超高层建筑施工模块化低位顶升钢平台模架加工制作工艺设计与应用

[摘要]超高层建筑核心筒施工采用模块化低位顶升钢平台模架体系施工技术，其中钢平台系统采用装配式空间钢桁架平台。钢桁架平台采用主次桁架受力体系，主、次桁架均由满足模数的标准单元和非标准单元拼装而成。各单元之间均采用可拆卸连接，并能自由拼装，这就要求同型号的标准单元要满足互换性要求。本文阐述了根据主、次桁架结构特点和技术要求，设计了针对标准单元的“积木式”加工制作工艺及工艺装备，保证了产品质量及互换性要求；并且提高了生产效率、降低了生产成本，取得了很好的技术经济效果。

[关键词]高层建筑；模架；积木式；；工装；模块化

中图分类号：TU208文献标识码： A

0 引言

超高层建筑已成为现代经济社会发展的标识，随着我国社会经济的飞速发展，超高层建筑在我国各个地区拔地而起。超高层建筑核心筒施工是整个工程施工的关键所在，顶模施工工艺是超高层核心筒施工的主要施工工艺之一。模块化顶模是对模架结构进行创新改造的结果，实现了顶模模块化、标准化。

模块化顶模由支撑系统、钢平台系统、液压系统等多个系统组成，其中钢平台系统采用装配式空间钢桁架平台。钢桁架平台采用主次桁架受力体系，主、次桁架均由满足模数的标准单元和非标准单元拼装而成。各单元之间均采用可拆卸连接，这就要求同型号的标准单元要满足互换性要求。超高层建筑质量关键是核心筒施工质量，核心筒施工质量关键是顶模系统质量，顶模系统质量关键是模块单元的质量，故模块单元的质量是关系到整个工程质量的重要因素。因此，钢桁架平台主、次桁架单元的质量是保证模块化顶模系统质量的关键。本文就如何根据主、次桁架结构特点和技术要求，设计模块化加工的制作工艺及工艺装备，保证产品质量及互换性要求进行了阐述。

1 钢桁架平台结构分析

1.1 钢桁架平台组成

钢桁架平台由主、次桁架及撑杆等组成，结构类似于主次梁结构。主桁架由H型钢（弦杆）、钢管（腹杆）、双角钢（斜腹杆）、阴阳头及耳板等组成，如图1所示。次桁架由槽钢（弦杆）、槽钢（腹杆）及阴阳头等组成，如图2所示。主、次桁架均有2倍模数和3倍模数结构形式，本文仅就2倍模数结构进行举例说明。

图1.主桁架标准单元图2.次桁架标准单元

1.2 钢桁架平台装配

钢桁架平台由井字主桁架、十字主桁架、标准模数主桁架和标准模数次桁架等装配组成。主桁架间弦杆翼腹板用连接板连接并用高强螺栓紧固，腹杆耳板间用连接板连接并用快卸销轴固定，如图3所示。主桁架耳板孔与销轴为间隙配合，最大间隙Xmax=1.1mm，最小间隙Xmin=1mm，配合间隙公差为0.1mm，如图4所示。次桁架之间以及主桁架和次桁架之间均用阴阳头配合连接并用销轴固定，如图5所示。主、次桁架阴阳头装配面为间隙配合，最大间隙Xmax=2.4mm，最小间隙Xmin=1.8mm，配合间隙公差为0.6mm；阴阳头孔与销轴为间隙配合，最大间隙Xmax=1.6mm，最小间隙Xmin=1.3mm，配合间隙公差为0.3mm，如图6所示。

图3.主桁架装配形式示意图4.主桁架耳板与销轴装配尺寸

图5.次桁架装配形式示意 图6.阴阳头及销轴装配尺寸

2.钢桁架加工工艺规程设计

2.1工艺规程设计依据

钢桁架是基于模块化的装配式空间钢桁架，其主次桁架均由标准单元和非标准单元组成。标准桁架的加工制造要达到互换性要求，故要求构件的加工制造精度高。由于阴阳头装配面的配合间隙公差为0.6mm，且阴头组件又有同轴度要求，故传统的划线装配很难保证尺寸精度要求及位置精度要求。为了保证标准单元的制造精度及互换性，必须打破传统划线装配工艺，创新性的设计一套新的加工工艺。经过对标准单元的结构特点和技术要求进行结构工艺性分析，设计出了一套“积木式”的加工工艺规程。

