钢结构模块化施工方法与流程

本发明涉及钢结构安装施工技术领域。更具体地说，本发明涉及钢结构模块化施工方法。

背景技术：

近年来，随着社会经济及生产力的发展，钢结构建筑以其占地面积少、综合成本低、施工速度快、质量易保证、绿色环保等诸多优点得到迅速发展，广泛应用于厂房、大型建筑等。传统的钢结构施工方法是：首先在加工厂将钢结构所用钢柱、主梁、平台的各种梁等构件加工完毕，等土建施工完毕后将所有构件运至安装现场，并采用吊装工具进行逐个构件组对安装。但是，传统的钢结构施工方法有以下不足：1.高空作业量大，施工过程耗时长，工作效率低且安全成本高；2.高空作业难度高，框架结构及安装精度均不易控制，安装精度差；3.大型吊装工具等机具使用量大，施工成本高。因此，传统的钢结构施工方法不适用于超大、超高型钢结构的框架安装。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种工作效率高、安装精度好且施工成本低的钢结构模块化施工方法。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种钢结构模块化施工方法，包括以下步骤：

1)对基础进行处理，并将地脚螺栓埋设定位于基础并进行第一次测量，符合安装要求后进行混凝土浇筑，浇筑坚固后再进行第二次测量，符合安装要求后将垫铁安装于所述地脚螺栓；

2)将底座板通过所述垫铁安装于所述地脚螺栓；

3)采取以模块中心线作为构件定位基准线，将构件拼装成为模块化安装单元，其中，所述模块化安装单元中的上下构件通过高强螺栓与圆台抗剪件拼接，所述模块化安装单元中的左右构件通过钢构件连接；

4)以吊装工具上设置临时支撑结构，采用吊装工具将所述模块化安装单元吊装安装于所述底座板，并在垂直度以及水平度找正调整后进行固定安装；

5)对所述模块化安装单元进行整理焊接固定，完成结构模块化施工。

在其中一个实施例中，所述步骤3)具体包括以下工序：制作拼装胎架；构件检查；以模块中心线作为构件定位基准线，将构件拼装成为模块化安装单元，其中，上下构件通过高强螺栓与圆台抗剪件拼接，所述模块化安装单元中的左右构件通过钢构件连接；对位接口处尺寸检查、焊接、加固。

在其中一个实施例中，所述步骤3)中的拼装胎架是由垂直于所述构件并水平放置于地面上的h型钢制作而成。

在其中一个实施例中，所述步骤3)中，还包括采用运用虚拟路径规划技术对所述构件的安装路径进行规划的步骤。

在其中一个实施例中，所述采用运用虚拟路径规划技术对构件的安装路径进行规划的步骤具体包括：确定所述构件初始移动方向；通过比较所述构件初始移动方向和所述模块化安装单元在拆分矢量方向上的投影得到构件平移量；重复上述过程，直到所述构件达到指定位置，则所述构件所经过的路径即为构件的安装路径。

在其中一个实施例中，所述步骤4)还包括：对钢丝绳进行受力计算；选用和校核吊装工具；选用和校核吊装起重运输机械；吊装工具就位安装。

在其中一个实施例中，所述步骤4)中所述吊装工具采用四点吊装法进行吊装。

在其中一个实施例中，所述步骤5)中的采用co2气体保护焊进行焊接固定。

在其中一个实施例中，所述步骤5)中还包括安装平台、梯子和拉杆的步骤。

在其中一个实施例中，所述临时支撑结构为支撑型钢。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明公开的施工方法将大量的高空垂直空间作业转变为地面或低空作业，提高了施工安全保障系数，并降低了施工的难度系数，进而有效降低了施工成本；而且多个施工面可同时进行施工，施工作业面加大了，有效缩短工期，安装方便有效，进而提高了施工效率。此外，该施工方法采用以模块中心线作为构件定位基准线，将构件拼装成为模块化安装单元，将建造误差分散在个方向上，各方向的匹配性能更好。同时，模块建造后在其内部安装设备，能够提高模块对接安装时的准确度，进而有效提高了安装精度。

