江苏沪宁钢机股份有限公司：钢结构在建筑行业的广泛应用与发展历程

江苏沪宁钢铁机械有限公司

概括

与传统的混凝土结构相比，钢结构由于具有重量轻、强度高、易于成型等优点，逐渐在建筑行业得到广泛应用。自19世纪末至今，钢结构的应用不断扩大，特别是在高层建筑和体育场馆中。我国钢结构的发展起步较晚，但随着城市建设的快速推进，特别是2008年北京奥运会的契机，涌现出许多创新建筑，推动了钢结构技术的进步。

我国复杂建筑钢结构的发展大致可分为三个阶段：第一阶段（20世纪90年代），上海大剧院等工程采用复杂焊接箱、钢管桁架结构；第二阶段（2000-2010年），国家体育场等工程的建设标志着复杂建筑钢结构的快速发展；第三阶段（近十年），随着技术创新，各种类型的复杂钢结构相继出现，如上海中心大厦。

复杂钢结构多用于特殊建筑形状的外露构件，或因建筑结构复杂而节点结构特别复杂。常见的应用包括异形截面构件、空间面构件等。复杂钢构件的加工制造技术主要涉及：1）设计技术的深化：从手工绘图到CAD到建立BIM模型以改进设计效率和准确性； 2）专用设备的开发：如多维相贯线切割机和大行程立铣床等，提高加工精度和效率； 3）异形截面构件成形技术：采用冷加工、热加工、样箱检验等多种工艺，满足复杂构件的加工需要。钢管弯曲成型工艺有热弯和冷弯，适合加工不同曲率半径的钢管。大口径钢管和锥形管采用滚压成型工艺加工而成，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，钢结构具有自重轻、强度高、易于成型、造型美观、抗震性能好、装配式建筑等特点。它们很容易解决许多施工和结构问题，因此钢结构得到了更广泛的应用。 。

从全球范围来看，钢结构在建筑中的应用可以追溯到19世纪末20世纪初，当时主要应用于桥梁和工业建筑。 20世纪中叶，随着钢结构制造技术的进步，钢结构在建筑中的应用逐渐扩大，如高层建筑、体育场馆等。

我国建筑中钢结构的发展比较晚，20世纪后期才逐渐发展起来。然而，随着我国城市建设的快速发展，特别是以2008年北京奥运会为契机，越来越多的创新建筑涌现，许多大型公共建筑和超高层建筑成为许多标志性建筑。这些建筑的创新不仅体现在建筑创意上，还直接引发了许多结构上的创新，其中建筑钢结构的创新尤为突出。

同时，基于对钢结构特点更加深入、更加全面的认识，越来越多的建筑师和结构工程师在钢结构的运用上更加娴熟、大胆和富有想象力，“创造”出许多复杂的空间造型和钢结构。结构形式复杂的建筑物，且这些建筑物的建造大多无先例、无规范、无标准可循。这就带动了钢结构加工制造技术、焊接技术、检测技术、吊装技术、空间定位技术等方面的新发展。技术创新有很多，其中复杂钢结构加工制造技术的创新是最直观的。

1 复杂建筑钢结构应用与发展概况

复杂建筑钢结构的定义没有严格的标准，而且在不同时期、从不同的技术角度，定义标准也会有所不同。本文仅从建筑钢结构加工制造技术的角度对复杂建筑钢结构进行简单的定义。从这个角度来看，我国复杂建筑钢结构的发展大致可以概括为三个阶段：

第一期为20世纪90年代，先后有上海大剧院、上海船舶大厦、上海八万人体育场、首都机场T2航站楼、浦东机场T1航站楼、上海延安路高架桥等大型钢结构工程（图1）建设成功，通常采用H型钢，与型钢等截面的工业建筑相比，这些项目中的钢结构大多采用更为复杂的焊接箱型构件，焊接多箱箱式构件，或采用钢管相贯线焊接连接的钢管桁架结构。 。基于当时的制造技术水平和加工设备条件，多室焊接箱体构件的制造技术和相贯线切割技术相对复杂。

图1 一期大型钢结构工程

第二阶段历时十几年建设，以国家体育场、中央电视台、广州电视塔等为代表项目（图2）。那是钢结构在复杂建筑中应用的大发展时期。国家体育场是第一个大型应用空间。曲板焊接构件、中央电视台的蝶形接头是复杂结构节点的代表，广州电视塔的外框柱均采用变截面钢管柱。

图2 二期代表性钢结构项目

近十年可视为复杂建筑钢结构应用的第三阶段。随着设计技术、制造技术和加工设备的不断创新和进步，各种形状和结构更加复杂的建筑钢结构相继出现，其中最具代表性的就是上海中心大厦的巨型钢柱。 、凤凰国际传媒中心的空间弯扭构件、天津周大福的异型截面钢柱（图3）。

