【北京】蜂窝钢结构安装方法创新QC成果

蜂窝钢结构安装方法创新北京城建集团长沙梅溪湖国际文化艺术中心绽放QC小组发布人：耿德宇1◆1.工程概况◆2.小组简介汇报内容◆3.选题理由◆4.设定目标及可行性分析◆5.提出方案与比较和确定最佳方案◆6.制定对策表◆7.按对策表实施◆8.效果检查◆9.标准化◆10.总结和下一步打算2一、工程概况工程概况•

长沙梅溪湖国际文化艺术工程位于湖南省长沙市湘江新区，总用地面积10万平方米，总建筑面积12万平方米，包括1800座的大剧院、500座的多功能小剧场、展厅面积超过10000㎡的当代艺术馆三个主建筑，外部为双曲面GRC幕墙造型，犹如绽放的芙蓉花。•

大剧院地下三层，地上三～八层，核心框剪砼结构及外围弯扭钢结构。2017年建成后将成为湖南省规模最大、功能最全、全国领先、国际一流的高雅文化艺术殿堂，能承接世界一流的大型歌剧、舞剧、交响乐等高雅艺术表演。3北京城建集团一、工程概况建筑效果图4北京城建集团一、工程概况钢结构整体三维示意图5北京城建集团二、QC小组简介小组简介北京城建集团长沙2014.4.25至2016.1.31梅溪湖国际文化艺术艺术中心绽放QC小组蜂窝钢结构安装方法创新起止时间课题类型创新型注册时间2014年4月课题注册号BUCG-MXH-001每周一次，每次1.5小

TQC教育时

人均102小活动频率小组人数15时，共计81次间时文化组里职务组长副组长组员组员组员组员组员组员组员组员组员组员组员组员组员序号姓名年龄职称项目岗位组里分工程度硕士本科本科本科本科本科专科本科本科本科硕士专科专科专科专科12345赵换江刘京城万里程耿德宇刘平464837265828412527272837363028高工教高项目经理总工程师生产经理质量部长质量顾问技术部长工程部长BIM技术员沪宁钢机技术员技术员策划组织技术负责施工组织质量指导质量顾问技术指导施工协调BIM负责深化加工技术监控技术监控实验监控测量监控资料收集施工监控工程师助工高工6789101112131415刘梦溪骆建坡苏李渊巫明杰张羽工程师助工助工助工助工助工张显达秦道伟王建峰胡小勇李紫薇技术员试验员测量员资料员工程师工长制表日期：2014年4月15日制表人：耿德宇6北京城建集团二、QC小组简介小组简介小组成员职称分布饼状图教高高工技术员7%13%20%教高20%40%高工工程师助工技术员工程师助工7北京城建集团二、QC小组简介小组简介本课题活动计划日期阶段14年4~5月方案提出14年6月14年7月14年8月~15年6月15年4~9月方案比选对策提出对策实施效果检查15年6月~16年1月16年1月制表人：耿德宇标准化总结组员积极参与QC小组培训班制表日期：2014年4月15日8北京城建集团全家福二、QC小组简介9北京城建集团蜂窝钢结构位置示意图三、选题理由10北京城建集团蜂窝钢结构位置示意图三、选题理由•

蜂窝钢结构：本工程蜂窝钢结构为大空间倾斜承重弯扭钢结构。11北京城建集团选蜂

题窝三、选题理由•

设计造型为芙蓉花，蜂窝钢结构既提供了外幕墙安装工理由实现设计意图作面，又可以有效增大通道门自身的承载能力和结构稳定性；相比直上直下的方形设计，可以减小承载同等荷载的构件截面尺寸，可以减少形成同等空间体积构件的数量。钢结构安装方法创新•

目前国内外钢结构施工方法不能完全适用于此类倾斜式网状结构，以前网状结构大多应用于装饰及屋面工程，不需要承重，对结构的承载力及稳定性要求不高，本蜂窝钢结构以上部分为钢结构观景平台，重量达到500T，因此，要求承载能力较高，对构件强度要求非常高。没有先例传统安装方法无法满足•