本发明实施例中的施工方法通过采用四点吊装法，增加了吊装过程中的稳定性，操作简单，快速高效。

本发明实施例中的施工方法能将大量的高空垂直作业转变为地面或低空水平作业，并通过采用co2气体保护焊焊接固定，施工人员操作方便，焊接及安装质量得到有效提高，焊接一次合格率能控制在98％以上。同时能够降低施工质量漏检率，可以实现无质检盲区，检验率达到100％。

本发明实施例中的施工方法通过采用虚拟路径规划技术对层间设备的安装路径进行规划，有效减少设备安装工程的资源消耗。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的钢结构模块化施工方法的施工流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供一种钢结构模块化施工方法，包括以下步骤：

s11：对基础进行处理，并将地脚螺栓埋设定位于基础并进行第一次测量，符合安装要求后进行混凝土浇筑，浇筑坚固后再进行第二次测量，符合安装要求后将垫铁安装于所述地脚螺栓。

在螺栓预埋技术中，最重要的一点是对预埋地脚螺栓的位置的确定，必须保证此位置的准确性，否则进行钢柱安装时则会有较大难度，同时安装的质量也很难保证。因此，在预埋地脚螺栓位置进行施工时，需要对基础轴线和标高基准点进行严格的控制，必要时需要进行两次复测，首先在埋设定位后进行测量，其次在混凝土浇筑遍坚固后进行复测，二次测量都必须保证位移不能超出范围。

设备与基础的连接是指将设备牢固地固定在设备基础上，以免产生位移或倾覆，同时可使设备长期保持必要的安装精度，保证设备的正常运转。模块化钢结构工程中设备与基础的连接方法主要是采用地脚螺栓连接并通过垫铁将设备对正找平，然后将设备固定在甲板或钢结构上。除此之外，也有些设备直接焊接固定在甲板或钢结构上。

本实施例中的地脚螺栓包括并不限于固定地脚螺栓、活动地脚螺栓、胀锚螺栓和粘接地脚螺栓。具体地，活动地脚螺栓，又称长地脚螺栓，是一种可拆卸的地脚螺栓，用于固定工作时有强烈震动或冲击的重型机械设备。这种地脚螺栓比较长，主要有双头螺纹的双头式和一端螺纹一端t字形的t型式。固定地脚螺栓，又称短地脚螺栓，通常与基础浇筑在一起。用来固定没有强烈震动和冲击的设备，其长度一般为100-1000mm，头部做成开叉形，环形，钩形以防止旋转和拔出。胀锚地脚螺栓主要用于钢筋混凝土与设备接触的工况中。粘接地脚螺栓主要适用于强度要求不是很高或者寻常地脚螺栓难以满足要求的情况下。

s12：将底座板通过垫铁安装于所述地脚螺栓。

本实施例中垫铁的主要作用是把设备的重量传递给基础，同时，还可以通过调整垫铁的厚度来实现设备找平。具体地，垫铁的种类包括并不限于平垫铁、斜垫铁、开孔垫铁、开口垫铁、钩头成对斜垫铁、调整垫铁、调整螺钉等。其中，调整垫铁有螺栓调整垫铁和球面调整垫铁两种。螺栓调整垫铁又分两块调整垫铁和三块调整垫铁，两块调整垫铁由垫座、调整螺栓、调整块组成，三块调整垫块相对两块调整垫块结构上增加了升降块。球面调整垫块由垫铁底座、调整锲块、螺栓、螺母、球面垫圈等组成，主要用于精度要求较高的机械设备安装中。斜垫铁分为a型和b型两种，平垫铁为c型，其表面一般不进行精加工，主要应用于机械设备安装过程中的找平、找正。钩头成对斜垫铁中的钩头厚度一般为15mm，高度一般为10mm，一般用于不需要设备地脚螺栓的比较精密的机械设备上。开口垫铁和开孔垫铁，其开孔、开口的大小比地脚螺栓的直径大2-5mm，宽度比地脚螺栓稍宽，长度一般比设备地脚长20-40mm，主要用于设备支座等支撑面积较小的设备上。

s13：采取以模块中心线作为构件定位基准线，将构件拼装成为模块化安装单元，其中，模块化安装单元中的上下构件通过高强螺栓与圆台抗剪件拼接，模块化安装单元中的左右构件通过钢构件连接。

