1500t），上海金虹桥国际中心（1700t），西藏会展中心（1250t），河南建设大厦（1440t），天津和平中心桅杆。