图3 三期复杂钢结构建筑代表性项目

2 复杂建筑钢构件的应用特点

从工程应用的角度来看，一是复杂钢结构应用于有特殊建筑要求的外露构件（无装饰层）。异型截面用于个别特殊构件截面类型，如广州火车站、武汉火车的长方形柱。车站变截面椭圆钢管拱、北京北站腰鼓支撑等（图4）。二是由于建筑造型特殊，在结构的某一部分或整体结构中采用了复杂的空间形状构件，如鸟巢的肩部结构、昆明机场的带状结构、弯扭主体等。凤凰国际传媒中心主体钢结构肋骨等（图5）。第三类是由于建筑结构本身的复杂性，钢构件的节点结构特别复杂，如上海环球金融中心、广州珠江新城大厦等（图6）。

图4 异形构件截面类型-mm

图5 异形元件截面类型2mm

图6 节点结构较复杂的项目

3 加工制造技术主要发展方向

对上述复杂钢构件的应用特点分析表明，其加工制造技术主要包括以下几个方面的发展：

1）深化设计技术。复杂建筑结构本身和复杂钢构件的详细设计需要建立三维模型。详细设计技术从手工绘图发展到CAD平面图再到今天的BIM模型。

2）专用设备。早期，相贯线切割只能通过将相贯线平面展开制作1：1的模板来完成（图7）。钢管构件制作采用手工切割，效率低、成本高，而且无法完成多管相贯线的放样和切割。 。因此，有必要开发多维相贯线切割机。此外，还需要长行程立铣床等专用设备来保证大型、复杂截面构件的精度。

图7 相贯线手动切割模板mm

3）异形截面构件成形及空间弯扭钢板成形技术。异形截面构件可概括为两类截面。第一种是由空间弯曲钢板组装焊接而成，第二种是由弯曲钢管制成。与常规截面构件相比，第一类截面构件的加工制造难度在于空间曲线钢板的深入设计和加工成型工艺。第二截面形状部件加工制造的难点在于加工成型过程。

对于以上两方面的问题，虽然船舶、飞机、机械加工领域传统上都有成熟的技术，但建筑钢结构有其自身的特点。例如，空间表面更加“任意变化”，表面的类型也很多。难以批量生产。一座建筑内可能存在上千种不同空间表面形状的构件，如厚钢板、大钢管型材、加工周期短、工作量大等，因此这些原有工艺不能完全满足复杂建筑钢结构的需求。钢构件的加工要求需要结合自身特点，在加工成型过程中进行技术创新。

4、深化设计技术发展

对于空间曲线钢板组装焊接钢构件的深度设计，主要有两个方面的技术创新：

1）一是工作方法创新。常规钢结构项目一般从建筑设计开始，到结构设计，最后到详细设计。详细设计是根据结构施工图进行的（图8）。但由于异形构件的空间排列非常复杂，弯扭构件数量较多（凤凰卫视国际媒体中心需要约30000m的展开曲面），同时由于结构工程师对加工工艺不是很熟悉，无法准确提供加工要求。但施工图上一般只能提供构件轴线控制点的坐标，无法满足详细设计的要求。新的详细设计方法是基于结构施工图和三维建筑模型（图9），从结构施工图中获取构件结构特征，如截面几何尺寸、钢板厚度、钢板材料等信息，而直接在三维建筑模型上提取构件的空间线型，简化了结构施工图的工作，同时由于避免了模型坐标之间的转换，提高了详细绘制的效率和准确性。设计得到很大改进。

图8 常规设计方法

图9 新的设计方法

2）二是详细设计方法的创新。由于详细设计工程师需要提取建筑模型中的各种线型，仅传统的详细设计软件（如AutoCAD或Xsteel）已经不能满足要求。建筑师需要使用常用的空间建模软件Catia或Rhinoceros来放样各种定位线和轮廓线，然后转换为AutoCAD或Xsteel文件来绘制或生成详细设计图（图10）。通过这种建筑设计、结构设计和详细设计的无缝结合，可以实现异形构件高效、准确的详细设计。

图10 详细设计

5 主要加工生产技术开发与实践

5.1专用设备

1）多维相贯线切割机。可进行模型导入和自动切割，效率高、精度高。最多可实现9根钢管相交时的相贯线切割，钢管最大直径可达2.5m（图11）。

图11 大口径钢管相贯线切割机

大行程立铣床。超高层建筑钢结构生产中，对大断面进行端铣，以保证钢柱节段的整体精度和机器端面的平整度，并保证钢垫块在加工时的紧密附着力。上部钢柱采用对接，改善了现场对接焊接。通过率。大型立铣刀的行程可达10m以上（图12）。

图12 北京中信大厦巨型钢柱

5.2 空间曲面钢板加工成型技术

加工空间曲线钢板的加工工艺有多种。这里只介绍几种应用广泛、最成熟、成型效果好的加工工艺。一是冷成型工艺，主要包括钢板的预弯曲成型（图13（a））和精成型（图13（b））。该工艺处理效率高，适合工作量大的项目。二是热成形工艺，适用于曲率半径与母材厚度之比过小的空间弯曲钢板的加工(图14(a))，主要包括钢板加热(图14(a)) b))、模具制造(图14(c))、冲压成型(图14(d))三道工序。热加工技术需要专用的加热设备和模具制作，成本较高，加工周期长。适用于加工数量少、形状特殊的零件。三是空间曲面板样箱检验流程。对于空间曲面面板的加工精度检测，无论是钢尺还是全站仪测量，都只能测量部分定位点，无法反映整个曲面。加工精度低，工作效率低且不直观。利用样品盒检测技术可以解决上述缺点。样盒测试流程具有以下特点：

