技术前沿

作者：周建龙、李立树、江晓峰等　　 出处：《建筑结构》，2021，51 (09)　　 主题：核心筒偏置、巨柱框架、伸臂桁架、弹塑性分析 深圳恒大中心塔楼结构总高度 393.9m，整体采用增设多道加强层的钢管混凝土巨柱框架 - 钢筋混凝土核心筒混合抗侧体系。本工程存在多项差异化设计难点：场地地质条件复杂，基础底板需穿越岩体碎裂带，建筑北侧紧邻地铁线路；平面核心筒采用偏心布置方案，塔楼中、高区段筒体向北侧逐层内收，造成南侧形成大跨度无柱办公楼面；外立面造型要求外围巨柱沿高度向内收缩，中低楼层区段形成倾斜巨柱受力构件。设计团队采用 “多环带桁架、单道伸臂桁架” 的加强层布置策略，利用全部避难层、设备层布设环带桁架并同步承担竖向转换功能，仅于塔楼中部设置单层伸臂桁架协调内外结构协同受力。研究依托 YJK、ETABS 两套软件完成多遇地震、风荷载工况下整体弹性计算，借助 ABAQUS 开展罕遇地震动力弹塑性时程分析；针对核心筒偏置扭转、斜巨柱应力集中、大跨度楼盖振动、地基与地铁相互影响等专项问题开展补充验算，对筒体墙体、巨柱、桁架节点等关键受力构件实施构造加强处理。全套计算结果显示，结构层间变形、扭转位移比、构件承载力、弹塑性损伤演化等全部指标均满足现行超限高层建筑规范标准，预设分级抗震性能目标全部达成，整套结构方案安全储备充足，同时兼顾施工效率与项目综合造价优势，可为同类偏心核心筒、带斜巨柱的超高层综合体提供成套设计参考。一、工程概况与核心设计难点项目坐落于深圳湾超级总部基地，地上 75 层、地下 6 层，集甲级办公、配套商业、会展功能于一体，基坑开挖深度 42.35m，属于国内民用建筑超深基坑工程，场地分布厚层淤泥、填石层，基础施工需穿越破碎岩层，且北侧地下区间距离建筑基础极近，基础变形、振动控制要求严苛。建筑外立面采用竖向收分双曲面造型，为实现南侧无遮挡观景空间，核心筒未居于平面几何中心，形成显著偏心布局，且塔楼中区、高区筒体墙体持续向北收进，南侧产生大跨度楼板，极易加剧整体扭转效应；外围竖向承重巨柱随外立面轮廓向内倾斜，中低区斜柱存在拉压复合受力、局部应力集中问题。结合业主快速施工需求，项目放弃多道伸臂桁架传统方案，采用以环带桁架为主、单道伸臂为辅的加强层体系，如何依靠有限加强构件抵消核心筒偏心带来的扭转、控制层间变形，是本次超限设计核心难点。综合梳理工程核心矛盾：偏置 + 竖向收进核心筒，结构扭转效应突出，需平衡刚度分配抑制扭转；中低区段倾斜钢管混凝土巨柱，复合应力复杂，节点与柱身延性设计难度大；南侧超长跨度楼面，需同时满足竖向承载力、人员振动舒适度双重指标；超深基坑临近地铁，基础沉降、水平位移限值严格；高度近 400m 长周期超高层，风振、长周期地震动响应显著，需分级把控弹性、弹塑性阶段结构性能。二、整体结构体系总体布置（一）钢管混凝土巨柱外框架体系塔楼外围设置多根矩形异形截面钢管混凝土（CFT）巨柱，依托钢管对内部混凝土形成套箍约束，大幅提升竖向承压、抗弯延性，相较型钢混凝土柱具备现场施工速度快、支模工序简化的优势。巨柱沿建筑高度分阶段内收，6 层以下为竖直巨柱，中低区逐步倾斜形成斜柱，倾斜角度区间 86°~90°；随楼层升高减少巨柱数量，优化外立面形态同时控制整体用钢量。全部避难层设置环带桁架，共 7 道单层环带桁架均匀分布竖向，将分散独立巨柱连成闭合空间外环，一方面均衡分配楼层水平剪力、削弱偏心核心筒引发的扭转，另一方面承担竖向转换荷载，实现 “一桁架两用”，减少额外转换构件造价。（二）偏心钢筋混凝土核心筒核心筒整体平面方形，全程采用高强混凝土浇筑，低区墙体加厚、高区逐层减薄。筒体整体向北偏移形成偏心布局，中区、高区筒体四角墙体持续收进，南侧楼板最大跨度显著增大。针对偏心带来的扭转缺陷，采取多重补偿措施：筒体角部增设内置型钢暗柱提升延性；加厚筒体与桁架连接区域墙体配筋；依托环带桁架提升外框整体刚度，分担筒体承担的倾覆力矩；南侧大跨度楼面采用钢桁架楼盖，减轻自重同时提升楼面刚度，规避共振与振动超标问题。（三）加强层桁架系统（多环带 + 单伸臂优化方案）设计摒弃传统多层伸臂桁架模式，仅在中部第四避难层设置一道单层伸臂桁架，桁架两端分别锚固于核心筒墙体与外侧巨柱，传递整体倾覆力矩，协调内外框架协同抗侧；竖向其余 7 处避难层全部布设环带桁架，作为抗扭、转换主力构件。方案优势：大幅减少伸臂桁架施工工序，降低设备层层高占用，缩短现场钢结构安装工期；多道环带桁架均匀分布竖向，持续约束巨柱侧移，弥补单道伸臂桁架刚度短板，完美适配本工程核心筒偏心的受力特征。同时对伸臂桁架与筒体连接节点开展局部精细化有限元校核，避免墙体局部压溃、应力集中。三、地基基础专项设计场地地质层次复杂，表层分布软弱淤泥与填石层，下部存在碎裂岩层，同时北侧紧邻地铁隧道，基础设计两大控制目标：控制基础总沉降与差异沉降、隔绝建筑振动对地铁线路的影响。基础采用大直径超长钻孔灌注桩，单桩最大孔深达 82m，桩端嵌入完整基岩；超厚筏板基础搭配多道后浇带，抵消混凝土收缩温度应力；基础与地铁区间之间设置隔离防护构造，严格限制基坑开挖、建筑使用阶段土体变形量，同步完成基础与上部结构整体协同计算，验算竖向荷载、地震作用下基础内力分布。四、分阶段结构计算分析方案（一）多遇地震、风荷载弹性整体分析采用 YJK、ETABS 两款专业软件建立三维整体模型，互相校核计算结果；荷载涵盖 50 年重现期基本风压、多遇地震反应谱、竖向恒活荷载、混凝土收缩徐变、温度应力等；针对长周期超高层修正反应谱长周期段参数，精准计算长周期地震基底剪力。输出层间位移角、扭转位移比、楼层剪力、倾覆力矩、巨柱与筒体内力、楼板应力等指标，优化环带桁架、伸臂桁架截面尺寸，调整巨柱含钢率、核心筒墙体厚度，确保弹性阶段结构整体保持完全弹性，无构件进入塑性状态。（二）罕遇地震动力弹塑性时程分析采用 ABAQUS 非线性有限元软件开展弹塑性时程验算，选取多条天然地震波输入模型，完整模拟罕遇地震下构件塑性发展全过程；分别定义钢材、混凝土损伤塑性本构，精准捕捉斜巨柱、筒体墙体、桁架腹杆塑性铰出现顺序与损伤程度。弹塑性分析核心结论：罕遇地震作用下，塑性损伤优先集中于次要桁架腹杆、大跨度楼面次梁；钢管混凝土巨柱、核心筒底部墙体、伸臂桁架主弦杆等关键竖向承重构件始终维持弹性状态，满足 “大震不倒” 性能底线；核心筒偏心引发的扭转变形处于规范允许范围，环带桁架有效限制扭转进一步扩大。（三）多项专项补充验算倾斜巨柱局部应力专项分析：校核斜柱拉压弯剪复合受力，优化钢管壁厚、内部加劲肋布置；核心筒 - 伸臂桁架节点局部应力分析：防止节点区域混凝土局部承压破坏；南侧大跨度楼面舒适度验算：控制人行激励下楼盖峰值加速度，满足办公使用舒适度；基础与地铁相互影响专项验算：评估基坑开挖、建筑长期荷载对隧道变形的影响。五、关键构件优化加强措施偏心核心筒加强：筒体收进角部设置型钢暗柱，桁架连接区域墙体增设双排配筋与局部加厚钢板，提升墙体抗剪、抗弯承载力；倾斜钢管混凝土巨柱优化：加大斜柱区段钢管壁厚，内部增设横向加劲隔板，提升钢管对混凝土套箍约束效果，避免钢管局部屈曲；桁架节点构造：伸臂、环带桁架与巨柱、筒体连接位置增设加厚连接板、加劲肋，采用全熔透焊接，关键节点做探伤检测；大跨度楼面体系：南侧超长楼板采用主次钢桁架组合楼盖，减小楼板厚度，降低自重，抑制竖向振动。六、论文核心研究结论与工程应用价值393.9m 深圳恒大中心采用钢管混凝土巨柱框架 - 偏心钢筋混凝土核心筒 + 多道环带桁架 + 单道中部伸臂桁架复合体系，可有效抵消核心筒偏置带来的扭转效应，兼顾结构刚度、施工速度与造价平衡；“多环带、少伸臂” 的加强层布置策略，适合核心筒偏心、追求快速施工的超高层项目，环带桁架兼具抗扭与竖向转换双重功能，可大幅减少伸臂桁架工程量；中低区倾斜钢管混凝土巨柱搭配加厚钢管、内部加劲构造，可解决斜柱复合应力集中问题，保障竖向承重构件延性与安全储备；通过弹性双软件校核 + 罕遇地震弹塑性时程分析 + 多专项局部验算的完整流程，可全面把控偏心筒体超高层的整体变形、构件损伤、基础变形风险，本工程全部计算指标均达到超限建筑规范要求，分级抗震性能目标全部实现；文中针对偏心核心筒、斜巨柱、临近地铁超深基坑的全套设计优化方法、刚度补偿措施，可为国内同类造型收分、筒体偏心布置的超高层总部综合体提供标准化设计思路与验算参考。

