作者： 高继领 江苏沪宁钢机股份有限公司 摘 要 钢结构相较于传统混凝土结构，因其质量轻、强度高、易成型等优势，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展，尤其在高层建筑和体育场馆中表现突出。中国的钢结构发展起步较晚，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，涌现出众多创新型建筑，推动了钢结构技术的进步。
作者： 高继领
江苏沪宁钢机股份有限公司
摘 要
钢结构相较于传统混凝土结构，因其质量轻、强度高、易成型等优势，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展，尤其在高层建筑和体育场馆中表现突出。中国的钢结构发展起步较晚，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，涌现出众多创新型建筑，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 3 个阶段：第一阶段（20 世纪 90 年代），上海大剧院等项目采用复杂构造的焊接箱型和钢管桁架结构；第二阶段（2000—2010 年），国家体育场等项目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，各类复杂钢结构层出不穷，如上海中心大厦等。
复杂钢结构多用于特殊建筑造型的外露构件，或因建筑结构的复杂性导致节点构造特别复杂。常见的应用包括异形截面构件、空间曲面构件等。复杂钢构件的加工制造技术主要涉及：1）深化设计技术：从手工绘图到 CAD，再到 BIM 模型的建立，提升设计效率和准确性；2）专用设备的开发：如多维相贯线切割机和大行程端铣机等，提升加工精度和效率；3）异形截面构件成型技术：采用冷加工、热加工及样箱检测等多种工艺，满足复杂构件的加工需求。钢管弯制成型工包括热弯和冷弯两种方法，适用于不同曲率半径的钢管加工。大口径钢管和锥形管加工采用卷制和压制成型工艺，适用于不同口径和形状的钢管。
0 引言
钢结构相对于传统的混凝土结构，具有质量轻、强度高、易成型、外观美观、抗震性能好、装配式施工的特点，便于解决许多建筑、结构难题，因此钢结构得到了更为广泛的应用。
从世界范围看，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。
我国建筑钢结构发展相对较晚，在 20 世纪后期才逐步发展，但伴随着我国城市建设的迅猛发展，尤其是以 2008 年北京奥运会为契机，涌现出越来越多的创新型建筑，众多大型公共建筑、超高层建筑更是成了诸多地标性建筑。而这些建筑的创新不但体现在建筑创意上，也直接引导了许多结构方面的创新，其中，建筑钢结构方面的创新尤为突出。
同时，基于对钢结构特性的认识更为深入和全面，越来越多的建筑师、结构工程师对于钢结构的运用更为娴熟、大胆、充满想象力，“ 创造” 出很多具有复杂空间造型和复杂结构形式的钢结构建筑，而这些建筑的施工大多无先例、无规范、无标准可循，从而在钢结构的加工制作技术、 焊接工艺、检测技术、吊装技术、空间定位技术等方面催生了诸多技术创新，其中复杂钢结构加工制作技术的创新最为直观。
1 复杂建筑钢结构应用发展概述
复杂建筑钢结构并无严格的标准去界定，且在不同的时期、以不同的技术角度划分，其界定标准也会不同。本文仅从建筑钢结构加工制造工艺方面简单定义复杂建筑钢结构，以此角度，我国复杂建筑钢结构的发展大致可概括为三个阶段：
