基于 BIM技术的大直径钢管柱关键加工制作技术

张秀川 李广大 吕宁

摘要：某工程钢管柱直径大，种类多，节点复杂，所有焊缝均为一级熔透焊缝，焊接变形大，制作质量难以控制。由于制作过程的中间环节较多，会导致精度偏差累计较大，从而使节点的整体精度控制成为制作过程中的一大难点。本文结合大直径钢管柱利用BIM技术，进行深化设计、建模、分节制作、各节钢管柱牛腿组装、钢管柱焊接等工艺的研究和分析，总结了相关关键加工技术及质量控制措施。

关键词：钢管柱；BIM；分节组装；钢结构焊接；质量控制

1 工程概况

1.1 工程简介

某工程总建筑面积约为93556㎡，其中地下28952m²，地上64604m²。结构体系为钢管混凝土柱框架+核心筒剪力墙体系，地下4层，地上主体34层，总高度184.4m。钢结构主要分布在主楼，柱顶标高181.86m，在结构16层～18层设置腰桁架避难层，标高为+70.030m ～ +86.800m，桁架层外框钢管柱数量为16根。

1.2 钢管柱设计概况

钢管柱为圆管型截面，共计16根，钢柱底标高-5.16m，顶标高181.86m。其钢管直径及壁厚分为：Φ700*12、Φ700*15、Φ700*18、700*20、Φ700*30、Φ700*35、Φ800*12、Φ800*15、Φ800*18、Φ1000*15、Φ1000*18、Φ1100*24、Φ1100*25、Φ1100*35，共计14种规格，其中最大截面为Φ1100*35；最小截面为Φ700*12，主要材质为Q345C。

图1 钢柱平面布置图

2 大直径钢管柱加工难点

该工程钢管柱最长187.02m，直径最大为1.1m，属超长大直径钢管柱，制作、安装的质量要求都较高。

该工程主要采用高强度的钢材制作而成，大直径钢管柱加工难点如下：

（1）由于本工程为旋转向上收缩的梯形外形，加上为外伸臂桁架结构，导致钢管柱共有177类节点，重量从5.9t到12.3t不等，所有焊缝均为一级熔透焊缝，影响因素从母材厚度到焊接手法不一而足，焊接变形大，制作质量难以控制。

图2 钢管柱连接节点BIM图

（2）制作过程中，钢管柱直径从0.7m到1.1m不等，壁厚最厚达35mm，卷板、拼接、牛腿组装等工序精度及累计偏差不易控制，节点的整体精度控制成为制作过程中的一大难点。

3 大直径钢管柱加工工艺流程

3.1 BIM技术应用

本工程将BIM全面应用于深化设计及加工，完全覆盖制图、校对、审核全过程，实现六千多个构件及相应节点全部放样，所有的杆件、节点连接、螺栓焊缝等信息都通过三维实体建模建立整体模型，再利用三视图原理，综合考虑了加劲板、临时固定板、吊装耳板、牛腿等位置的详图，涵盖了钢结构平面、立面图中的每个节点连接大样图及其计算书，包括了各个节点的连接类型、连接件的尺寸、焊缝形式及等级等一系列施工深化设计所必须具备的信息和数据，实现了保证高精度生产加工的目的。

图3 将BIM应用于深化设计

3.2 BIM建模

二维方面，本工程深化设计以设计施工图为依据，综合考虑了分段位置、加工条件、便于运输、操作方便等各类条件，模拟分析了各阶段由于沉降和杆件压缩变形而产生的形变并给出了补偿调节，深化、优化成用于指导钢结构加工、施工的综合图纸，梳理了各类节点及连接零部件尺寸，有利于钢管柱节点位置的加工组装。

该工程612根钢管柱共有177类节点，深化设计工作共深化了468个水平及竖向节点，绘制了3287个零部件的尺寸，出具了342张深化设计图，明确了钢管柱制作节点形式，准确地反映了钢管柱的安装空间位置。

图4 钢管柱与钢梁连接节点

图5 钢管柱与外桁架连接节点

三维方面，该工程采用了BIM技术在工程全寿命周期中各个阶段的集成，将设计方案、加工制造需求、安装需求集成在BIM模型中，针对468个节点一一建模，将全部3287个零部件放样并组合，在实际建造前统筹考虑设计、制造、安装的各种要求，把实际制造、安装过程中可能产生的问题提前消灭。