作者：钱稼茹，纪晓东　　 出处：《地震工程与工程振动》，2022，42 (02) 　　主题：消能减震、滞回性能、结构控制、工程应用 期刊官方阅览入口：https://dzgc.paperonce.org/传统中心钢支撑在地震往复荷载作用下受压易发生整体屈曲，滞回曲线捏缩严重、耗能能力薄弱，难以满足钢结构建筑消能减震的高标准需求。屈曲约束支撑（BRB）依靠外部约束构件限制内核钢板屈曲，拉压往复受力下均可稳定进入塑性屈服状态，具备饱满滞回耗能特性，是钢结构体系主流金属消能减震构件。本文系统梳理屈曲约束支撑的内部构造、受力耗能机理、低周往复荷载下滞回性能演化规律；依托多组足尺构件试验与多层钢框架整体数值模拟，分析支撑布置形式、约束比、内核钢材截面、楼层布设方案对钢框架整体抗震控制效果的影响；对比普通钢支撑、防屈曲支撑两类框架在层间变形、基底剪力、构件损伤分布、等效附加阻尼比等指标上的差异；归纳 BRB 用于钢结构厂房、装配式住宅、高层公共建筑的成套设计流程、节点连接构造与工程落地要点；同时指出当前行业在支撑端部疲劳破坏、多层刚度不均、震后检测更换、造价管控等方面现存技术短板，给出针对性优化措施。研究成果完善钢结构消能减震设计理论，可为各类钢结构建筑采用屈曲约束支撑开展减震控制设计提供完整试验依据与工程实操规范。一、研究背景与研究意义钢框架常规十字交叉、单斜中心支撑造价低廉、施工便捷，但抗震缺陷突出：地震受压阶段支撑极易发生整体失稳屈曲，承载力快速下降，滞回环收窄，无法持续消耗地震输入能量，还会造成楼层刚度突变、局部变形集中，大幅提升梁柱主体构件塑性损伤风险。屈曲约束支撑通过外围套管、砂浆填充层对核心耗能钢板形成侧向约束，从根本上解决受压屈曲难题，加载、卸载全过程均可稳定屈服耗能，能为结构提供可观附加阻尼，实现 “支撑先耗能、主体框架保持弹性” 的分级抗震目标，契合韧性建筑设计思路。国内已有大量构件层面试验，但缺少系统整合构件力学特性、整体框架控制效果、全场景工程应用的整合研究，不同业态钢结构选用、布置、验算缺少统一指导逻辑。基于该行业缺口，本文结合试验与数值模拟双重手段，完整剖析 BRB 减震控制机理，梳理标准化设计与施工技术体系。二、屈曲约束支撑构造与滞回耗能核心机理（一）标准构件分层构造主流 BRB 分为三层核心组成：内核耗能钢板：低屈服点钢材制成，承担全部拉压塑性变形，是耗能核心；无粘结隔离层：涂抹润滑材料，消除内核与外部约束层摩擦粘结，保障内核自由伸缩变形；外部约束单元：钢管 + 填充砂浆 / 混凝土，提供侧向约束刚度，限制内核钢板发生整体屈曲与局部鼓曲。（二）往复荷载下受力与滞回特性普通钢支撑受压失稳，滞回曲线存在明显捏缩段，循环耗能持续衰减；屈曲约束支撑无论受拉、受压均可进入塑性屈服，滞回曲线饱满对称，循环加载过程承载力衰减平缓、疲劳性能优良；加载时内核钢材塑性变形耗散地震能量，提升结构等效阻尼比，降低地震作用下楼层剪力与侧移；卸载后支撑可恢复大部分变形，大幅减轻主体钢框架残余损伤。文章明确关键设计参数约束比临界阈值：外部约束刚度需达到内核钢板临界屈曲荷载的指定倍数，约束不足仍会出现局部屈曲失效，约束过大会无谓增加构件自重与造价。三、构件低周往复试验与性能指标分析论文完成多组不同截面、不同约束比、不同端部连接形式的 BRB 足尺拟静力往复加载试验，提取核心性能指标对比：承载力特性：拉压屈服承载力基本对称，无明显受压承载力跌落；延性变形能力：可实现数十倍屈服变形循环加载，极限变形远大于普通钢支撑；耗能效率：单圈滞回环包围面积大，等效黏滞阻尼系数显著高于传统支撑；失效破坏模式：合理设计的 BRB 最终破坏形式为内核钢材低周疲劳断裂，而非整体屈曲；若约束不足，会出现内核局部鼓曲、砂浆压碎、套管开裂等提前破坏。同步对比不同端部加劲构造、焊接 / 螺栓连接方案，得出端部应力集中优化构造做法，避免连接区域先于内核发生破坏。四、BRB 钢框架整体数值模拟与减震控制效果对比建立三组多层钢框架对照模型开展非线性静力推覆、动力时程分析：模型 1：无支撑纯钢框架（空白对照组）；模型 2：普通中心交叉支撑钢框架；模型 3：屈曲约束支撑减震钢框架。（一）层间位移与刚度控制普通钢支撑框架地震下底层支撑屈曲失效，楼层刚度骤降，层间变形急剧放大；BRB 框架依靠支撑持续耗能，全楼层刚度分布均匀，层间位移角显著降低，可轻松满足多遇、设防地震变形限值，避免围护墙体、管线大面积损坏。（二）基底剪力与振动响应增设屈曲约束支撑后结构等效阻尼比大幅提升，同等地震波输入下基底剪力、楼面峰值加速度明显下降，有效降低钢梁柱内力，主体框架在设防地震下可维持弹性工作状态，塑性损伤仅集中于可更换支撑构件。（三）竖向楼层变形均匀性不合理的支撑布置易形成薄弱层；论文通过多工况计算得出最优布设原则：沿竖向均匀分层布置，避免单一楼层集中大量支撑，防止上下层刚度差过大，均衡分配各楼层耗能需求，消除局部变形集中问题。五、不同场景钢结构 BRB 工程应用方案（一）工业门式刚架钢结构厂房厂房层高、跨度大，风荷载、地震作用显著，采用人字形、单斜式 BRB 布置于柱间支撑位置；支撑截面选用中等屈服承载力规格，兼顾减震与造价，适合低、中烈度厂区建筑。（二）装配式钢结构住宅住宅对室内空间整洁度要求高，优先采用窄型、隐藏式 BRB 布置于分户墙、楼梯间；选用小吨位支撑，实现中震下主体梁柱无损伤，震后仅拆卸更换支撑即可恢复居住功能，适配韧性住宅标准。（三）高层、大跨度公共钢结构建筑（展馆、医院、办公楼）高烈度区、重要应急类建筑采用分层多道 BRB 布置，搭配环带桁架、伸臂桁架协同减震；选用大承载力低屈服支撑，严格验算端部节点、楼板传递剪力，配套专项构造加强措施。（四）配套节点与施工工艺支撑与钢框架采用高强螺栓干式连接，便于后期拆除更换；节点增设加劲肋、加厚连接板分散应力；工厂预制构件，现场仅拼装作业，缩短施工周期，减少现场焊接污染与质量离散性。六、当前屈曲约束支撑应用现存行业难题端部疲劳控制难题：往复地震荷载下支撑连接节点易出现应力集中，长期循环后产生裂纹；刚度匹配失衡问题：盲目加大支撑承载力易造成楼层刚度突变，形成抗震薄弱层；后期运维检测不便：支撑多隐藏于墙体内部，震后损伤肉眼难以识别，检测成本偏高；成本管控压力：低屈服钢材、专用约束套管造价高于普通钢支撑，中小项目推广受限；标准化体系不完善：支撑规格、约束构造、验算公式缺少统一行业图集，设计重复性工作量大。七、论文核心优化建议与技术对策端部构造优化：增设过渡加劲段、圆弧过渡截面，缓解支撑端部应力集中，提升低周疲劳性能；分层均衡布置设计：按照层间位移均匀化原则分配各楼层支撑总屈服承载力，规避薄弱层；运维配套设计：预留检修观察口，选用可拆卸干式螺栓节点，便于震后更换支撑；成本优化路径：中等烈度建筑采用普通屈服钢材 BRB 替代高规格低屈服构件，平衡减震效果与造价；完善简化验算方法：给出 BRB 附加阻尼、层间位移简化计算公式，减少设计师非线性迭代计算工作量。八、研究核心结论与工程应用价值屈曲约束支撑依靠外部约束消除受压屈曲缺陷，拉压对称饱满滞回耗能，相比传统钢支撑减震控制效果具备压倒性优势，是钢结构消能减震优选构件；将 BRB 布置于钢框架后，可显著降低层间侧移、基底剪力与楼面振动，实现 “支撑耗能、主体框架弹性” 的分级抗震机制，大幅提升建筑抗震韧性；支撑约束比、端部连接构造、竖向分层布置方案直接决定整体减震成效，均匀分散布设可有效避免楼层刚度突变与局部变形集中；本文梳理的构件试验规律、整体框架数值分析方法、分业态钢结构应用方案、节点施工措施，可直接用于厂房、住宅、超高层公共钢结构减震专项设计；针对端部疲劳、薄弱层、后期检修、造价等行业痛点提出的优化构造与设计策略，可为屈曲约束支撑标准化图集编制、钢结构减震规范修订提供理论与试验支撑。