构件最大倾斜角度达45°，采用传统安装方法，安装周期较长，空间定位困难，累积误差较大，无法实现可靠、安全的安装。12北京城建集团设定目标四、设定目标及目标可行性分析质量•

质量目标为确保国优“鲁班奖”工程，是北京城建集团在外阜最重要项目，集团领导高度重视。目标•

蜂窝钢结构为大剧院前厅入口处，对整体建筑艺术效果实现十分重要，必须保证安装精度、质量。艺术效果•

作为上部钢结构观景平台及屋面单层网壳支座，若安装过程不顺利将严重影响工程工期，必须保证安全、进度。安全进度•

满足安全、进度要求完成蜂窝钢结构施工安装。杆件对接处的焊口错边量不大于T/10，且不大于2.0mm；卸载后最大沉降值不大于4.5mm。目标13北京城建集团目标可行性分析四、设定目标及目标可行性分析•

本QC小组成员现场经验丰富，理论水平高，具有复杂弯扭钢结构施工经验，能够针对本工程特点提出预控措施，获得过全国QC小组一等奖。•

钢结构专业分包单位江苏沪宁钢机拥有丰富的设计、制作、安装复杂重型钢结构经验。•

项目部聘请了柳树屯、尹敏达、吴欣之、张伟、诸福华等国内顶尖钢结构专家作为顾问对本工程钢结构安装方案进行指导。•

本工程得到了钢结构协会的大力支持，派出知名专家予以解决出现的各种情况，有利于目标值的实现。•

蜂窝钢结构安装方法创新课题研究资金得到保障。14北京城建集团五、提出方案与比较和确定最佳方案•

根据设计施工图、设计规范、技术要求等资料在提出方案过程中运用了BIM技术，采用了Xsteel及CAD软件进行模型的建立，建模提高了蜂窝钢结构可视化、施工协调性、实际模拟性、碰撞检查等方面工作效率。15北京城建集团提出方案五、提出方案与比较和确定最佳方案制表人：耿德宇制表日期：2014年4月22日制表人：耿德宇制表日期：2014年4月25日16北京城建集团提出方案五、提出方案与比较和确定最佳方案方案一现场组拼分块吊装将钢结构重量进行合理分段，在现场设置胎架进行蜂窝钢结构分块组拼，按分块进行吊装。1234常规性施工方案较成熟，是较常规的钢结构施工方法。需搭设组拼胎架及安装支撑胎架。临时支撑测量难度吊装难度分块安装精度有保障，测量定位工作量大。组拼后的分块重量至少达180T，吊重过大。特点钢构件板厚为45mm，属厚板焊接，连系梁与底部、上部环梁连接部位大多会有四根杆件组拼，焊接应力较大，焊接应变难以控制，对于结构安全不利56结构安全可控性焊缝质量控制难度焊接应力导致弯扭构件不规则变形，焊缝质量控制难度较大。方案二散件吊装

将钢结构重量进行合理分段，单根弯扭杆件自下而上进行累积吊装，高空叠加拼装。叠加拼装12常规性施工方案成熟，是最常规的钢结构施工方法。需搭设满堂脚手架。临时支撑由于蜂窝钢结构最大倾斜角度为45°，累计吊装在现场高空作业情况下，安装精度及杆件垂直度控制难度很大。34测量难度吊装难度特点杆件重量较小，吊重较小。钢构件板厚为45mm，属厚板焊接，连系梁与底部、上部环梁连接部位大多会有四根杆件组拼，焊接应力较大，焊接应变难以控制，对于结构安全不利56结构安全可控性焊缝质量控制难度焊接应力导致弯扭构件不规则变形，焊缝质量控制难度很大。制表人：耿德宇制表日期：2014年5月15日17北京城建集团提出方案五、提出方案与比较和确定最佳方案方案一与方案二均存在多杆件组拼可能出现的厚板焊接应力应变不可控问题，为解决此问题，小组计划在杆件硬拼部位采用铸钢件从而减少节点部位焊接量，小组采用SPA2000和ANSYS软件对蜂窝钢结构施工全过程进行了模拟分析。多杆件组拼部位设置铸钢节点示意图18北京城建集团自重作用下模拟分析五、提出方案与比较和确定最佳方案Z方向变形云图自重作用下的变形及应力19北京城建集团自重作用下模拟分析五、提出方案与比较和确定最佳方案20北京城建集团考虑上部结构荷载作用下模拟分析五、提出方案与比较和确定最佳方案21北京城建集团受力分析结论五、提出方案与比较和确定最佳方案•