第一阶段为 20 世纪 90 年代，上海大剧院、上海航运大厦、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项目（图 1）成功建设，与通常采用 H 型钢等截面型式的工业建筑相比，这些项目的钢结构大多采用构造更为复杂的焊接箱型、焊接多箱室箱型等截面型式的构件或采用钢管相贯线焊接连接的钢管桁架结构形式。以当时的制造工艺水平和加工设备条件，多箱室焊接箱型构件的制造工艺和相贯线切割工艺是相对复杂的。
图 1 第 1 阶段大型钢结构项目
第二阶段是以国家体育场、中央电视台、广州电视塔等为代表性项目（图 2 ）建设的十多年时间，是复杂建筑钢结构应用大发展的时期，国家体育场是首次较大范围应用空间曲面板焊接构件，中央电视台的蝶形节点是复杂构造节点的代表，广州电视塔外框柱则全部采用变截面钢管柱。
图 2 第 2 阶段钢结构代表性项目
近十年来可看作复杂建筑钢结构应用的第三阶段，随着设计技术、制造工艺及加工设备的不断创新和进步，各种造型、构造更为复杂的建筑钢结构层出不穷，其中具有代表性的有上海中心大厦的巨型钢柱、凤凰卫视国际传媒中心的空间弯扭构件及天津周大福的特殊型式截面钢柱（图 3）。
图 3 第 3 阶段复杂钢结构建筑代表性项目
2 复杂建筑钢构件应用特点
从工程应用来看，一种是复杂钢结构应用在有特殊建筑造型要求的外露构件（无装饰层），对个别特殊的构件截面类型采用异形截面，如广州火车站长圆形柱、武汉火车站变截面椭圆形钢管拱、北京北站腰鼓型支撑等（图 4）。第二种是由于特殊的建筑造型，在某一部分结构或整体结构采用复杂空间造型构件，如鸟巢的肩部结构、昆明机场的彩带结构、凤凰卫视国际传媒中心主体钢结构的弯扭主肋等 （图 5）。第三种是由于建筑结构本身的复杂性导致钢构件的节点构造特别复杂，如上海环球金融中心、广州珠江新城大厦等（图 6）。
图 4 异形构件截面类型一 mm
图 5 异形构件截面类型二 mm
图 6 节点构造较复杂项目
3 加工制造技术主要发展方向
分析上述复杂钢构件的应用特点可知，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。复杂建筑结构自身及复杂钢构件的深化设计都需要建立三维模型，深化设计技术从手工绘图发展到 CAD 平面制图进而发展至如今的 BIM 模型。
2) 专用设备。早期相贯线切割只能采用对相贯线平面展开制作 1 ∶ 1 样板（图 7），采用手工切割制作钢管杆件，效率低、成本高，且无法完成多管相贯线的放样、切割。因此需要发展多维度的相贯线切割机，另外，为保证大型复杂截面构件的精度也需要大行程端铣机等专用设备。
图 7 相贯线手工切割模板 mm
3) 异形截面构件成型及空间弯扭钢板成型技术。异形截面形式的构件可以概括为两种截面形式，第一种由空间曲面钢板组装焊接而成，第二种由钢管弯制而成，相较于常规截面形式构件，第一种截面形式构件的加工制作难点在于空间曲面钢板的深化设计和加工成型工艺两个方面，第二种截面形式构件加工制作难点在于加工成型工艺。
对于以上两个方面的难题，虽然传统上在船舶、飞机及机械加工领域有成熟的工艺，但由于建筑钢结构有其自身的特点，例如空间曲面更为“ 任意多变” ，曲面类型多而难于批量生产。在一个建筑中可能存在上千件不同空间曲面造型的构件，如钢板较厚、钢管截面大、加工工期短、工作量大等，因而，这些原有的工艺并不能完全满足复杂建筑钢结构中钢构件的加工要求，需要结合其自身的特点，在加工成型工艺方面进行技术创新。
4 深化设计技术发展
对于由空间曲面钢板组装焊接而成钢构件的深化设计，主要有以下两个方面的技术创新：