作者：袁毅　　 出处：《钢结构（中英文）》，2026，41 (03) 　　主题：针对光伏钢结构支架的新型截面主梁，研究抗扭性能、受力特点与设计优化方法 平单轴光伏跟踪支架属于典型风敏感轻型钢结构体系，大风作用下光伏阵列会对主梁产生显著扭转荷载，主梁抗扭承载力直接决定整套跟踪支架运行安全与使用寿命。现行钢结构设计规范存在明显空白：国外 AISC 标准仅给出矩形、圆形闭口钢管截面抗扭设计计算公式，并未针对工程中广泛应用的多边形薄壁管建立配套验算方法；国内现行钢结构规范也缺少薄壁构件扭转承载力完整计算体系，多边形主梁设计长期缺乏理论依据。本文结合薄壁壳单元屈曲稳定理论、国外钢结构规范基本原理，搭配精细化有限元数值模拟手段，系统对比不同边数、不同宽厚比多边形闭口截面主梁的纯扭转受力、约束扭转屈曲演化规律，量化截面几何参数对抗扭极限承载力、扭转刚度、临界屈曲剪应力的影响规律。计算结果表明，当多边形管壁宽厚比控制在规范限定区间内时，基于稳定理论推导的理论计算公式与有限元仿真结果吻合度较高，据此文章推导适配多边形主梁的抗扭承载力简化计算式；同时结合平单轴跟踪支架主梁弯扭耦合受力特征，从截面边数、壁厚、圆角过渡、截面轮廓尺寸等维度给出轻量化优化设计方案，可为地面光伏电站多边形跟踪主梁工程设计、行业专项设计标准编制提供理论支撑与计算参考。一、研究背景与工程痛点光伏平单轴跟踪系统依靠主梁（扭矩管）承载整片光伏组件，可沿南北向转轴旋转调节太阳入射角，显著提升光伏发电量。整套支架自重轻、迎风面积大，风荷载为控制设计的主导荷载；不同风向、不同跟踪倾角下，风压分布不均匀，会在主梁内部形成持续交变扭矩，极易引发主梁扭转变形、局部管壁屈曲，严重时造成跟踪机构卡滞、光伏组件倾覆损毁。当前工程主流主梁分为三类截面：圆形钢管、矩形方管、多边形闭口薄壁管（六边形、八边形为主）。多边形截面兼顾抗弯、抗扭双重优势，相同用钢量下综合力学性能优于传统方管，且型材轧制、现场连接件匹配性更好，近年在大型地面光伏电站大规模推广。但设计层面存在关键短板：规范缺失：国内外钢结构标准仅覆盖圆管、矩形管扭转验算，无多边形截面专用抗扭承载力计算公式，设计师只能近似套用矩形管公式，计算误差大，易出现设计偏保守或安全储备不足问题；受力复杂：平单轴主梁同时承受横向弯曲、轴向力与交变扭矩，属于典型弯扭耦合构件，单纯依靠单一截面模量无法准确评估扭转屈曲风险；薄壁失稳风险：光伏主梁普遍采用冷轧薄壁型材，扭转作用下管壁易发生局部剪切屈曲，大幅降低极限抗扭承载力，现有研究缺少多边形管扭转屈曲临界应力量化分析。基于以上行业设计难题，论文以多边形闭口薄壁主梁为研究对象，构建统一抗扭计算理论，总结适配光伏跟踪支架的截面优化策略。二、多边形闭口截面扭转基础理论与分析方法（一）薄壁闭口截面扭转力学机理多边形主梁属于单室闭口薄壁构件，扭转分为圣维南自由扭转与约束扭转两类工况：自由扭转：主梁两端无转动约束，扭矩产生沿管壁均匀分布的剪切应力，截面仅发生整体扭转变形，无纵向翘曲正应力；约束扭转：主梁与驱动电机、支撑立柱连接位置存在转角约束，扭转时截面翘曲受到限制，额外产生翘曲正应力，会降低构件临界屈曲荷载。圆管截面扭转应力完全均匀，矩形管转角位置应力集中显著；多边形截面通过多段直线 + 圆弧过渡，能够分散扭转剪应力，缓解局部应力集中现象，这也是多边形管抗扭性能优于等截面积方管的核心原因。（二）分析技术路线论文采用理论推导 + 参数化有限元数值模拟双向对照研究方案：理论层面：基于薄板弹性屈曲稳定方程，引入多边形截面扭转常数、翘曲常数、宽厚比修正系数，推导扭转屈曲临界剪应力理论表达式；参考 AISC 规范抗力分项系数、承载力折减逻辑，构建多边形主梁抗扭极限承载力计算公式；数值模拟层面：采用壳单元建立多组六边形、八边形薄壁多边形管精细化有限元模型，定义钢材弹塑性本构，施加纯扭转荷载、弯扭耦合荷载，捕捉管壁局部屈曲发生顺序、极限扭矩、扭矩 - 转角全过程曲线；验证校准：对比不同宽厚比、不同边数构件的理论计算值与有限元仿真极限扭矩，修正公式修正系数，明确公式适用宽厚比区间。三、多边形主梁抗扭性能参数化分析结果（一）截面边数对抗扭承载力影响在钢材截面积、管壁壁厚完全一致的前提下开展对比：四边矩形管：截面转角应力集中严重，扭转屈曲临界剪应力最低，极限抗扭承载力最小；六边形、八边形多边形管：随截面边数增加，截面轮廓趋近圆形，扭转剪应力分布均匀性持续提升，极限扭矩与扭转刚度同步增大；八边形管综合抗扭性能最优，但型材轧制成本高于六边形管；工程优选结论：地面光伏平单轴支架优先选用六边形、八边形闭口多边形主梁，平衡抗扭性能与型材加工造价。（二）管壁宽厚比的控制作用宽厚比是决定薄壁多边形管是否发生扭转局部屈曲的核心参数：宽厚比过大：管壁薄板刚度不足，较小扭矩下即出现局部鼓曲屈曲，构件提前丧失承载能力，极限扭矩大幅折减；宽厚比处于论文推导限值区间：构件先进入材料塑性屈服，后发生屈曲，材料强度充分发挥，理论计算公式与模拟结果误差控制在 5% 以内；宽厚比过小：管壁过厚，材料利用率偏低，主梁自重上升，违背光伏支架轻量化降本需求。文章给出适配光伏跟踪主梁的宽厚比控制阈值，为型材规格选型提供量化指标。（三）圆角过渡构造优化效果多边形截面直线段转角设置圆弧过渡，可显著消除尖角位置应力集中：同等扭矩工况下，带圆角多边形管峰值剪应力相比直角多边形管下降 20%~30%，有效延缓管壁剪切屈曲产生，提升交变风荷载下疲劳耐久性能，适合沿海强风、台风区域光伏项目。（四）弯扭耦合受力下承载特性平单轴主梁并非单纯受扭，同时承担光伏组件自重、雪荷载产生的竖向弯矩，论文开展弯扭组合加载模拟：弯矩与扭矩共同作用会互相降低构件极限承载能力，存在明显耦合折减效应；多边形截面因扭转刚度储备更高，弯扭耦合下承载力折减幅度远小于矩形管主梁，在大跨度、双竖排大功率平单轴支架中优势突出。四、多边形主梁截面轻量化优化设计方法结合平单轴光伏跟踪支架主梁实际受力工况，文章从四大维度提出成套优化设计思路：截面边数选型：普通内陆小风区选用六边形多边形管，沿海台风、高风压区域采用八边形截面，提升抗扭安全储备；壁厚分级优化：主梁跨中扭矩较小区域选用薄规格型材，驱动端、支撑立柱附近扭矩集中区段局部加厚管壁，在不增加整体用钢量前提下强化薄弱段抗扭能力；轮廓尺寸匹配：依据支架跨度、光伏组件排布宽度调整多边形外接圆尺寸，优先增大截面水平向轮廓尺寸，提升抗扭刚度，控制主梁扭转变形量；构造细节优化：全部转角设置标准轧制圆角，取消直角尖角；主梁端部与电机支座、立柱连接位置增设内衬套管，降低端部约束扭转翘曲应力。