? 钢结构深化设计中构件分段分节研究 钢结构深化设计中构件分段分节研究
张智强 刘晓玮 魏大江
(中建钢构有限公司, 北京 100089)
摘 要：在钢结构加工制作、运输及安装过程中，钢结构分段分节十分重要，需要考虑以下方面：构件的运输尺寸及重量；确保运输合理化；确保加工制作合理化；确保现场施工合理化；与其他相关专业的配合。通过对运输成本和现场安装焊接成本的综合经济分析，将构件的分段尺寸控制在交管超限管理的二级范围；考虑运输过程中构件的变形，尽量保证巨柱构件腔体完整，保证整个构件的整体刚度，对刚度较小位置设置临时支撑。
关键词：焊接量； 合理化； 稳定性； 安全性
1 概 述
1.1 钢结构发展趋势
随着社会的发展和需求，钢结构在工程上的应用越来越广泛，钢结构建筑是资源节约型建筑。 我国建筑用钢量占总用钢量的30%，美国、日本则达到50%～55%，我国建筑用钢量中钢结构用钢量占10%，而美国则达到40%～50%，可见，钢结构的应用在发达国家是十分普遍的。住房和城乡建设部提出到2010年钢结构用钢量占整个用钢量的60%，我国目前的钢结构发展水平与之存在一定差距。
1.2 钢结构工程优势
钢结构建筑综合效益显著钢结构建筑便于实现工厂化、规模化生产，比传统砖混结构和钢筋混凝土结构施工周期短、现场用工少、劳动生产率高，而且品质易保证。钢结构建筑的另一个突出优点是自重轻、延性好、抗震性能优越。钢结构建筑施工速度快、空间利用率高、室内布置灵活、所需施工场地小等优点也十分突出，受到开发商的青睐。建筑师要把钢结构建筑作为一个完整的建筑体系进行研究，满足钢结构建筑在适用性能、节能环保性能、经济性能、安全性能、耐久性能方面的综合要求，形成完善的体系。 在钢结构建筑的模块化制造方面，需研究合理的分段分节形式与分割方式，以及运输、吊装问题等。
2 钢结构分段分节技术主要原则
钢结构分段分节直接影响加工制作及现场施工，应综合考虑多方面因素，主要原则包括以下内容：1)构件的运输尺寸及质量；2)合理分段确保运输合理化；3)减少现场焊接量；4)构件分段确保加工制作合理化；5)构件稳定性安全性；6)与其他专业的配合；7)构件分段分节应在构件受力较弱区域。钢结构分段分节应符合下列要求：1)尽量减少焊缝的数量和尺寸；2)焊缝的布置对称于构件截面的中和轴；3)便于焊接操作，避免仰焊位置施焊；4)采用刚性较小的节点形式，避免焊缝密集与双向/三向相交；5)焊缝位置避开高应力区；6)根据不同焊接工艺方法合理选用坡口形状和尺寸。构件分段分节的合理性，直接影响工程整体安全质量和进度，在钢结构工程中起着至关重要的作用。
2.1 构件的运输尺寸及重量
由于钢结构构件运输主要以公路为主，国外工程考虑海运，因此构件分段分节尺寸应考虑运输道路情况。道路情况主要考虑高速公路收费站的宽高、桥梁的宽高及载重量，隧道、立交桥的通过限制等；构件运输应考虑运输车辆的因素，包括车宽、车长、车的载重量等；构件运输应考虑运输加工厂的因素，主要包括加工车间的吊车的吊重，加工设备的技术参数，加工厂大门的宽、高等。构件的重量需考虑现场塔吊的吊重，根据塔吊的吊重布置，确定构件的重量，在保证安全起重、满足运输要求的前提下，尽量做大构件、减少吊次、减低吊装成本和时间，提高现场安装进度，进而缩短工期。由于构件运输的尺寸直接影响运输的费用，构件分段应要综合考虑上述因素，对构件的运输尺寸进行论证，从中选取最适合本工程的构件运输尺寸，这样既能满足现场需求和工程进度，也节约运输成本。吊耳设置位置需要考虑构件安全性，应设置在构件重心处且均匀分布，同时需进行吊耳的承载力计算，保证焊接质量，以满足吊耳在构件制作、安装过程中的安全性、稳定性。根据交通运输管理部门对超限构件进行以下分级，共分4级，见表1。
表1 构件运输等级
运输等级长度l/m宽度b/m高度h/m运输荷载量W/kN114≤l
2.2 构件合理分段确保运输合理化