图6 节点建模

第一阶段，根据结构施工图建立轴线布置和搭建杆件实体模型；第二阶段，根据设计院图纸对模型中的杆件连接节点、构造、加工和安装工艺细节进行安装和处理；第三阶段，对搭建的模型进行“碰撞校核”，并由审核人员进行整体校核、审查。

图7 塔楼桁架层钢框架模型图

图8 深化设计三维建模整体图

3.3钢管柱的加工

根据钢结构相关规范、设计要求、运输条件及吊装条件，将钢管柱分节加工如下：地下部分分为一节一层，标准层一节三层。共分为34节钢管柱，制作钢管柱构件共612根。采购定制宽度的钢板进行卷制圆管。

图9 钢板下料

该工程采用w12-4×2000液压四辊卷板机对钢板进行卷制。使用下好料的钢板，将钢板在卷板机上进行反复滚压卷制成圆管，在埋弧焊设备上将圆管焊接成型，并在卷板机上用卷尺检查钢管的圆度进行精矫，最大直径减去最小直径不大于3mm。

图10 钢板卷管

图11 钢板卷管照片

根据每节钢管柱的长度，将一节钢管柱分为4段，其中上面3段长度固定为2.5m，最后一段为补偿段。补偿段可以根据现场安装情况，对于每节钢管柱楼层牛腿之间高度的偏差，进行补偿，长度不大于2.5m。

图12 钢管柱各段拼接

图13 钢管柱各段拼接照片

3.4单节钢管柱上各层牛腿的组装

把上述加工好的钢管柱，放到专用的滚轮胎具上，将各楼层牛腿进行组装。

先安装牛腿上环板的第一部分，通过BIM模型及经纬仪，在钢管柱上弹好正交轴线，进一步确定牛腿上顶面的标高后，保证上环板标高和垂直度的同时焊接牛腿上环板。然后利用上环板和钢管柱上的正交轴线，焊接组装与牛腿上环板对应的腹板，以便和上环板形成一个相对稳定的整体，用来确保整个牛腿的组装定位。最后在钢管柱上弹好下环板轴线后，焊接组装牛腿下环板。

图14 上环板组装 图15 腹板组装

图16 下环板组装

3.5钢管柱的焊接

（1）在正式施焊前，采用两台经纬仪分别从两侧借一米线，对安装好的圆管柱构件进行标高和竖直观测，进行装配尺寸复核，符合要求方可以进行焊接。

（2）钢管柱焊缝焊接时，按照要求将钢管柱进行四点四人同向对称焊接，采取合理的焊接顺序，控制变形。

图17 钢管柱对接焊接顺序

（3）多层焊的施焊应采取分层分段轮流施焊方式，焊前进行预热，利用测温仪监测预热温度，焊第一遍适当加大焊接电流，减慢焊接速度，焊第二遍避免过热，以减少变形。

4 钢管柱加工要点

4.1 BIM技术的应用

本工程通过合理应用BIM技术，利用了其被结构化数据库所体现的产品、工程物料属性的量化描述特性，直观表现了钢管柱及其节点之间的相对关系，为精准加工和误差控制提供了依据，对物料采购、物料库存、物料消耗、加工工艺、产品质量和产品进度乃至成本核算等资源的管理都起到了举足轻重的作用。

4.2 加工工艺的控制

本工程从原材下料的尺寸及坡口开始加以控制，严格规定了圆管卷制拼接的焊接工艺，并运用独特的补偿段连接方式及牛腿组装方法，尽可能减少在多项工艺下产生的累计误差，为超高层的安装创造了先决条件。

4.3 焊接质量的控制

本工程吸纳学习了已有超高层超厚板的焊接工艺，总结出一套焊缝强度高、缺陷少、返工几率小的焊接工艺，有效提升了超厚异性板一级焊缝探伤的一次通过率，保证了大直径钢管柱的加工制作精度。

5 结语

本文结合某工程1.1m大直径钢管柱，介绍了基于BIM技术的大直径钢管柱加工技术，对大直径钢管柱的深化设计、建模、分节下料与制作、单节钢管柱上各层牛腿的组装、钢管柱的焊接等工艺进行细致地分析及研究，解决了大直径钢管柱加工质量不易控制的难题，提高了超厚异性板焊接的一次成功率，为类似大直径钢管柱加工制作提供了一定的参考依据。

参考文献

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