五、现有行业技术局限梳理规范体系缺失：国内外现行钢结构设计标准未纳入多边形薄壁管抗扭计算条款，工程设计只能近似借用矩形管公式，计算精度不足；型材配套不完善：国内多边形光伏专用钢管标准化规格少，中小光伏项目定制轧制成本偏高；弯扭耦合验算工具匮乏：常规光伏支架设计软件仅内置圆管、方管截面库，缺少多边形截面扭转承载力自动验算模块；交变风振疲劳研究不足：当前研究多聚焦静态极限抗扭承载力，多边形主梁长期风致交变扭矩下疲劳损伤演化规律有待进一步试验验证。六、论文核心研究结论与工程应用价值多边形闭口薄壁主梁相比同等截面积矩形钢管，扭转应力分布更均匀，极限抗扭承载力、扭转刚度更优，可有效抵抗平单轴跟踪支架风致交变扭矩，降低主梁扭转变形与局部屈曲失效风险；多边形截面管壁宽厚比、截面边数、圆角过渡半径是决定主梁抗扭承载性能的关键几何参数，宽厚比需控制在合理区间，保障理论计算公式计算精度；基于薄壁屈曲稳定理论推导的多边形主梁抗扭承载力简化公式，在规范限定宽厚比范围内与有限元仿真结果高度吻合，可直接用于光伏跟踪主梁结构验算，弥补现有设计规范空白；六边形、八边形多边形主梁适配不同风荷载分区光伏电站，搭配局部加厚、圆角过渡等构造优化措施，可实现轻量化降本与抗扭安全双重目标，适合大跨度、大功率平单轴光伏跟踪系统；本文建立的多边形薄壁管扭转数值模拟方法、弯扭耦合受力分析思路、截面优化策略，可为光伏钢结构设计人员提供完整验算手段，同时为光伏支架专项行业标准编制、新型多边形型材开发提供理论依据。

作者：夏春颖，王春鹏，黄凯龙　　 出处：《中国建筑金属结构》，2026，25 (02) 　　主题：传感器、数据监测、AI 识别、安全评估 模块化钢混组合建筑兼具钢结构装配高效、混凝土刚度充足的双重优势，是建筑工业化主流结构形式，但模块间拼接缝、干式连接节点属于地震作用下典型薄弱区域，传统人工检测手段难以实时捕捉震后细微损伤演化，结构安全评估存在滞后、误判率高的问题。本文将分布式传感监测、人工智能损伤识别技术融入模块化钢混结构抗震全流程研究，先开展多组模块拼接足尺振动台抗震试验，在模块梁柱、拼缝、连接节点处布设应变传感器、加速度传感器、光纤光栅传感阵列，连续采集多遇、设防、罕遇地震全过程振动、应变、位移时序数据；同步建立精细化多尺度有限元数值模型，完成试验数据对标校准，生成涵盖完好、微损伤、中度破坏、严重失效多等级样本数据集；搭建 CNN-LSTM 混合深度学习识别模型，依托海量传感时序数据与结构变形图像完成模型训练，实现模块拼缝开裂、螺栓滑移、钢板塑性损伤等缺陷自动定位、损伤程度量化分级；对比传统阈值判别法，验证 AI 智能识别体系在微弱损伤识别、多损伤耦合场景下的精度优势；结合试验与仿真结果，梳理模块化钢混组合体系地震损伤发展规律，形成一套 “传感器实时采集 —AI 自动识别分级 — 结构抗震安全动态评估” 一体化技术流程，为模块化钢混建筑抗震试验监测、震后快速安全鉴定提供智能化成套技术方案。一、研究背景与研究意义模块化钢混组合结构由工厂预制钢骨混凝土箱体模块现场干式拼接而成，建造速度快、工业化程度高，广泛应用于保障性住宅、学校、临时应急建筑。但模块竖向、水平拼接部位存在拼接缝与机械连接节点，地震往复荷载下易产生滑移、开裂、连接件塑性变形，整体抗震受力机制区别于现浇结构与纯钢框架。传统抗震研究仅依靠加载结束后人工观测破坏形态，无法记录地震全过程损伤渐进发展；常规结构安全评估依靠人工巡检，隐蔽拼缝、内部钢构件微小塑性损伤难以察觉，无法满足震后快速恢复使用的韧性建筑需求。现阶段物联网传感、人工智能识别技术逐步应用于结构健康监测，但面向模块化钢混组合箱体结构的一体化监测、AI 损伤评估体系研究较少，缺少配套试验布设方案与标准化识别模型。基于上述工程与技术缺口，本文融合振动台试验、分布式传感监测、有限元仿真、深度学习算法，搭建完整智能化抗震检测与安全评估体系，补齐模块化组合结构智能抗震监测技术短板。二、模块化钢混组合体系构造与地震薄弱环节（一）整体构造形式单箱模块内部采用钢骨混凝土梁柱承重，模块底板、顶板为钢筋混凝土组合楼板；相邻模块通过竖向高强螺栓套筒、水平搭接连接板干式拼装，拼缝处设置密封构造与抗剪键传递层间剪力，整体形成双重抗侧力体系。（二）地震作用核心薄弱区域模块水平、竖向拼接节点：地震剪力作用下螺栓易产生滑移，连接板出现局部塑性变形；模块拼缝混凝土：往复变形引发拼缝开裂、填充材料脱落，削弱层间协同工作能力；箱体钢骨与混凝土交界面：弯剪耦合作用下产生界面剥离，降低组合协同受力效果；底层模块与基础连接部位：倾覆力矩集中，易出现支座偏移、局部压溃。上述薄弱部位隐蔽性强，常规肉眼观测难以捕捉早期微小损伤，是本次传感监测重点布设区域。三、足尺振动台试验与分布式传感器布设方案（一）试验试件与加载工况制作两层两跨模块化钢混组合足尺试件，完整还原工程模块拼接构造；振动台输入多组天然地震波，分多遇、设防、罕遇三级逐级加大加速度幅值，完整模拟地震作用下结构从弹性、轻微损伤、中度损伤至局部失效全过程。（二）多类型分布式传感监测系统布置采用多类传感器组合布设，实现全域数据同步采集：光纤光栅应变传感器：埋设于模块钢骨、拼接连接板内部，实时捕捉钢材塑性应变变化，识别连接件屈服损伤；压电式加速度传感器：布置于各层模块楼板、顶板，采集楼层振动频谱、模态参数变化；激光位移传感器：安装于模块拼缝两侧，连续记录拼接缝相对滑移、开合变形量；高清视觉采集摄像头：对准拼缝、节点区域，同步拍摄损伤图像，为 AI 视觉识别提供图像样本。全部传感器数据同步传输至边缘采集终端，形成地震全过程连续时序数据库，完整留存损伤渐进演化全过程数据。四、精细化有限元数值模拟与数据集构建（一）多尺度有限元建模方法采用分层建模思路：宏观整体模型模拟楼层位移、基底剪力；局部细化子模型还原拼接节点、拼缝接触滑移、钢混界面粘结滑移关系，分别定义钢材塑性、混凝土损伤塑性本构，精准复现试验中裂缝发展、螺栓滑移、钢板屈服等破坏行为。利用振动台实测数据校正模型参数，消除仿真与试验误差。（二）多工况损伤样本数据集生成依托校准完成的有限元模型，批量模拟不同地震强度、不同连接缺陷、不同拼缝损伤等级工况，扩充数据集样本容量：完好无损工况：模块、连接件均处于弹性阶段；轻微损伤工况：拼缝细微开裂、螺栓微小滑移，无塑性变形；中度损伤工况：连接板局部屈服、拼缝裂缝贯通；严重损伤工况：连接螺栓失效、模块相对偏移、混凝土大面积压碎。数据集融合传感时序信号、结构变形图像、有限元应力云图三类多模态数据，为深度学习模型训练提供充足样本支撑。五、基于 CNN-LSTM 混合网络的 AI 损伤识别模型（一）模型架构设计采用卷积神经网络 CNN + 长短期记忆网络 LSTM 混合框架，适配本次多模态监测数据：CNN 分支：处理摄像头采集的拼缝、节点图像，自动提取裂缝宽度、钢板变形、连接件破损等视觉特征，完成损伤位置粗定位；LSTM 分支：解析传感器连续时序振动、应变数据，捕捉模态频率、应变幅值的渐变特征，量化损伤严重等级；融合输出层：整合图像与时序特征，输出损伤位置、损伤类型、安全风险等级三类评估结果。（二）识别效果对比验证将 AI 模型识别结果与振动台试验人工实测损伤数据对比：传统固定阈值判别法仅能识别明显重度损伤，微小拼缝开裂、钢材早期屈服识别准确率不足 60%；CNN-LSTM 混合 AI 模型对四级损伤全部工况识别准确率达 96% 以上，可精准定位隐蔽拼缝、内部钢构件早期微弱损伤；支持多损伤耦合场景同步识别，可区分螺栓滑移、混凝土开裂、钢板塑性变形多种缺陷共存工况，规避单一监测手段误判问题。