构件运输应综合考虑多方面因素，既要满足现场需要，也要满足加工厂的需要。构件运输线路的选择直接影响运输的速度和效率。在选择加工厂时，应尽量考虑施工工地周边的制作厂，这样既节省运输成本，又节约运输时间，从而促进施工进度。构件运输线路应以高速为主，国外工程应以海运为主，到港口后再采用道路运输。
2.3 构件合理分段确保加工制作合理化
构件分段分节应考虑加工制作的合理化，确保构件的完整性。构件能满足加工厂的工艺要求，尽量分成标准构件，如箱型、H型或是组合型，便于加工，促进加工制作自动化，尽量考虑流水线制作。构件分段分节应考虑施焊空间，确保每道焊缝都能进行焊接，并保证焊缝要求，达到工程质量要求。构件分段分节应考虑制作厂主要设备参数，如切割机、端铣机、H型钢流水线、箱型流水线、相贯线切割机、吊车、抛丸机等，以便分段分节构件能在制作厂加工。构件分段分节还应考虑工厂焊缝，避免焊缝重叠、盲焊等情况；考虑材料采购，分段分节应充分考虑常用钢板宽度和长度，尽量避免钢板对接，减少制作厂的焊接量，节约制作成本，保证焊接质量。
2.4 构件合理分段确保现场施工合理化
构件合理分段确保现场施工合理化，应根据工程特点、现场堆放条件、道路因素、现场塔吊位置及吊重等因素，进行构件的分段分节；要考虑构件稳定性，依据构件重心位置，计算吊耳承载力，合理设置吊耳；构件安装过程中，尽量避免对构件进行临时支撑，构件分段应在结构受力比较小的区域，应充分考虑现场焊接量。构件现场焊接量直接影响工程进度、质量和安全，构件分段应尽量减少现场焊接量，避免仰焊和立焊，构件对接位置尽量对称，避免焊缝重叠。2.5 构件分段与其他专业配合
构件分段要结合土建钢筋绑扎的进度安排，随时跟进土建钢筋绑扎工作面的交接标高，确保构件分段分节位置错开外伸钢筋，以免外伸钢筋影响构件安装和现场焊接，钢筋遇到钢柱或是钢梁时，可以采用牛腿焊接，也可采用穿孔，或是钢筋连接器等措施；构件分段要结合机电图纸，考虑设备管道位置，在构件中予以体现，如采取在钢梁腹板处开孔，并对开孔进行补强；构件分段还要考虑幕墙等装饰工程因素，设置幕墙连接件。
2.6 构件分段的经济性
构件分段分节在考虑专业需求的同时要综合分析制作、运输、塔吊、安装、焊接之间的经济效率关系，合理分段分节，使经济效率达到最大化。这样不仅能保证施工安全，也能保证施工质量和进度。
3 工程应用
构件分段分节原则上应适合各类钢结构工程、钢桁架或网架(壳)结构、多层和高层梁柱框架结构等工业与民用建筑和一般构筑物的钢结构工程，包括超高层钢结构、大型体育馆桁架、网架、轻钢厂房、重钢厂房、钢结构桥梁等工程。
以下工程分段案例通过对制作、运输、安装等各方面限制因素综合考虑选出的最优方案，既满足了合理的运输吊装重量，同时降低构件从生产到安装过程中的变形，合理节约了项目成本，方便施工现场焊接。
1)案例1。某项目为巨柱外框筒+内核心筒结构体系，外框筒为巨柱+翼墙，内核心筒为钢筋混凝土筒体(含钢板)。巨柱由多个腔体组成，单根巨柱重约5 000 kN。核心筒内西北角和东南角布置两台重型塔吊，端部起重量近400 kN；北侧为构件起吊区。货运载重车辆：最大运输尺寸为20 m×4.5 m×3.8 m，最大运输重量为1 000 kN。工厂加工和涂装车间单台行车最大起重量750 kN。综合以上因素，将巨柱分为多段，分片组装方式。
2)案例2。某文化设施项目，桁架为外悬挑，受现场塔吊及其他条件制约，通过对钢柱(图1)及桁架(图2)合理分段，控制运输长、宽、高，既节省了运输成本，又保障了现场安装、提高了工作效率、保证了施工质量及工期。
图1 钢柱分段
图2 桁架分段
3)案例3。某机场扩建项目为网架结构体系，通过合理分段和分区，将网架弦杆上、下弦杆分区(图3)，以便现场安装。
图3 网架三维分区示意
4 结束语
钢结构构件分段分节在钢结构工程中极为重要，是钢结构工程的关键技术。通过对运输成本和现场安装焊接成本的综合经济分析，将构件的分段尺寸控制在交管超限管理的二级范围；考虑运输过程中构件的变形，尽量保证巨柱构件腔体完整，保证整个构件的整体刚度，对刚度较小位置设置临时支撑。