在一个实施例中，现场构件拼装成为模块化安装单元的工艺过程为：制作拼装胎架；构件检查；以模块中心线作为构件定位基准线，将构件拼装成为模块化安装单元，其中，上下构件通过高强螺栓与圆台抗剪件拼接，所述模块化安装单元中的左右构件通过钢构件连接；对位接口处尺寸检查、焊接、加固，完成分段拼装的工序。

可选地，现场构件拼装成模块化安装单元的过程是在一组拼装胎架上完成的。现以大型钢柱现场拼装为例进行说明，拼装胎架由一组垂直于构件并水平放置于地面上的h型钢构成。

在一个实施例中，还包括采用运用虚拟路径规划技术对构件的安装路径进行规划的步骤。

具体地，大型钢结构内大量存在大而长的圆柱、圆锥形及框类设备，且具有较高的空间利用率，钢结构内大型设备的安装通常也需要专用夹具和型架的辅助。设备在实际安装过程中由于装配空间预留不够、装配顺序不同或装配工具准备不当等原因而可能出现无法安装的情况，设备的特殊性和安装过程的复杂性决定了钢结构内大型设备的安装必须采用不同于一般设备安装的工艺方案。虚拟路径规划是虚拟装配的关键技术之一，它在装配建模和装配序列规划的基础上，充分利用装配信息进行路径分析和求解，判断并生成一条合理的装配路径，从而可达到优化设计的效果。虚拟路径规划技术的具体操作步骤为：

(1)设备初始移动方向

为了确定设备的移动路径，必须确定设备初始的移动方向。这里为了降低算法的运算量、采用如下方法确定设备初始移动方向：首先，提取几何约束方向并对方向进行列表，并取表中第一方向为w主方向，其次，取表中第二方向对w进行投影分解，取垂直于w主方向的投影方向为u方向，然后，取w、u的向量积为v方向，然后依次取其它方向对u、v和w进行投影，最后，判断沿+w、+u、+v、-w、-u、-v方向上是否有约束，若无则确定其为设备移动方向。

这种方法可能得到多个移动方向，需要在后续步骤进一步确定或者在最终的可行路径中进行优化以得到设备最佳移动路径。

(2)设备平移量

通过比较构件初始移动方向和模块化安装单元在拆分矢量方向上的投影得到构件平移量。对于一单位设备移动方向，设矢量坐标集{f1、f2、....、fn}代表所需移动的构件的顶点，{s1、s2、....、sn}代表模块化安装单元的顶点。

令smax＝max{(u×si)li＝1,2，…，m}

fmin＝min{(u×fi)li＝1,2，…，n}

可得，设备移动的平移量m＝(smax-fmin)。

重复上述过程，直到设备达到指定位置，则设备所经过的路径即为设备安装的移动路径。当然，由于构件及模块化安装单元(设备)之间的空间范围并不确定，获得的设备安装路径或设备移动方向存在多种途径，这就需要在总和考虑设备移动的具体环境进行最优方案选择。

s14：以吊装工具上设置临时支撑结构，采用吊装工具将所述模块化安装单元吊装安装于所述底座板，并在垂直度以及水平度找正调整后进行固定安装。

其中，对于几何形状和刚度双向对称的模块化安装单元，其吊装点设置在模块化安装单元的楼面钢梁上；对于几何形状和刚度均不对称的模块化安装单元，为减小吊装过程中模块化安装单元的变形量，吊装时可根据变形情况增加临时加固设施。可选地，所述吊装工具采用四点吊装法。

具体地，大型设备的起重运输是一项技术性强、危险度大的特殊工种作业，需要多工种人员的相互配合、互相协调。吊装前必须对作业现场的环境，重型设备吊运线路及吊运指定位置及起重物重量、重心、降落点及吊装点是否平衡等方面进行分析计算，制定最优的起重方案，达到设备安全就位的目的。模块化钢结构由于设备众多，单台设备体型大，质量重，安装空间狭小等特点，需要编制专门的吊装方案。施工前期先按照钢结构分段点地面拼装重量选定大型吊装机械，吊装前在根据实际现场拼装重量进行吊装核算，确定是否满足吊装条件，吊装后检查拼接点焊接是否满足松钩条件。