六、模块化钢混结构地震损伤演化规律分析结合试验观测、传感数据、AI 识别结果，总结体系完整破坏发展流程：多遇地震阶段：整体保持弹性，拼缝无明显开裂，传感器仅采集微小弹性应变，AI 判定结构完好，可正常使用；设防地震阶段：拼缝出现细微开合滑移，局部连接板产生低应变塑性变形，AI 识别为轻微损伤，无需大规模维修即可恢复使用；罕遇地震前期：拼接缝裂缝贯通，螺栓滑移量显著增大，钢骨局部屈服，判定中度损伤，需检修更换连接件；罕遇地震后期：模块拼接节点承载力大幅下降，模块间出现明显相对偏移，判定严重损伤，结构失去正常使用能力。研究证实模块拼接连接构造是控制整体抗震性能的核心，合理优化螺栓规格、增设抗剪键可有效延缓损伤发展。七、一体化抗震安全动态评估技术流程论文形成标准化智能化评估完整流程，可直接用于试验检测与工程震后鉴定：前置布设：在模块拼接节点、拼缝、底层支座预埋光纤、加速度、位移传感阵列；数据实时采集：地震作用下同步采集振动、应变、图像多模态数据；AI 智能识别：CNN-LSTM 模型自动提取损伤特征，定位缺陷并划分损伤等级；安全分级判定：依据损伤识别结果匹配抗震性能目标，划分完好、可修复、限制使用、危险四级安全等级；输出评估报告：自动生成损伤分布图、剩余承载力、维修改造建议，实现震后快速智能化安全鉴定。八、当前技术应用现存局限传感设备布设成本偏高，大批量模块化住宅全点位布设经济性不足；AI 模型泛化能力受限，现有训练样本基于单一模块尺寸，不同层高、跨度模块需补充样本重新微调；多传感器数据同步融合算法计算量大，现场边缘终端实时处理算力需求较高；模块化建筑运维阶段缺少标准化预埋传感构造图集，施工预埋工序无统一指导。九、论文核心研究结论与工程应用价值模块化钢混组合结构地震损伤集中于模块拼接缝与干式连接节点，常规人工观测难以捕捉早期隐蔽微小损伤，分布式多类型传感阵列可完整记录地震全过程损伤演化数据；融合光纤、加速度、视觉图像的多模态监测数据集，结合 CNN-LSTM 混合深度学习模型，可实现拼接滑移、混凝土开裂、钢板屈服等多类损伤自动定位与量化分级，识别精度远高于传统阈值判别方法；本文搭建的 “振动台足尺试验 — 有限元多尺度仿真 — 传感数据采集 —AI 智能识别 — 安全分级评估” 一体化技术路线，完善了模块化钢混组合结构智能化抗震检测体系；研究明确了模块化箱体结构地震逐级损伤发展规律，为模块拼接节点抗震构造优化提供试验依据；整套传感布设方案与 AI 损伤识别模型，可用于模块化建筑抗震试验研究、地震灾后快速安全鉴定、长期运维结构健康监测，为装配式模块化建筑智能化安全管控提供技术参考。

作者：肖军磊、郁银泉、高志强、许晶　　 出处：《工业建筑》，2025, 55(08) 　　主题：研究高效能轧制型钢替代传统焊接构件，推动标准化、轻量化、低碳化钢结构体系应用 期刊官方阅览链接：http://gyjz.ic-mag.com/cn/article/doi/10.3724/j.gyjzG25060604当前国内民用钢结构工程中，焊接组合构件长期占据主导地位，热轧成型轧制型材整体应用占比偏低，推广规模远不及欧美发达国家水平，不利于建筑工业化轻量化、低碳化转型落地。为打通轧制型钢大规模工程应用的全产业链壁垒，本文系统对比轧制型材与传统焊接构件在成型工艺、残余应力、力学耐久性能、生产能耗、现场装配效率方面的差异化特征；从型材供给、设计标准、制造施工、认证评价四大维度，全面梳理制约轧制型材普及的行业核心瓶颈；依托高效能标准化钢结构成套技术体系作为核心载体，提出覆盖钢材冶炼、标准化设计、数字化智能制造、现场干式装配、全流程质量管控的一体化规模化落地路径。工程测算结果表明，以轧制型钢替代定制焊接构件，可降低 12%~18% 钢材总用量，构件加工碳排放削减 20% 以上，大幅压缩工厂加工周期与现场焊接工程量；本文构建的全链条推广实施框架，能够有效提升热轧 H 型钢、轧制空心管材等标准化型材在厂房、住宅、公共建筑中的使用率，为建筑行业落实双碳战略、推进钢结构标准化智能建造提供完整产业实施参考方案。一、研究背景与行业发展痛点在建筑工业化、绿色低碳发展政策导向下，推广高效能标准化钢结构、扩大轧制型材应用是钢结构产业高质量升级的核心抓手。热轧 H 型钢、轧制方矩管等轧制型材依靠钢厂一体热轧成型，无需钢板拼接焊接，具备残余应力低、疲劳性能优、加工损耗小、生产碳排放低等先天优势，契合轻量化减碳建造需求。但国内行业长期存在设计、钢铁生产、构件加工、施工安装产业链脱节问题，造成轧制型材推广受阻，核心矛盾分为四类：设计端习惯定制化焊接构件，缺少标准化型钢库配套，设计师优先采用焊接截面，轧制型材选型适配图集不足；钢厂型材规格供给与建筑工程需求错配，标准化型材规格覆盖不全，特殊跨度、荷载场景无对应轧制型号，只能采用焊接替代；产业链协同不足，设计院、钢厂、钢构厂信息割裂，缺少 “少规格、多组合” 标准化协同设计机制；缺少配套检测、评价与激励体系，轧制型钢应用成效无统一量化评估标准，项目落地缺少政策与技术支撑。现有研究多聚焦单一型材力学性能试验，缺少覆盖全产业链、适配标准化钢结构体系的规模化推广方案，基于此，文章结合标准化钢结构成套关键技术，系统性搭建轧制型材落地实施路径。二、轧制型材与传统焊接构件综合性能对比论文从成型工艺、力学性能、建造效率、低碳效益四大维度开展量化对比，明确轧制型钢综合优势：（一）成型与残余应力差异焊接构件由多块钢板裁切、拼接、熔焊成型，焊缝区域存在高残余拉应力，易产生焊接变形、层状撕裂；轧制型材一体热轧成型，内部应力分布均匀，残余应力数值不足焊接构件的 1/3，抗震、疲劳耐久性能更稳定，适合高烈度区、长期振动厂房建筑。（二）材料利用率与轻量化效果焊接构件需预留焊接坡口、加劲肋，钢材冗余用量大；轧制型材截面力学布局优化，同等承载力条件下用钢量降低 12%~18%，实现结构轻量化，直接减少钢材冶炼阶段隐含碳排放。（三）工厂加工与现场施工效率轧制型材进厂后仅需切割、打孔、涂装，无大批量焊接工序，工厂加工成材率提升 8%~12%；现场取消大量动火焊接，采用高强螺栓干式装配，施工工期缩短 30% 左右，减少焊接烟尘、能耗与探伤检测工作量。（四）全生命周期低碳指标焊接构件钢板裁切、长距离焊接、焊材消耗均产生额外碳排放；轧制型钢一体化成型工序简化，综合测算单吨构件生产碳排放量下降 20% 以上，是落实建筑双碳目标的优选构件形式。三、轧制型材规模化应用四大核心制约因素标准化设计体系不完善：国内缺少统一、全覆盖的轧制型钢选型库与配套节点图集，建筑平面、柱网未基于标准型钢模数协同规划，设计师只能定制焊接截面适配异形受力需求；钢铁型材供给体系匹配度不足：钢厂轧制型钢规格梯度稀疏，大截面、高强度系列产品供给不足，中小钢厂柔性轧制产能有限，小批量定制轧制成本偏高；产业链协同机制缺失：设计、钢铁生产、钢构加工、施工四方独立运作，前置型材协同选型模式未普及，形成 “设计定焊接、钢厂难按需供型材” 的产业壁垒；质量认证与评价激励机制空白：暂无针对轧制型钢应用比例、轻量化减碳效益的标准化评价指标，绿色建筑、工业化建筑评价体系未对轧制型材应用设置正向激励，项目推广动力不足。四、基于高效能标准化钢结构体系的全链条应用路径文章以标准化钢结构成套技术为载体，构建型材供给协同、标准化设计、数字化智能制造、质量评价认证四位一体完整落地路径，分环节明确关键技术措施：（一）上游：钢厂型材供给协同优化技术建立建筑 - 钢铁联动型材规格库，遵循 “少规格、多组合” 原则，完善热轧 H 型钢、轧制空心管强度与尺寸梯度，覆盖多层住宅、高层办公、工业厂房全场景受力需求；推广高强度控轧控冷轧制型钢（Q355/Q460QST 系列），提升单截面承载能力，进一步减少构件用量；钢厂搭建柔性轧制产线，降低中小批量标准型材定制生产成本，打通型材直供钢构厂渠道，减少中间流通成本。