在制作厂：1)充分考虑单独构件腔体内的施工空间及施焊的通风环境，以保证构件焊接质量；2)分段需充分考虑中厚板的板幅，尽量减少厚板的拼接、料损，降低制作成本。
在现场施工中：1)尽量做大构件，减少厚板的现场焊缝量，特别是柱脚板的焊接量；2)拼接位置选择在横隔板上方，方便施焊；3)尽量避免焊缝交叉、重叠，减少应力集中；4)分节位置尽量靠近有加劲板位置或拼接位置，需增设焊接工艺隔板，以控制焊接变形。
分段要结合土建钢筋绑扎的进度安排，随时跟进土建钢筋绑扎工作面的交接标高，确保构件分段分节位置错开外伸钢筋，以免外伸钢筋影响构件安装和现场焊接。
分段分节在考虑专业需求的同时要综合分析制作、运输、塔吊、安装、焊接之间的关系，合理分段分节，使经济效益达到最大化。
参考文献
[1] GB 50017—2003 钢结构设计规范[S].
[2] GB 50755—2012 钢结构工程施工规范[S].
[3] JGJ 81—2002 建筑钢结构焊接技术规程[S].
[4] GB 50205—2012 钢结构工程施工质量验收规范[S].
[5] JGJ 99—1998 高层民用建筑钢结构技术规程[S].
[6] JGJ 3—2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].
[7] GB 50755—2012 钢结构工程施工规范[S].
[8] 04 SG519-2 多、高层建筑钢结构节点连接[S].
RESEARCH ON THE SEGMENTATION METHODS USED IN DETAILED DESIGN OF STEEL STRUCTURE
Zhang Zhiqiang Liu Xiaowei Wei Dajiang
(Construction Steel Structure Design Institute North Branch, Beijing 100089, China)
ABSTRACT：During the process of steel structure manufacture, transportation and installation, the steel structure sections is very important, the segmentation method should consider the transportation size and weight of members, so as to ensure the reasonable transportation, ensure the manufacture rationalization is necessary, ensure the on-site construction is necessary. In addition,the segmentation method should include other related professions. Through the comprehensive economic analysis of transportation cost and field welding cost, the segment size was controlled in the range of secondary traffic overload management level. Considering the deformation during transportation, the integrity of giant column cavity should be protected, so as to ensure the overall stiffness of member, the temporary supports could be set up at weak stiffness regions.