(1)吊装用具要求

所有吊索必须具有检验合格证。吊装前起重作业者应检查索具，不得有破损、断股、断丝等情况。

(2)吊装场地要求

吊车行走路线的场地应该足够平坦，并将现场及车道上障碍物清除干净，保证履带吊车等在行进路线上平稳作业。行车通道上不能横跨电缆沟及其他危险区域；施工前，应将对吊装产生影响的脚手架或结构件拆除，必须保证设备从吊起到预定安装位置，路线上不能有任何遮挡物妨碍视线或者影响作业。

(3)吊装气象要求

吊装时应选择平静的天气，风、雨、雪等天气都将影响到吊装工作的精度甚至导致吊装工作难以进行。通常的，吊装工作期间风力不得大于六级(10.8m/s)。

(4)吊装其他要求

吊装设备的设备安装图、设备组装图、设备安装手册等技术资料齐全无误并是最新版；在进行吊装作业时，吊车的旋转半径范围内不能有任何障碍物；通常的，吊装作业区必须进行隔离以保证吊装机具旋转臂等大跨度物件的正常运行；另外，吊装工作要安排在白天进行。在安装和运输期间，所有法兰面都必须覆盖并避免与钢结构直接接触；大型设备在调离地面或垫墩300mm左右时应停顿1分钟左右，带吊装技术人员确认吊索、卡环及吊机状态无异常后方可继续吊装作业。

除此之外，对于特大型设备，应提前在运输车上放置一些枕木，枕木的摆放范围由设备尺寸与运输车尺寸决定；然后根据现场及机具情况，选用吊车将设备吊装至运输车上。技术人员检查并确认带吊装设备及其附件完好无损后，选用吊车将设备吊装至平板运输车上用绳固定牢固，并应行车平稳，尽量减少震动。根据设备在模块中的位置确立行车路线。

大型设备吊装受力分析及核算包括两大部分，一是吊装机具、索具；二是被吊设备本身。通过吊装受力分析图解或数解，确定各部最大受力值，从而选择吊装用机具、索具。同时，根据最不利的工况，对主要机具(一般指桅杆)进行强度和稳定性校核，必要情况下，也可对设备进行整体稳定和局部稳定核算。

(1)钢丝绳的受力计算

钢丝绳广泛应用于各种起重设备，在吊装作业中，钢丝绳还用作纤缆(缆风绳)、套索(千斤绳)及拉绳等。根据起重吊装工作的实际需要，吊装一般选用如下几种钢丝绳：6x19钢丝绳——用作缆风绳及拉索，即绳子用于不受弯曲或可能遭到磨损的地方；6x37钢丝绳——用于滑车组中，即绳子承受弯曲时采用，作为穿绕滑车组起重绳等；6x61钢丝绳——用于滑车组和制作吊索(千斤绳)及绑扎吊起构件等。此外主要用于重型起重机械。

(2)吊装工具选用与校核

卡环的选用与校核:卡环主要用于吊索与吊索或吊索与构件之间的连接，由弯环与销子两部分组成。

(3)吊装起重运输机械的选用与校核

吊装起重运输机械的选择应综合考虑以下因素：吊车性能数据，如额定起重量、吊车起重性能、吊车外型尺寸、吊臂长度、作业半径、配重等；设备技术数据，如设备结构尺寸、主体材质、设备吊装重量、设备整体稳定型、吊耳结构及位置等；吊装环境，如设备平面安装位置及设备起吊前的平面位置、设备安装标高、吊车站位处空间、地下设施(地下管网、埋地电缆等)及地耐力、吊车安装配重所需的空间等；安全技术要求，如与吊装工艺有关的要求、与设备结构有关的要求、与吊车性能有关的要求、与施工现场有关的特殊要求等；吊车实际起吊能力按照吊车手册中起吊能力表中理论值减去钩头(包括钩头以上的索具)重量来考虑。选用吊具时，实际吊重需要包含1.05倍的保险系数以及1.1倍的动态放大系数。吊机在工作半径内须满足最大负荷利用率，在工作半径内不需重新计算，但建议操作半径在工作半径的三分之二以内。