1）样品盒工艺起源于造船工艺，至今仍广泛使用，所以整个工艺非常成熟。

2）由于样品盒是木质的（图15），精度非常高，保证了空间弯曲钢板的成型精度。

3）使用样品盒检查空间曲线钢板的线性形状时（图16），与经纬仪、全站仪等测量方法相比，具有非常直观、可以随时重新测量的优点。

图13 冷加工成型工艺

图14 热成型工艺

图15 制作样品盒

图16 样品盒检查

5.3 钢管弯曲成型工艺

大口径钢管的弯曲成型工艺主要有中频热弯（图17（a））和冷弯（图17（b））。

两种成型工艺具有以下特点：

1）热弯采用中频弯管机进行热弯；冷弯采用大型液压机和专门设计的上下模具进行冷加工。

2）热弯一般适用于曲率半径R为4.6~20m的大直径钢管的弯曲；冷弯一般适用于曲率半径R大于21m的大直径钢管的弯曲。

3）由于热弯是局部加热，成型后加热和冷却区域会出现明显的不均匀现象；冷弯表面质量较好，无明显痕迹。

4）热弯后，如果发现超差，则难以重新弯制；冷弯可根据需要反复压制、校正，成型质量会更好。

5）热弯不能弯曲同一根钢管两种不同的半径；冷弯通过调整模具可以将同一根钢管弯曲两个以上的半径。

6）热弯需要对钢管进行加热，效率低，耗电量大。冷弯操作简单，不需要对钢管进行加热，因此效率较高，耗电较少。

图17 大口径钢管弯曲成型工艺

5.4 大口径钢管加工制造技术

加工大口径钢管常用的加工工艺有两种。一种是采用大型液压机和三星辊成型，另一种是采用专用生产设备压制成型。滚压成型一般适用于直径不小于1000毫米的厚壁管材。其钢管直径和母材厚度范围广。最大轧制厚度取决于设备能力和相应钢板材质及径厚比等因素。单节轧制长度取决于三星卷的尺寸和钢板的宽度。滚压成形工艺主要由压头（图18（a））、滚压（图18（b））、纵缝焊接、精密滚圆等工序组成。

图18 滚压成型工艺

压制成型一般适用于直径不小于6 000毫米的钢管。一般压制钢板壁厚小于40mm，压制长度可达12m，具体取决于设备性能和钢板长度。压制形式有两种：2半形式（圆形截面上有两条纵向焊缝）和整根钢管截面（圆形截面上有一条纵向焊缝）。原则上直径不小于1500mm的钢管按2半形式压制。压制成型工艺主要有折叠（图19（a））、压制（图19（b））、滚圆（图19（c））、纵缝焊接、精密滚圆（图19（d））。作品。

图19 压制成型过程

5.5 锥管加工制造技术

锥形截面钢管常用作节点支撑或钢柱。例如，首都机场T3航站楼的钢柱大部分采用大直径锥形钢管柱（图20）。其加工成型工艺主要有压制成型和滚压成型。

图20 首都机场T3航站楼

压制成型工艺一般适用于大口直径不小于1 000 mm的锥形管，采用大型液压机2半压制成型（图21）。该工艺的加工效率比滚压成形工艺低，适合加工数量较少的零部件。

图 21 压制成型锥形管（1-半）

滚压成型工艺与大多数大口径钢管滚压工艺相同，但一般适用于不小于1000毫米的小直径锥形管。它是使用大型液压机和特殊的三星辊成型的（图22）。该工艺加工效率高，适合大批量生产。

图22 轧制锥形管

6 复杂钢构件的其他示例

上面介绍的几种加工技术是基本的成形技术。通过组合多种工艺，可以制造不同的复杂钢部件。图23展示了几个典型的工程示例。

图23 典型项目示例

7结论

首先，形状复杂的钢构件是建筑艺术的重要展示。作为个体建筑的独特标志，它们永远都会被建筑师所使用，不同风格的复杂钢构件也会不断出现。其次，复杂钢构件的制造工艺复杂，工序多，对工人技能要求较高，导致生产成本较高。在激烈的市场竞争中，最终的产品未能达到设计效果，反而成为整个建筑的失败。缺点。最后，随着智能装备的运用和数字化技术的发展，复杂钢构件的制造精度、生产效率和加工难度最终将得到提高。但在可预见的时间内，仍需要技艺丰富的高水平技术人员来实现。建筑师的愿景。

资料来源：高吉岭。复杂建筑钢结构加工制造技术的发展与实践[J].钢结构（中英文），2024, 39(11): 72-79.

DOI：10.13206/j.gjgS24101035。