2.2工艺规程设计

钢桁架标准单元设计采用“积木式”的加工工艺规程，即首先将组成部件的各个零件按照图纸加工成合格的产品，然后按照桁架结构类型将零件组装成相应的小部件，最后将小部件组装成标准单元构件。此工艺规程工序划分更加细化，针对性强，工序作业标准化，产品质量的可控性更高，能够有效的提高生产效率，保证产品质量。“积木式”加工工艺能够保证产品尺寸精度及位置精度要求的关键是要设计一套结构合理、操作简便、精度高的工艺装备。

3.工艺装备设计

3.1主桁架弦杆部件组装工装

主桁架弦杆部件组装主要是阴阳头组装，是部件组装的关键工序，工装设计关键是保证阴阳头尺寸及位置精度。主桁架弦杆H型钢采用数控三维钻加工，其翼腹板螺栓孔加工精度非常高，故可用H型钢翼板两端螺栓孔作为定位基准。用25mm厚钢板平台作为基准平面，钢板平台上钻两定位孔（与基准定位销配合），作为H型钢的定位基准。设计定位板保证阴阳头组装的尺寸及位置精度，定位板的加工制造精度是整个工装精度的关键。

采用阶梯销轴形式作为基准定位销，可实现定位销的拆卸，粗端直径比H型钢螺栓孔小0.5mm，细端直径比粗端直径小2mm。阴阳头组装采用定位板、销轴和轴套组合定位，保证阴阳头装配面及装配孔的尺寸、位置精度。定位板采用机械加工制作，定位孔采用车床加工，底面及组装基准面采用铣床加工，保证阴阳头组装精度。组装定位销轴采用阶梯轴形式，实现销轴可拆卸，粗端端（与阴阳头孔配合）直径选用50（-0.2 -0.3）mm，细端直径与定位板孔配合间隙为0.4mm。组装定位销轴与阴阳头孔位间隙配合，最大配合间隙Xmax=0.5mm，最小配合间隙Xmin=0.2mm，配合间隙公差为0.3mm，满足阴阳头与销轴配合精度要求。阴阳头装配面与定位板、轴套间为顶紧配合，阴头轴套尺寸为80mm，阳头轴套尺寸为31mm（阴头厚度30mm），保证阴阳头中心线重合及配合间隙精度要求。

主桁架弦杆部件组装工装设计以基准定位销和定位板为固定基准，组装定位销和轴套为活动定位组件，组合定位保证组装部件的尺寸及位置精度要求。主桁架弦杆部件组装工装如图7所示，部件组装示意如图8所示。

图7.主桁架弦杆部件组装工装示意图 图8.主桁架弦杆部件组装示意图

3.2主桁架标准单元整体组装工装

主桁架标准单元整体组装是将弦杆部件及其他零件组装成整体的关键工序。整体组装工装设计要保证主桁架两H型钢弦杆的相对位置尺寸及两端耳板连接孔的位置尺寸。主桁架弦杆H型钢腹板两端螺栓孔作为定位基准。用25mm厚钢板平台作为基准平面，H型钢作为工装基准面，在工装两侧H型钢上按照主桁架标准单元弦杆腹板螺栓孔和耳板连接孔位置尺寸放样钻孔作为基准定位孔，保证各连接节点尺寸和位置精度。

主桁架弦杆H型钢采用支撑销轴与基准定位销轴配合定位。支撑销轴细端与工装H型钢定位孔配合，配合间隙小于0.2mm，粗端上部钻中心孔，与基准定位销配合，起到基准传递的作用。支撑销轴粗端长度与基准平面到弦杆H型钢腹板下表面的距离相等或略小。基准定位销轴细端与支撑销轴粗端定位孔配合，配合间隙小于0.2mm，粗端与弦杆H型钢腹板螺栓孔配合，配合间隙小于0.2mm。耳板定位原理与弦杆H型钢定位原理类似，支撑销轴粗端长度与基准平面到耳板下表面的距离相等，保证耳板中心线的位置精度。工装中间的H型钢上设计了一小平台，平台高度与基准平面到标准单元中间的斜腹杆节点板下表面距离相等，保证节点板的中心线位置精度。主桁架标准单元整体组装工装如图9所示，标准单元整体组装示意如图10所示。支撑销轴与基准销轴、定位销轴组合工作原理示意如图11所示，总装工作效果示意如图12所示。

图9.主桁架标准单元整体组装工装示意图图10.主桁架标准单元整体组装示意图

图11.支撑销轴与定位销轴工作原理示意图图12.支撑销轴与定位销轴工作效果示意图

3.3次桁架部件组装

次桁架部件组装是将阴阳头与槽钢进行组装，是阴阳头定位组装的关键工序，工装设计关键是保证阴阳头的尺寸及位置精度。次桁架部件组装工装采用基准销轴、定位板 、组装销轴、轴套等组合定位，保证部件组装质量。次桁架弦杆槽钢一端销轴孔作为部件组装的定位基准。用H型钢作为基准平面，并在H型钢翼板上钻孔作为定位基准。设计定位板保证阴阳头组装的尺寸及位置精度，定位板的加工制造精度是整个工装精度的关键。