（二）中游：标准化钢结构一体化设计关键技术模数协同前置设计：建筑柱网、层高、楼板跨度匹配轧制型钢标准模数，从方案阶段锁定轧制型材为主的结构体系，减少异形定制截面；构件与节点标准化：编制轧制型钢梁柱、支撑、柱脚标准节点图集，全部采用干式螺栓连接，取消现场焊接节点；BIM 参数化型钢库嵌入设计软件，实现软件自动匹配轧制型材、输出材料清单，替代传统手工焊接截面选型；分业态标准化体系定型：针对装配式住宅、多层厂房、停车楼、中小型公建分别定型纯轧制型钢框架体系，形成可直接复用的成套结构方案。（三）下游：数字化智能制造与干式装配施工技术钢构厂数字化加工产线：针对轧制型钢开发自动化切割、钻孔、涂装流水线，全程减少人工干预，稳定构件加工精度；全干式现场装配工艺：依托轧制型钢标准端板、插接节点，实现无现场焊接施工，配套模块化吊装方案，提升安装效率；全过程数字化管控：利用数字孪生跟踪轧制型材生产、加工、安装全流程，同步采集材料损耗、工期、碳排放数据，形成项目数据库。（四）保障体系：质量检测与应用效果评价技术建立轧制型钢专项质量检测标准，针对低残余应力、疲劳性能、截面尺寸精度设置专属验收指标；构建高效能钢结构量化评价体系，将轧制型材使用率、轻量化率、碳减排量作为核心评价指标，用于绿色建筑、工业化建筑评审；完善行业认证机制，对高轧制型材应用比例项目给予标准化建筑认定倾斜，形成产业推广正向激励。五、示范工程应用成效分析论文结合多层标准化停车楼示范项目开展测算，项目全部采用轧制空心管材柱 + 热轧 H 型钢梁体系：型材应用比例：轧制型材占全部受力构件比例 100%，构件标准化率 97.81%，标准化节点占比 78.5%；经济效益：相比同规模焊接构件方案，整体用钢量降低 15.3%，工厂加工人工成本下降 22%；工期效益：主体钢结构加工、现场安装总工期缩短 28%；低碳效益：构件生产阶段碳排放减少 21.6%，现场无焊接工序，施工阶段污染物排放大幅降低。示范项目验证了整套推广路径的可行性，具备向厂房、保障房、中小型公共建筑复制推广条件。六、论文核心研究结论与工程产业价值轧制型钢相较传统焊接构件具备低残余应力、高疲劳性能、轻量化、低碳、施工高效多重优势，是高效能标准化钢结构体系的核心优选构件，但其规模化推广受产业链协同、标准图集、型材供给、评价激励多重因素制约；以标准化钢结构体系为核心载体，从钢厂型材供给、模数化前置设计、数字化智能加工、评价认证保障四大环节构建一体化实施路径，可系统性打通轧制型钢全产业链应用壁垒；工程实践证明，全流程采用轧制型钢标准化体系，可实现钢材减量 12%~18%、构件碳排放降低 20% 以上，显著提升建筑工业化水平，助力建筑业双碳目标落地；本文提出的 “少规格、多组合” 模数协同设计方法、轧制型钢配套标准节点体系、全链条数字化管控方案，可为设计院、钢铁企业、钢结构加工厂提供标准化落地技术指南；研究形成的轧制型钢应用量化评价指标体系，可用于行业标准编制、绿色建筑评审、钢结构产业政策制定，推动国内热轧型材应用规模向发达国家水平靠拢。

作者：刘界鹏，周绪红，等　　 出处：《施工技术》，2023，52 (04) 　　主题：数字预拼装、智能制造、施工模拟、全生命周期管理 竣工资料碎片化等痛点，复杂大跨度、超高层钢结构极易出现现场返工、工期延误、成本超支等问题。本文以建筑信息模型（BIM）作为数字化建造核心载体，打通钢结构深化设计、工厂智能制造、现场安装施工、后期运维监测全流程数据链路，系统阐述数字虚拟预拼装、数控智能加工、4D 可视化施工仿真、构件全生命周期数字化管控四大核心成套技术。依托多座大跨度场馆、高层钢混综合体实际工程开展技术落地验证，融合三维激光点云扫描、RFID 构件标识、物联网感知设备完善 BIM 数字化体系；对比传统二维施工管理模式，量化分析数字化技术在碰撞错漏问题消除率、构件加工一次合格率、现场施工工期、项目综合造价等指标的优化成效；针对当前 BIM 数字化建造存在的模型数据互通壁垒、智能产线配套不完善、运维阶段数据复用程度低等行业短板提出优化路径。研究构建一套以 BIM 模型为统一数据底座的钢结构数字化建造完整技术框架，可为装配式钢结构、异形复杂钢结构工程实现设计 - 智造 - 施工 - 运维一体化数字管控提供标准化实施技术方案。一、研究背景与行业现存痛点钢结构工业化建造是智能建造、绿色建筑发展的重要方向，但国内大量项目仍延续二维图纸分阶段作业模式，设计、钢构加工厂、施工单位数据互不连通，形成信息断层，衍生多重工程难题：深化设计阶段：梁柱、桁架、管线、围护构件碰撞问题只能在现场安装时暴露，修改返工量大，浪费钢材与人工；异形空间钢结构节点尺寸协调难度高，二维图纸易出现尺寸偏差。构件生产阶段：加工图纸人工转化易产生录入错误，缺少数字化校验手段，实体预拼装场地占用大、成本高、检测精度有限。现场施工阶段：吊装顺序、临时支撑体系、多专业交叉工序依靠人工经验排布，工序冲突、高空作业安全风险难以提前预判；构件进场、堆放、吊装缺少全过程追溯管理。运维交付阶段：竣工图纸与实体建筑存在偏差，构件材质、焊缝、防腐等关键信息无统一数字档案，后期改造、检修缺少精准数据支撑。刘界鹏、周绪红团队长期深耕钢结构与智能建造交叉领域，针对以上全链条痛点，以 BIM 三维模型为统一信息载体，整合虚拟预拼装、自动化智造、施工仿真、物联网运维技术，搭建一体化数字化建造体系，补齐钢结构全流程数字管控技术缺口。二、基于 BIM 的钢结构数字化建造全流程核心技术体系（一）BIM 协同深化设计与数字虚拟预拼装技术多专业协同三维建模采用 Revit、Tekla Structures 搭建钢结构专业精细化 BIM 模型，完整录入构件截面尺寸、螺栓排布、焊缝规格、材质强度、防腐防火涂层等参数；同步整合建筑、机电、幕墙专业模型开展全局碰撞检查，提前修正梁柱开孔冲突、节点连接板干涉、管线与钢构件交叉等问题，从源头减少设计变更。BIM + 三维点云虚拟预拼装摒弃传统实体地面预拼装高成本模式，形成数字化校验流程：工厂构件加工完成后使用三维激光扫描仪采集实体点云数据，将扫描模型与 BIM 理论模型在数字平台精准对齐比对，自动识别构件尺寸偏差、坡口误差、连接板错位等加工缺陷；在虚拟环境完成整体拼装校验，合格后方可发货进场，无需占用大面积预拼装场地。复杂节点参数化建模利用 Dynamo 可视化编程工具实现标准梁柱节点、伸臂桁架、模块化箱体节点参数化批量生成，统一节点构造模数，提升异形钢结构深化建模效率。（二）BIM 数据驱动钢结构工厂智能制造技术实现 BIM 模型数据直接贯通智能加工产线，打通 “数字模型 — 数控设备” 数据通道：模型数据一键输出加工指令：Tekla 模型自动导出切割坐标、坡口参数、钻孔定位、构件编号等数据，直接传输至数控切割机、机器人焊接工作站，规避人工图纸转译误差。构件全流程数字标识管理：为每一根钢梁、钢柱、支撑分配唯一 RFID 电子标签，标签绑定 BIM 内全部属性信息，覆盖钢材下料、组对、焊接、涂装、质检全工序，实现生产全过程信息追溯。智能产线协同管控：依托 BIM 数字化管理平台实时同步生产进度，对比计划工期自动预警加工滞后构件；机器人焊接、自动喷涂设备读取模型参数自适应调整作业轨迹，稳定构件加工精度与焊接质量。工程实测数据显示，BIM 数字化智能制造可将构件一次加工合格率提升至 98% 以上，钢材废料损耗降低 10%~15%。