受力分析结论：由上述受力模拟分析可得知，上部两个连系梁与顶环梁构件交接处为变形最大节点，为结构安全可控，设置两个铸钢节点。以此铸钢件和与之相连的连系梁为基准点，可将倾斜蜂窝结构划分为三个部分，两个基准点之间的区域变形较大，定义为设置支撑安装区域，两个基准点之外变形较小的区域定义为叠加安装区域。22北京城建集团提出方案五、提出方案与比较和确定最佳方案方案三散件吊装分区拼装将蜂窝分为三个区域，中间区域设置临时支撑斜拉吊装，两侧区域由下至上，累积吊装。施工方案无先例，但根据受力形式划分安装区1常规性域，有一定可行性，还需进行施工方案的模拟细化。23临时支撑

安装格构式钢管胎架。支撑吊装区先行定位上部铸钢节点，安装精度有保障，测量定位工作量较小。吊装难度

最不利工况为铸钢件吊重

吨，此时吊距为

。48m测量难度特点4583铸钢节点应用，采用既定的吊装、焊接顺序，结构安全可控性焊接应力，焊接应变对称可控，结构安全可控。焊缝质量控制难度6焊缝质量难度控制较小。制表人：耿德宇时间：2014年6月20日23北京城建集团方案选定五、提出方案与比较和确定最佳方案结构安全风险项目技术可行性经济性结论可控性组拼难度较小较小较大支撑材料用量很大较大较大很大很小较小测量难度吊装难度方案一：现场组拼分块吊装不可控不选劳动力用量支撑材料用量劳动力用量焊缝质量控制难度较大组拼难度测量难度吊装难度较大较大较小方案二：散件吊装叠加拼装不可控不选焊缝质量控制难度很大组拼难度测量难度吊装难度较小很小较小支撑材料用量劳动力用量方案三：散件吊装分区拼装可控选择焊缝质量控制难度较小制表人：耿德宇时间：2014年6月27日24北京城建集团方案流程图与系统图六、制定对策表详图深化铸钢件节点铸造吊

机

选

择

及站位模拟铸造工艺质量控制吊

装

顺

序

模拟散

件

吊

装

，分

区

拼

装法施

工

方

案

细化安装步骤模拟焊

接

顺序

模拟临

时

支

撑

卸载

及

变

形

观测控制模拟铸钢件、厚板弯扭钢箱梁焊缝质量现

场

安装

焊缝质量控制制图人：耿德宇时间：2014年7月3日25北京城建集团六、制定对策表对策表完成时间序号

方案对策目标措施地点责任人根据设计图纸及相关规范要求建立CAD三维模型，优化铸件设计，确定2014.

刘梦溪8.31

张羽经设计

审核通

合理的铸件壁厚及内、外部结构，并过后出图加工

出图。铸件节点的上下接口为满足与弯扭厚板箱梁焊接要求，应作特殊设计1详图深化办公室铸

钢

节点铸造1、材质选定。2、加工制作质量控制要点。3、绘制铸钢节点加工工艺流程图。加工成

品铸钢件尺寸

正确

、质量无缺陷2015.