1) 首先是工作方式的创新，常规的钢结构工程，一般是由建筑设计到结构设计最后到深化设计，深化设计是在结构施工图的基础上进行的（图 8 ）。但由于异形构件空间线形十分复杂且弯扭构件很多 （凤凰卫视国际传媒中心中需要放样展开曲面达到约 3 万 m），同时，由于结构工程师对加工工艺并不十分熟悉，无法准确提供加工所需信息，一般只能在施工图上提供构件轴线线型控制点坐标，无法满足深化设计的要求，而新的深化设计方式则是同时以结构施工图和三维建筑模型为基础（图 9 ），从结构施工图上获取构件结构特性，如截面几何尺寸、钢板厚度、钢板材质等信息，而构件的空间线型则直接在三维建筑模型上进行提取，这样就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，从而使深化设计的效率和精度大大提高。
图 8 常规设计方式
图 9 新型设计方式
2）其次是深化设计方法的创新，由于深化设计工程师需要在建筑模型中提取各种线型，因此深化设计仅仅采用常规的深化设计软件（如 AutoCAD 或 Xsteel）已经不能满足要求，需要采用建筑师常用的空间造型软件 Catia 或 Rhinoceros 进行各种定位线及轮廓线的放样，然后转换为 AutoCAD 或 Xsteel 文件绘制或生成深化设计图纸（图 10）。通过这种建筑设计、结构设计及深化设计的无缝结合，实现异形构件的高效、准确的深化设计。
图 10 深化设计
5 主要加工制作技术发展和实践
5.1 专用设备
1) 多维相贯线切割机。可进行模型导入、自动化切割，效率高、精度高，可实现最多 9 根钢管相交时的相 贯 线 的 切 割，钢 管 最 大 口 径 可 达 2.5 m （图 11）。
图 11 大口径钢管相贯线切割机
大行程端铣机。在超高层建筑钢结构制作中，对大截面进行端铣加工，确保钢柱节段的整体精度和机端面平整度，确保上节钢柱对接时钢衬垫的密贴，从而提高现场对接焊接的合格率。大型端铣机的行程可达 10 m 多（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工艺
空间曲面钢板加工成型有多种加工工艺，在这里仅介绍几种应用较广、最为成熟、成型效果好的加工工艺。其一为冷加工成型工艺，主要包含了钢板初步弯制成型（图 13 （a））、精整成型（图 13 （b））。这种工艺加工效率高，适用于工程量较大的工程。其二为热加工成型工艺，适用于曲率半径与母材厚度比值过小的空间曲面钢板的加工（图 14 （a）），主要包含钢板加热 （图 14 （b ））、 模具制造 （图 14 （c））、压制成型（图 14（d））三个工序。热加工工艺需要专用加热设备和模具制作，成本较高，且加工周期长，适用于数量较少、造型特殊的构件加工。其三为空间曲面板的样箱检测工艺，对于空间曲面板的加工精度检测，无论采用钢尺或全站仪等测量方法检测，都只能是对部分定位点的测量，无法反映整个曲面的加工精度，且工效低、不直观。采用样箱检测工艺则可以解决以上不足。样箱检测工艺有以下几个特点：
1) 样箱工艺源自于造船工艺，至今仍大量采用，因此整套工艺非常成熟。
2) 由于样箱采用木材制作而成（图 15），因而精度非常高，保证了空间曲面钢板的成型精度。
3) 使用样箱检查空间曲面钢板的线形时（图16），相较于经纬仪、全站仪等测量手段，具有非常直观，且可以随时复测的优点。
图 13 冷加工成型工艺
图 14 热加工成型工艺
图 15 制作样箱
图 16 样箱检查
5.3 钢管弯制成型工艺
大口径钢管的弯制成型工艺主要有中频热弯成型（图 17 （a））和冷弯成型（图 17 （b ））两种加工工艺。
两种成型工艺有以下几个特点：
1) 热弯成型采用中频弯管机进行热弯；冷弯成型是采用大型油压机和专门设计的上、下压模进行冷加工成型。