(4)设备的就位安装

平板车吊车就位后，根据设备的安装要求进行吊姿调整。完毕后，旋转吊车主臂，将设备调整到预定安装位置上方，同时可使用手拉葫芦等设备辅助精确定位，将设备下放，下方过程中必须平稳；就位后，按设备安装图连接固定；如现场脚手架超过此高度，影响设备吊装，可拆除超高部分的脚手架；安装完毕后，应检查并调整设备的水平度与垂直度，以待下一批次的安装。设备安装完成后，安装检查孔，切掉吊耳，然后安装其他附件。

此外，大型起重运输设备将设备吊装到位后需要腾出施工空间或者进行下一次的设备吊运，设备吊装初步就位前需要设置设备临时支撑结构以保证设备满足调整要求及防止钢结构意外变形，实现正常安装。大型钢结构工程中的临时支撑结构具有支撑受力作用大、支撑高度高等特点，是钢结构工程中的重要施工设施。常规临时支撑结构利用塔吊起重机的塔身标准件作为支撑构件，搭设速度快，具有通用性，重复利用效率高，可实现提升和支撑功能，已在大型钢结构工程中得到应用。除此之外，可根据设备安装得需要设置各种临时支撑结构。建造完成后，临时支撑要移除并打磨光滑，移除时不能损伤母材，在临时支撑位置需进行磁粉和渗透检验。

大型钢结构体型各异，其设备安装时的临时支撑架也是种类繁多，该临时支撑结构包含并不限于临时拉索、斜撑、支柱或其他配合结构。具体地，按照临时支撑的结构又可分为承重支撑架，支撑型钢，支撑板以及千斤顶支撑等。根据临时支撑所设置的位置，临时支撑又可分为压杆支撑(包括支撑型钢等)，梁支撑及框架支撑(包括甲板片支撑等)。

s15：对所述模块化安装单元进行整理焊接固定，完成结构模块化施工。

焊接的主要影响因素有焊接参数、焊丝的种类和焊接电弧电压与电流的选择。其中，焊接电流要根据工件的厚度、施焊位置和焊丝直径来选择，电弧电压的选择要与电流配合；不同位置选择不同的焊接方式。可选地，该焊接工艺采用co2气体保护焊。

具体地，为保证焊接质量，精确预测焊接变形，从而解决钢结构制作安装结构安全性的难点，本工艺采用以下方法：1)采取合理加固措施阻挠焊接时的焊接应力，减小焊接收缩量，将其控制在允许范围内；2)制定合理的焊接工艺，尽量避免焊接局部或某一点，焊接时应对称均匀分布，先主体后分部，优选对称焊，控制焊接电流宜小不大，快速完成；3)控制构件组对间隙减小焊缝收缩量；4)采取热矫正和冷矫正处理变形构件，采用火焰加热进行矫正，也可采用机械矫正均可达到矫正的目的。

在其中一个实施例中，所述步骤s15中还包括安装平台、梯子和拉杆的步骤。通过安装平台、梯子和拉杆，便于后续的使用及维修检测。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明实施中的施工方法将大量的高空垂直空间作业任务转变为地面或低空作业，提高了施工安全保障系数将，并降低了施工的难度系数，有效降低了施工成本；而且多个施工面可同时进行施工，施工作业面加大了，并且简化施工，缩短工期，安装方便有效，进而提高了施工效率。此外，该施工方法采用以模块中心线作为构件定位基准线，将构件拼装成为模块化安装单元，能够更好对正找平，建造误差分散在个方向上，各方向的匹配性能更好。同时，模块建造后在其内部安装设备，能够减少工作环节，并能够有效提高设备在模块对接时的准确度，进而有效提高了安装精度。

本发明实施例中的施工方法通过采用四点吊装法，增加了吊装过程中的稳定性，操作简单，快速高效。

本发明实施例中的施工方法能将大量的高空垂直作业转变为地面或低空水平作业，并通过采用co2气体保护焊焊接固定，施工人员操作方便，焊接及安装质量得到有效提高，焊接一次合格率能控制在98％以上。同时能够降低了施工质量漏检率，可以实现无质检盲区，检验率达到100％。

本发明实施例中的施工方法通过采用虚拟路径规划技术对层间设备的安装路径进行规划，有效减少设备安装工程的资源消耗。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。