定位板既要考虑阴阳头的定位问题，又要考虑到槽钢的装卸问题，故定位板设计成异形U型。U型的短侧端部设计圆角，保证槽钢可以倾斜角度旋转进出工装。基准定位销采用阶梯销轴式，细端与H型钢定位基准孔间隙配合，配合间隙小于0.2mm，粗端直径选用50（-0.2 -0.3）mm，与槽钢阴头配合，最大间隙Xmax=0.5mm，最小间隙Xmin=0.2mm，配合间隙公差为0.3mm，满足设计要求，能够保证组装精度。轴套设计规格与主桁架部件组装工装相同。次桁架部件组装工装可通过不同的轴套组合，分别组装带阳头槽钢弦杆和带阴头槽钢弦杆。次桁架部件组装工装示意如图13所示，次桁架部件组装示意如图14所示。

图13.次桁架部件组装工装示意图 图14.次桁架部件组装示意图

3.4次桁架标准单元整体组装

次桁架标准单元整体组装是将弦杆部件、腹杆、阳头及其它零件组装成整体的关键工序。整体组装工装设计要保证次桁架标准单元端部阴阳头装配销轴孔尺寸精度及阴阳头装配面尺寸精度。次桁架弦杆槽钢销轴孔作为定位基准。用25mm厚钢板平台作为基准平面，H型钢作为工装基准面，在工装两侧H型钢上按照次桁架标准单元弦杆阴阳头销轴孔位置尺寸放样钻孔作为基准定位孔，保证各连接节点尺寸和位置精度。

次桁架弦杆槽钢采用阶梯销轴定位，销轴直径同次桁架部件组装工装定位销轴。次桁架标准单元阴头组装采用销轴和轴套组合，保证阴头装配面尺寸。工装中间H型钢设置两限位挡板，控制次桁架中间结构尺寸。次桁架整体组装工装示意如图15所示，次桁架整体组装示意如图16所示。

图15.次桁架总装工装示意图图16.次桁架总装示意图

4.“积木式”加工工艺质量控制

4.1 零件加工质量控制

采用“积木式”加工工艺，要求零件加工规范化、标准化，保证每件产品都合格，并具有互换性。零件质量关系到最终的产品质量，所以零件质量控制要做到首检、中间检和终检，自检、互检和专检，确保零件产品质量。

4.2部件加工质量控制

部件加工是以零件为基础，依靠工装获得产品质量。工装制备质量直接关系到产品质量，故在工装使用前应仔细检查工装制备是否符合图纸设计要求，符合图纸要求才能使用。部件组装要对零件进行检验，不合格零件不能使用。部件加工时也要做到随时检验，发现问题及时处理。

4.3整体组装质量控制

整体组装是以零部件为基础，也依靠工装获得产品质量。工装使用前应仔细检查工艺装备是否符合图纸设计要求，符合要求才能使用。组装前应对零部件进行检查，合格方可使用。整体组装过程中应及时检查产品质量，发现问题及时对工艺装备进行修正。

4.4装配质量控制

对于大型桁架结构，预拼装是检验产品质量的有效方法。产品加工完毕后，进行预拼装，检验产品质量，并验证产品互换性。对发现的问题及时查找原因，采取科学合理的方法处理。

5．结语

针对模块化低位顶升钢桁架平台模架标准单元设计的“积木式”制作工艺及工艺装备，以标准化、规范化的工艺流程，结构合理、操作简便、精度达标的工艺装备，不仅保证了产品质量及互换性要求，而且大大提高了生产效率，降低了生产成本，取得了良好的技术经济效果。

参考文献：

[1]刘晓升、吴延宏、王开强、黄爽、刘志茂.模块化低位顶升钢平台模架体系在超高层建设施工中的应用管理.施工技术.2012.8

[2]王开强、郭耀杰、吴延宏、黄爽、刘晓升、刘志茂.模块化低位顶升钢平台模架体系装配式空间钢桁架平台设计与试验研究.施工技术.2012.8

[3]机械设计手册.第1卷/成大先主编.-5版-北京：化学工业出版社，2007.11

[4]机械制造工艺及设备设计指导手册.李云主编.第一版.北京：机械工业出版社，1997.8