2) 热弯成型一般适用于曲率半径 R 在 4.6~20 m 的大口径钢管的弯曲成型；冷弯成型一般适用于曲率半径 R 在 21 m 以上大口径钢管的弯曲成型。
3) 热弯成型由于是局部加热，成型后在加热与冷却处有肉眼可见的凹凸；冷弯成型表面质量较好，无明显的痕迹。
4) 热弯成型后，若发现超差，较难重新弯制；冷弯成型可根据要求重复压制修正，成型的质量较好。
5) 热弯成型无法对同一根钢管进行两种不同半径的弯制；冷弯成型可以通过对压模的调整，实现对同一根钢管进行两种以上半径的弯制。
6) 热弯成型需对钢管进行加热，工效较低，用电量较大；冷弯成型操作简单，不需对钢管进行加热，因此工效较高，用电量少。
图 17 大口径钢管弯制成型工艺
5.4 大口径钢管加工制作工艺
大口径钢管加工有两种常用的加工工艺，一种采用大型油压机及三星轧辊卷制成型，另一种采用专用生产设备压制成型。卷制成型，一般适用于口径不小于 1 000 mm 厚壁管；对钢管直径及母材厚度适用范围大，最大卷制厚度取决于设备能力和相应钢板材质及径厚比等因素。单节卷制长度取决于三星轧辊的尺寸及钢板宽度。卷制成型工艺主要由压头（图 18（a））、卷制（图 18 （b））、纵缝焊接、精整整圆等工序组成。
图 18 卷制成型工艺
压制成型，一般适用于口径不小于 6 000 mm 的钢管。一般压制钢板壁厚 40 mm 以下，压制长度可达 12 m，具体取决于设备性能和钢板长度。压制的有 2 -half 形式（圆截面上两条纵向焊缝）和整个钢管截面（圆截面上一条纵向焊缝）两种形式，原则上口径不小于 1 500 mm 钢管采用 2 - half 形式压制。压制成型工艺主要由折边（图 19 （a））、压制（图 19 （b））、合圆（图 19（c））、纵缝焊接、精整整圆（图 19 （d））等工序组成。
图 19 压制成型工艺
5.5 锥管加工制作工艺
锥形截面钢管经常被用作节点支撑或钢柱，如首都机场 T3 航站楼大部分钢柱为大口径的锥形钢管柱（图 20）。其加工成型工艺主要有压制成型和卷制成型两种。
图 20 首都机场 T3 航站楼
压制成型工艺一般适用于大端口径不小于 1 000 mm 的锥管，采用大型油压机 2 -half 压制成型 （图 21）。此种工艺加工效率较卷制成型工艺低，适用于少量构件的加工。
图 21 压制成型锥管（1-half)
卷制成型工艺与大口径钢管卷制工艺的大多工序一样，但一般适用于小端口径不小于 1 000 mm 的锥管，采用大型油压机及专用三星轧辊卷制成型 （图 22）。此种工艺加工效率高，适合大批量生产。
图 22 卷制成型锥管
6 其他复杂钢构件实例
以上介绍的几种加工工艺是基本的成型技术，综合运用几项工艺，可以制造不同的复杂钢构件，图 23 为几项典型的工程实例。
图 23 典型工程实例
7 结束语
首先，造型复杂的钢构件是建筑艺术的重要展示，作为建筑个体独特的标记，永远会被建筑师所使用，会不断的出现风格迥异的复杂钢构件。其次，复杂钢构件的制作工艺复杂、工序多、对工人技能要求高的特点，导致其制作成本较高，在激烈的市场竞争中，导致最后的产品没能达到设计效果，反倒成为整个建筑的缺陷。最后，随着智能设备的使用、数字技术的发展，终会提高复杂钢构件的制作精度、生产效率及降低加工难度，但在可预见的时间内，依然需要富有工匠精神的高等级技师来实现建筑师的设想。
来源：高继领.复杂建筑钢结构加工制造技术发展与实践[J]. 钢结构(中英文), 2024, 39(11): 72-79.
DOI: 10.13206/j.gjgS24101035.
融媒体编辑：刘铭烨
责任编辑：慕婷婷