KEY WORDS：welding quantity; rationalization; stability; safety
收稿日期：2016-01-06
DOI:10.13206/j.gjg201606014
第一作者：张智强，男，1980年出生，工程师。
Email:[email protected]
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张智强 刘晓玮 魏大江
(中建钢构有限公司, 北京 100089)
摘 要：在钢结构加工制作、运输及安装过程中，钢结构分段分节十分重要，需要考虑以下方面：构件的运输尺寸及重量；确保运输合理化；确保加工制作合理化；确保现场施工合理化；与其他相关专业的配合。通过对运输成本和现场安装焊接成本的综合经济分析，将构件的分段尺寸控制在交管超限管理的二级范围；考虑运输过程中构件的变形，尽量保证巨柱构件腔体完整，保证整个构件的整体刚度，对刚度较小位置设置临时支撑。
关键词：焊接量； 合理化； 稳定性； 安全性
1 概 述
1.1 钢结构发展趋势
随着社会的发展和需求，钢结构在工程上的应用越来越广泛，钢结构建筑是资源节约型建筑。 我国建筑用钢量占总用钢量的30%，美国、日本则达到50%～55%，我国建筑用钢量中钢结构用钢量占10%，而美国则达到40%～50%，可见，钢结构的应用在发达国家是十分普遍的。住房和城乡建设部提出到2010年钢结构用钢量占整个用钢量的60%，我国目前的钢结构发展水平与之存在一定差距。
1.2 钢结构工程优势
钢结构建筑综合效益显著钢结构建筑便于实现工厂化、规模化生产，比传统砖混结构和钢筋混凝土结构施工周期短、现场用工少、劳动生产率高，而且品质易保证。钢结构建筑的另一个突出优点是自重轻、延性好、抗震性能优越。钢结构建筑施工速度快、空间利用率高、室内布置灵活、所需施工场地小等优点也十分突出，受到开发商的青睐。建筑师要把钢结构建筑作为一个完整的建筑体系进行研究，满足钢结构建筑在适用性能、节能环保性能、经济性能、安全性能、耐久性能方面的综合要求，形成完善的体系。 在钢结构建筑的模块化制造方面，需研究合理的分段分节形式与分割方式，以及运输、吊装问题等。
2 钢结构分段分节技术主要原则
钢结构分段分节直接影响加工制作及现场施工，应综合考虑多方面因素，主要原则包括以下内容：1)构件的运输尺寸及质量；2)合理分段确保运输合理化；3)减少现场焊接量；4)构件分段确保加工制作合理化；5)构件稳定性安全性；6)与其他专业的配合；7)构件分段分节应在构件受力较弱区域。钢结构分段分节应符合下列要求：1)尽量减少焊缝的数量和尺寸；2)焊缝的布置对称于构件截面的中和轴；3)便于焊接操作，避免仰焊位置施焊；4)采用刚性较小的节点形式，避免焊缝密集与双向/三向相交；5)焊缝位置避开高应力区；6)根据不同焊接工艺方法合理选用坡口形状和尺寸。构件分段分节的合理性，直接影响工程整体安全质量和进度，在钢结构工程中起着至关重要的作用。
2.1 构件的运输尺寸及重量
由于钢结构构件运输主要以公路为主，国外工程考虑海运，因此构件分段分节尺寸应考虑运输道路情况。道路情况主要考虑高速公路收费站的宽高、桥梁的宽高及载重量，隧道、立交桥的通过限制等；构件运输应考虑运输车辆的因素，包括车宽、车长、车的载重量等；构件运输应考虑运输加工厂的因素，主要包括加工车间的吊车的吊重，加工设备的技术参数，加工厂大门的宽、高等。构件的重量需考虑现场塔吊的吊重，根据塔吊的吊重布置，确定构件的重量，在保证安全起重、满足运输要求的前提下，尽量做大构件、减少吊次、减低吊装成本和时间，提高现场安装进度，进而缩短工期。由于构件运输的尺寸直接影响运输的费用，构件分段应要综合考虑上述因素，对构件的运输尺寸进行论证，从中选取最适合本工程的构件运输尺寸，这样既能满足现场需求和工程进度，也节约运输成本。吊耳设置位置需要考虑构件安全性，应设置在构件重心处且均匀分布，同时需进行吊耳的承载力计算，保证焊接质量，以满足吊耳在构件制作、安装过程中的安全性、稳定性。根据交通运输管理部门对超限构件进行以下分级，共分4级，见表1。
表1 构件运输等级
运输等级长度l/m宽度b/m高度h/m运输荷载量W/kN114≤l
2.2 构件合理分段确保运输合理化