钢结构智能加工生产线机器人自动焊接作业（三）BIM 4D 可视化施工模拟与现场数字化管控技术4D 进度仿真优化吊装工序将 BIM 三维模型与施工进度计划绑定形成 4D 施工模型，完整模拟主体钢框架、加强层桁架、楼板、围护构件全周期安装流程；多方案比选塔吊站位、分段吊装顺序、临时支撑搭设与拆除时序，优化交叉施工逻辑，规避高空碰撞与施工安全隐患。针对大跨度空间钢结构、超高层加强层桁架，通过仿真验算支撑体系承载力与整体稳定性。现场数字化放样与 AR 辅助安装将 BIM 精准坐标导入智能放样机器人，实现毫米级现场定位；施工人员佩戴 AR 终端，将三维 BIM 模型叠加至实体结构表面，直观查看螺栓孔位、拼接对位标准，大幅降低复杂节点高空安装难度。物料与进度动态管控结合 RFID 构件进场扫码、北斗定位吊装追踪，实时同步构件运输、堆放、吊装完成状态至 BIM 管理平台，自动对比计划进度与实际施工偏差，生成预警报表，便于管理人员动态调配人力、机械资源。（四）基于 BIM 的钢结构全生命周期数字化运维管理技术竣工数字孪生档案交付施工竣工后整合完整 BIM 模型、加工检测报告、焊缝探伤数据、防腐涂层施工记录、荷载试验报告形成一体化数字竣工模型，替代传统纸质图纸，完整留存钢结构建造全过程原始数据。结构健康监测联动 BIM 平台在桁架节点、底层巨柱等关键受力部位布设光纤应变、加速度传感器，监测数据实时接入 BIM 数字孪生系统；当构件应力、变形超过设计阈值时，模型对应区域自动高亮预警，辅助运维人员精准定位损伤部位，支撑震后检修、日常结构安全评估。改造与拆除复用数字化支撑后期建筑改造、功能更新时，可直接在 BIM 模型中模拟构件拆除、新增结构受力验算；建筑达到使用年限后，依托完整构件材质、尺寸数据规划钢材拆解、回收复用方案，契合低碳循环建造要求。钢结构全生命周期数字化管控流程三、工程应用效果量化对比分析论文选取高层钢混超高层、大跨度会展中心两类典型钢结构项目，对比传统二维建造模式与 BIM 数字化建造体系各项核心指标：设计变更与返工：BIM 协同碰撞检查消除 90% 以上现场构件碰撞问题，设计变更量下降 75%；虚拟预拼装将构件加工缺陷全部在工厂整改，现场拼装返工率接近零。生产加工效益：数字化数控加工减少人工转图工作量 60%，钢材损耗显著降低，构件加工周期缩短 20%。现场施工效益：4D 仿真优化吊装方案，主体钢结构安装总工期压缩 25%，高空作业安全隐患预警识别效率大幅提升。综合成本：项目人工、材料返工、场地租赁综合造价降低 12%~18%；数字化竣工档案省去大量图纸归档、复印成本，运维阶段检修效率提升一倍以上。四、当前 BIM 数字化建造技术推广现存行业短板软件数据互通壁垒：不同 BIM 建模、数控加工、运维监测平台数据格式不兼容，模型转换易丢失构件属性信息，全流程数据贯通存在障碍；中小钢构厂智能产线配套不足：中小型加工厂仍以人工加工为主，缺少数控切割、机器人焊接配套设备，数字化落地硬件门槛偏高；运维阶段 BIM 数据复用不足：多数项目仅将 BIM 用于设计施工阶段，竣工模型简化归档，未接入长期结构健康监测系统，全生命周期价值未充分发挥；专业数字化人才缺口：同时掌握钢结构设计、BIM 建模、智能制造流程的复合型技术人员稀缺，制约技术大范围普及。五、技术优化与行业推广实施建议统一钢结构 BIM 数据交付标准，规范构件属性、节点信息、加工参数交互格式，打通多软件平台数据流转通道；分梯度推进钢结构加工厂智能化改造，推广中小型经济型数控加工设备与轻量化 BIM 管理系统，降低中小企业数字化改造成本；完善 “设计 - 加工 - 施工 - 运维” 一体化 BIM 交付规范，强制要求大型钢结构项目交付可用于运维监测的完整数字孪生模型；开展钢结构 BIM 智能建造复合型人才定向培养，完善行业数字化技能培训体系。六、论文核心研究结论与工程应用价值BIM 可作为钢结构数字化建造统一数据底座，串联协同深化、虚拟预拼装、数控智能制造、4D 施工仿真、全生命周期运维五大核心环节，形成完整数字化闭环体系，从设计、生产、施工、运维全链条解决传统建造模式信息割裂、返工量大、管控粗放的突出问题；BIM 结合三维点云虚拟预拼装、RFID 构件追溯、AR 现场辅助安装、物联网健康监测等配套数字技术，可显著提升钢结构加工精度、施工效率、结构运维安全管控水平，大幅压缩工期与综合建造成本；数字虚拟预拼装替代实体预拼装、BIM 驱动数控智能制造两项核心技术，适配大跨度异形钢结构、超高层钢混组合结构、模块化钢结构等多种业态，工程落地成效显著；本文梳理的全流程数字化技术框架、软硬件配套实施路径、多项目量化效益数据，可为钢结构设计院、钢构加工厂、施工总承包单位开展智能建造数字化升级提供完整实操技术参考，同时为钢结构数字化建造行业标准编制提供理论与工程支撑。

作者：甄伟，邱意坤，张万开，杨青顺　　 出处：《工程力学》（EI），2021 　　主题：BRB 伸臂桁架、阻尼伸臂、耗能、损伤控制 期刊官方阅览链接：http://www.engineeringmechanics.cn/cn/article/id/96fd1b17-aeea-4f88-9c8d-c272dbdc2795伸臂桁架是框架 - 核心筒类超高层建筑协调内外结构协同受力、控制侧向变形的关键加强层构件，优化桁架自身耗能能力、实现地震损伤可控，是提升超高层整体抗震韧性的核心手段。当前工程主流伸臂桁架分为三类：传统普通钢支撑伸臂桁架、腹杆替换为屈曲约束支撑（BRB）的耗能型伸臂桁架、端部增设摩擦阻尼构件的阻尼型伸臂桁架，三类构造的耗能分配、变形控制、构件损伤防护效果存在显著差异。本文以 144m 高度典型超高层框架 - 核心筒建筑为研究载体，建立三组分别搭载不同桁架形式的精细化非线性有限元模型，选取多条天然地震动记录开展设防、罕遇地震动力时程分析；结合伸臂桁架足尺构件拟静力试验校准模型滞回力学参数，从结构总地震能量分配、塑性耗能占比、层间位移响应、核心筒墙体损伤程度四大维度系统对比三类桁架抗震表现。分析结果表明：相较传统普通支撑桁架，BRB 型、阻尼型伸臂桁架均可大幅提升整体结构塑性耗能水平；BRB 伸臂桁架对建筑层间侧移、层间位移角约束效果最优，减震效率可达 9.29%；端部阻尼型伸臂桁架可主动分担地震输入能量，显著降低核心筒剪力墙塑性损伤比例，对主体竖向承重构件保护作用更突出。文章明确两类耗能型伸臂桁架的适用场景与设计侧重点，为高烈度区超限超高层加强层桁架选型、地震损伤分级控制提供完整数值依据与设计思路。一、研究背景与工程研究意义超高层建筑普遍采用巨柱框架 - 钢筋混凝土核心筒搭配伸臂桁架的复合抗侧体系，伸臂桁架可传递倾覆力矩、均衡内外结构刚度，是控制整体侧移的核心构件。传统普通钢腹杆伸臂桁架存在明显抗震短板：往复地震荷载下斜腹杆受压极易整体屈曲，滞回曲线捏缩严重、耗能能力薄弱，地震能量大多由核心筒连梁、剪力墙承担，极易造成墙体大面积开裂、塑性损伤集中，震后修复工程量大，难以满足 “设防地震可快速恢复使用” 的韧性建筑目标。现阶段工程衍生出两种主流耗能优化方案：一是将桁架斜腹杆替换为屈曲约束支撑（BRB），依靠 BRB 拉压对称塑性变形耗散能量；二是在桁架与核心筒、巨柱连接端部增设摩擦阻尼器，通过阻尼滑移消耗地震能量。但两类耗能桁架在变形控制、主体结构损伤防护上的优劣缺少系统化量化对比，设计师选型缺少明确判定依据。基于上述工程设计缺口，本文依托实体超高层项目，结合构件拟静力试验与整体结构动力时程模拟，厘清普通桁架、BRB 桁架、阻尼桁架的耗能演化规律，划分不同抗震需求下的最优桁架方案，完善超高层加强层消能减震与损伤控制设计理论。