张显达4.25

巫明杰铸造工艺质量控制2加工厂1、确定塔吊选型，确定塔吊站位，根据深化后的构件重量，吊机站位计算最不利工况。2、吊装顺序模拟，确定合理的安装顺序。可直接

按模拟后的施

工方案指导现场施工2014.10.31施

工

方

安装步骤模案细化

拟34办公室刘京城3、焊接顺序模拟，采用对称焊接，减小焊接应力造成构件不对称变形。4.临时支撑卸载及变形观测控制模拟。铸钢件、厚

板

弯扭

钢

箱

现场安装焊

焊缝符合规范、梁

焊

缝

缝质量控制

设计要求质量1、根据本工程特点确定现场焊接质量保证措施2015.5.312、进行铸钢件及厚板焊接工艺评定

现场3、绘制现场焊接工艺流程图4、现场焊缝质量控制耿德宇制表人：耿德宇时间：2014年7月15日26北京城建集团七、按对策表实施实施一：详图深化•

根据参数要求，建立CAD三维模型，优化铸件设计，确定合理的铸件壁厚及内、外部结构，并出图。节点的外形尺寸应符合原设计图样要求，接口外径尺寸公差按负偏差控制，铸钢节点的上下接口满足焊接要求。27北京城建集团七、按对策表实施实施二：铸造工艺质量控制28北京城建集团七、按对策表实施实施三：安装步骤模拟1、吊机选择及站位模拟•

根据深化图确认最大重量构件为83T铸钢件，吊距为48m，经计算最不利工况及现场工期要求，选用350T履带吊，72m主臂+200T超起工况，站场外路基箱进行吊装，站位图如下：29北京城建集团七、按对策表实施实施三：安装步骤模拟2、吊装顺序模拟30北京城建集团31七、按对策表实施实施三：安装步骤模拟3、焊接顺序模拟•

根据三个区特点分别制定施焊顺序，按图中编号依次焊接。以与铸钢节点相连的主杆件为安装单元，为了保证焊接质量减小焊接应力，在进行焊接时须按照如下顺序施焊，同一根主杆件两端的焊缝不能同时施焊。32北京城建集团七、按对策表实施实施三：安装步骤模拟4、临时支撑卸载及变形观测控制模拟•

支撑点卸载采取分级切割的方式进行，构件与胎架模板接触点面进行切割，每次切割8－10mm深度。•

过程监控，发现问题即时停止。•

设置变形监测控制点，并将实际变形监测值与理论分析计算值进行对照，并应及时报告。33北京城建集团七、按对策表实施实施四：现场焊缝质量控制3505021•

焊接方法优选：采用CO2气体保护焊•

厚板焊接层间温度：要求一次焊接连续作业完成•

定位焊：提高预加热温度，加大定位焊缝长度和焊脚尺寸。•

多层多道焊：多层多道焊为最重要工艺原则，严禁摆宽道。•

焊接过程中的检查：清渣检查34北京城建集团七、按对策表实施安装实录35北京城建集团七、按对策表实施安装实录36北京城建集团七、按对策表实施安装实录37北京城建集团七、按对策表实施安装实录38北京城建集团七、按对策表实施安装实录39北京城建集团七、按对策表实施安装实录40北京城建集团八、效果检查目标完成1、应用蜂窝钢结构组拼、焊接顺序施工方法研究成果，项目部于2015年6月3日顺利完成了蜂窝钢结构安装，于2015年9月20日顺利实现了大剧院主体钢结构封顶，为工程既定目标顺利实现打下了坚实基础。•

2、未出现杆件对接处的焊口错边量大于T/10，或大于2.0mm；卸载后最大沉降值为2.8mm。41北京城建集团八、效果检查经济和社会效益通过对蜂窝钢结构安装方法的创新，充分利用了BIM经济效益及深化设计技术，对钢结构复杂构件及铸钢节点二次设计及优化，节省了钢材，降低施工难度。在蜂窝结构安装