构件运输应综合考虑多方面因素，既要满足现场需要，也要满足加工厂的需要。构件运输线路的选择直接影响运输的速度和效率。在选择加工厂时，应尽量考虑施工工地周边的制作厂，这样既节省运输成本，又节约运输时间，从而促进施工进度。构件运输线路应以高速为主，国外工程应以海运为主，到港口后再采用道路运输。
2.3 构件合理分段确保加工制作合理化
构件分段分节应考虑加工制作的合理化，确保构件的完整性。构件能满足加工厂的工艺要求，尽量分成标准构件，如箱型、H型或是组合型，便于加工，促进加工制作自动化，尽量考虑流水线制作。构件分段分节应考虑施焊空间，确保每道焊缝都能进行焊接，并保证焊缝要求，达到工程质量要求。构件分段分节应考虑制作厂主要设备参数，如切割机、端铣机、H型钢流水线、箱型流水线、相贯线切割机、吊车、抛丸机等，以便分段分节构件能在制作厂加工。构件分段分节还应考虑工厂焊缝，避免焊缝重叠、盲焊等情况；考虑材料采购，分段分节应充分考虑常用钢板宽度和长度，尽量避免钢板对接，减少制作厂的焊接量，节约制作成本，保证焊接质量。
2.4 构件合理分段确保现场施工合理化
构件合理分段确保现场施工合理化，应根据工程特点、现场堆放条件、道路因素、现场塔吊位置及吊重等因素，进行构件的分段分节；要考虑构件稳定性，依据构件重心位置，计算吊耳承载力，合理设置吊耳；构件安装过程中，尽量避免对构件进行临时支撑，构件分段应在结构受力比较小的区域，应充分考虑现场焊接量。构件现场焊接量直接影响工程进度、质量和安全，构件分段应尽量减少现场焊接量，避免仰焊和立焊，构件对接位置尽量对称，避免焊缝重叠。2.5 构件分段与其他专业配合
构件分段要结合土建钢筋绑扎的进度安排，随时跟进土建钢筋绑扎工作面的交接标高，确保构件分段分节位置错开外伸钢筋，以免外伸钢筋影响构件安装和现场焊接，钢筋遇到钢柱或是钢梁时，可以采用牛腿焊接，也可采用穿孔，或是钢筋连接器等措施；构件分段要结合机电图纸，考虑设备管道位置，在构件中予以体现，如采取在钢梁腹板处开孔，并对开孔进行补强；构件分段还要考虑幕墙等装饰工程因素，设置幕墙连接件。
2.6 构件分段的经济性
构件分段分节在考虑专业需求的同时要综合分析制作、运输、塔吊、安装、焊接之间的经济效率关系，合理分段分节，使经济效率达到最大化。这样不仅能保证施工安全，也能保证施工质量和进度。
3 工程应用
构件分段分节原则上应适合各类钢结构工程、钢桁架或网架(壳)结构、多层和高层梁柱框架结构等工业与民用建筑和一般构筑物的钢结构工程，包括超高层钢结构、大型体育馆桁架、网架、轻钢厂房、重钢厂房、钢结构桥梁等工程。
以下工程分段案例通过对制作、运输、安装等各方面限制因素综合考虑选出的最优方案，既满足了合理的运输吊装重量，同时降低构件从生产到安装过程中的变形，合理节约了项目成本，方便施工现场焊接。
1)案例1。某项目为巨柱外框筒+内核心筒结构体系，外框筒为巨柱+翼墙，内核心筒为钢筋混凝土筒体(含钢板)。巨柱由多个腔体组成，单根巨柱重约5 000 kN。核心筒内西北角和东南角布置两台重型塔吊，端部起重量近400 kN；北侧为构件起吊区。货运载重车辆：最大运输尺寸为20 m×4.5 m×3.8 m，最大运输重量为1 000 kN。工厂加工和涂装车间单台行车最大起重量750 kN。综合以上因素，将巨柱分为多段，分片组装方式。
2)案例2。某文化设施项目，桁架为外悬挑，受现场塔吊及其他条件制约，通过对钢柱(图1)及桁架(图2)合理分段，控制运输长、宽、高，既节省了运输成本，又保障了现场安装、提高了工作效率、保证了施工质量及工期。
图1 钢柱分段
图2 桁架分段
3)案例3。某机场扩建项目为网架结构体系，通过合理分段和分区，将网架弦杆上、下弦杆分区(图3)，以便现场安装。
图3 网架三维分区示意
4 结束语
钢结构构件分段分节在钢结构工程中极为重要，是钢结构工程的关键技术。通过对运输成本和现场安装焊接成本的综合经济分析，将构件的分段尺寸控制在交管超限管理的二级范围；考虑运输过程中构件的变形，尽量保证巨柱构件腔体完整，保证整个构件的整体刚度，对刚度较小位置设置临时支撑。
在制作厂：1)充分考虑单独构件腔体内的施工空间及施焊的通风环境，以保证构件焊接质量；2)分段需充分考虑中厚板的板幅，尽量减少厚板的拼接、料损，降低制作成本。
在现场施工中：1)尽量做大构件，减少厚板的现场焊缝量，特别是柱脚板的焊接量；2)拼接位置选择在横隔板上方，方便施焊；3)尽量避免焊缝交叉、重叠，减少应力集中；4)分节位置尽量靠近有加劲板位置或拼接位置，需增设焊接工艺隔板，以控制焊接变形。
分段要结合土建钢筋绑扎的进度安排，随时跟进土建钢筋绑扎工作面的交接标高，确保构件分段分节位置错开外伸钢筋，以免外伸钢筋影响构件安装和现场焊接。
分段分节在考虑专业需求的同时要综合分析制作、运输、塔吊、安装、焊接之间的关系，合理分段分节，使经济效益达到最大化。
参考文献
[1] GB 50017—2003 钢结构设计规范[S].
[2] GB 50755—2012 钢结构工程施工规范[S].
[3] JGJ 81—2002 建筑钢结构焊接技术规程[S].
[4] GB 50205—2012 钢结构工程施工质量验收规范[S].
[5] JGJ 99—1998 高层民用建筑钢结构技术规程[S].
[6] JGJ 3—2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].
[7] GB 50755—2012 钢结构工程施工规范[S].
[8] 04 SG519-2 多、高层建筑钢结构节点连接[S].
RESEARCH ON THE SEGMENTATION METHODS USED IN DETAILED DESIGN OF STEEL STRUCTURE
Zhang Zhiqiang Liu Xiaowei Wei Dajiang
(Construction Steel Structure Design Institute North Branch, Beijing 100089, China)
ABSTRACT：During the process of steel structure manufacture, transportation and installation, the steel structure sections is very important, the segmentation method should consider the transportation size and weight of members, so as to ensure the reasonable transportation, ensure the manufacture rationalization is necessary, ensure the on-site construction is necessary. In addition,the segmentation method should include other related professions. Through the comprehensive economic analysis of transportation cost and field welding cost, the segment size was controlled in the range of secondary traffic overload management level. Considering the deformation during transportation, the integrity of giant column cavity should be protected, so as to ensure the overall stiffness of member, the temporary supports could be set up at weak stiffness regions.
KEY WORDS：welding quantity; rationalization; stability; safety
收稿日期：2016-01-06
DOI:10.13206/j.gjg201606014
第一作者：张智强，男，1980年出生，工程师。
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