二、三类伸臂桁架构造与耗能工作机理（一）传统普通钢支撑伸臂桁架桁架上下弦采用焊接 H 型钢，斜腹杆为普通十字交叉钢支撑，仅依靠钢材屈服消耗少量地震能量；受压腹杆易发生整体失稳，承载力快速下降，循环加载下耗能持续衰减，地震能量大量转移至核心筒剪力墙与连梁，筒体易产生不可逆塑性损伤。普通桁架滞回曲线（二）BRB 屈曲约束支撑型伸臂桁架保留原有桁架弦杆，全部斜腹杆替换为低屈服点屈曲约束支撑，外部约束套管限制内核钢板受压屈曲，拉、压荷载下均可稳定进入塑性屈服；滞回曲线饱满对称，可稳定持续消耗地震能量，附加阻尼比提升显著，核心作用是提升结构整体抗侧刚度、严格控制楼层侧向变形。BRB桁架滞回曲线（三）端部摩擦阻尼型伸臂桁架桁架腹杆仍采用普通钢支撑，在桁架与核心筒、外围巨柱的连接节点处增设独立摩擦阻尼装置；地震往复转动时阻尼片发生相对滑移，依靠摩擦作用耗散地震能量，桁架主体杆件全程维持弹性状态，可大幅削减传递至核心筒的内力，从源头降低墙体塑性损伤发展。阻尼桁架滞回曲线三、试件拟静力试验与有限元模型校准（一）足尺构件拟静力加载试验分别制作三类桁架 1:3 缩尺试件开展低周往复拟静力试验，逐级施加往复位移荷载，全程记录荷载 - 位移滞回曲线、构件破坏形态、塑性耗能总量：普通桁架：加载中期腹杆屈曲，承载力快速跌落，滞回环狭窄，耗能总量最低；BRB 桁架：加载全过程承载力稳定无明显退化，滞回包围面积大幅提升，变形控制能力突出；端部阻尼桁架：桁架主体无塑性损伤，损伤集中于可拆卸摩擦阻尼件，震后仅更换阻尼器即可恢复结构性能。（二）超高层整体有限元模型建立以总高 144m、设置两道伸臂加强层的框架 - 核心筒塔楼为原型，采用非线性有限元软件搭建三组对照整体模型：模型 1：传统普通钢腹杆伸臂桁架（对照组）模型 2：腹杆全替换为 BRB 的耗能伸臂桁架模型 3：端部增设摩擦阻尼器的阻尼型伸臂桁架输入多条天然地震动记录，分别完成设防地震、罕遇地震两级动力时程分析，同步提取总输入地震能量、各构件塑性耗能分配、层间位移角、剪力墙损伤占比等量化指标。超高层整体有限元模型四、三类伸臂桁架抗震性能量化对比分析（一）结构整体塑性耗能能力同等地震动输入条件下，BRB 桁架、阻尼桁架体系整体塑性耗能占比显著高于普通桁架：普通桁架塑性耗能占总输入能量比例均值仅 25% 左右，BRB 桁架可达 32%，端部阻尼桁架塑性耗能比例约 29%。两类耗能桁架均可主动分担地震能量，减少核心承重构件塑性损伤积累。三类桁架塑性耗能比例对比（二）楼层侧向变形控制效果BRB 伸臂桁架依靠 BRB 构件稳定抗侧刚度，对层间位移角约束效果最优，多组地震波平均减震效率 9.29%；端部阻尼桁架减震效率均值 7.16%，变形控制能力略弱于 BRB 桁架；普通桁架腹杆屈曲后结构刚度骤降，楼层侧移增幅明显，难以满足超高层变形限值要求。两类耗能桁架减震效率对比（三）构件塑性耗能分配与损伤控制普通桁架：地震能量主要由核心筒连梁、剪力墙承担，墙体塑性损伤占比超过 90%，罕遇地震下筒体易出现大面积贯通裂缝；BRB 桁架：塑性损伤集中于 BRB 腹杆，剪力墙耗能占比大幅下降，兼顾变形控制与主体保护；端部阻尼桁架：摩擦阻尼器承担绝大部分塑性耗能，桁架弦杆、核心筒墙体基本维持弹性，对混凝土筒体损伤抑制效果最优，完美适配需要震后快速修复的医院、应急指挥等关键公共超高层。构件塑性耗能分配占比五、两类耗能伸臂桁架差异化适用场景与设计要点（一）BRB 屈曲约束支撑伸臂桁架适用场景适合高度大、刚度控制严苛、高风荷载区域的超高层写字楼、综合体，核心设计要点：全部桁架斜腹杆统一选用低屈服 BRB，保障全楼层刚度均匀分布，规避薄弱层；BRB 与桁架弦杆采用高强螺栓干式连接，便于震后拆卸更换耗能构件；验算 BRB 极限变形与楼层最大层间位移匹配，避免支撑提前达到变形极限丧失耗能能力。（二）端部摩擦阻尼型伸臂桁架适用场景适合高抗震设防烈度、对震后修复性要求高的医疗、政务、应急类超高层建筑，核心设计要点：阻尼器独立布置于桁架两端连接节点，增设限位辅助装置，保证阻尼件仅发生剪切滑移、不承受额外弯矩；阻尼器刚度、承载力可独立分开设计，设计自由度更高；阻尼件标准化模块化生产，震后无需拆解桁架主体，仅替换阻尼配件即可恢复建筑使用功能。六、当前耗能伸臂桁架应用现存技术短板BRB 伸臂桁架造价偏高，大跨度加强层大批量布置会提升项目整体结构成本；端部阻尼桁架整体抗侧刚度提升有限，对于超细长周期塔楼，需搭配环带桁架补充刚度；现行超高层抗震设计规范缺少耗能伸臂桁架专项验算细则，阻尼、BRB 参数取值无统一标准；阻尼器长期风致往复滑移存在磨损老化问题，缺少长期疲劳性能完整试验数据支撑。七、论文核心研究结论与工程应用价值传统普通钢腹杆伸臂桁架受压易屈曲，耗能能力差，地震损伤大量集中于核心筒剪力墙，不适用于高烈度区超限超高层；BRB 型、端部阻尼型两类耗能伸臂桁架均可显著提升结构塑性耗能水平，实现地震损伤转移至可拆卸耗能构件，大幅降低主体承重构件破坏风险。性能差异化结论：BRB 伸臂桁架在楼层侧移、层间变形控制上优势突出，减震效率更高；端部摩擦阻尼伸臂桁架对核心筒墙体损伤抑制效果最优，建筑震后修复成本更低、恢复速度更快。可依据项目核心设计目标完成桁架选型：以控制侧向变形、满足风振舒适度为优先目标时选用 BRB 伸臂桁架；以降低筒体损伤、实现中震快速修复、提升建筑抗震韧性为核心需求时，优先采用端部阻尼型伸臂桁架。本文结合构件拟静力试验与多组地震波动力时程分析形成的能量分配、损伤量化分析方法，可为高烈度区超高层加强层消能减震专项设计、超限抗震审查提供完整数值分析流程与判定依据，完善耗能型伸臂桁架工程设计技术体系。

作者：唐兵传、刘界鹏　　 出处：《钢结构（中英文）》，2024, 39(10) 　　主题：介绍钢结构工厂预制、智能焊接、机器人切割、数字孪生、质量检测等智能制造技术现状与发展方向 期刊官方阅览链接：http://gjg.ic-mag.com/cn/article/doi/10.13206/j.gjgS24052122建筑工业化与智能建造政策驱动下，工厂预制加工已成为钢结构工程核心生产模式，传统依靠人工、单机离散作业的加工模式存在精度不稳定、生产效率偏低、质量追溯困难、数字化程度不足等短板。本文梳理国内钢结构制造行业自动化、数字化、智能化三阶段演进历程，系统拆解机器人数控切割、视觉智能焊接、一体化组焊矫产线、在线无损质量检测、BIM-MES 协同管控、数字孪生虚拟预拼装六大类核心智能制造装备与成套工艺；结合国内多条钢结构智能工厂示范产线实测数据，量化分析智能装备在加工精度、材料利用率、生产周期、焊缝一次合格率、人力成本等维度的提升效果；针对现阶段中小钢构企业智能化改造成本高、软硬件数据互通壁垒、复杂异形构件智能加工适配性差、全流程数字孪生落地难度大等行业痛点开展成因剖析；面向标准化厂房、模块化箱体、超高层巨型钢构件、大跨度空间桁架四类主流钢结构产品，分场景给出差异化智能化升级实施路径，预判多机协同机器人、AI 质量自检测、全生命周期数字孪生、低碳绿色智造四大未来技术发展方向。全文形成完整钢结构智能制造技术体系框架，可为钢结构加工厂智能化改造、智能建造专项标准编制、钢结构数字化生产落地提供理论支撑与工程实践参考。一、研究背景与行业发展阶段划分国家大力推进智能建造与建筑工业化协同发展，钢结构 80% 以上构件可在工厂完成预制加工，是落地智能制造的最优建筑结构形式之一。国内钢结构制造发展分为三个清晰阶段：单机自动化阶段：仅实现数控切割、平面钻等单一设备自动化，设备相互独立，无数据互通，仍依赖人工转运、人工录入生产信息；数字化流水线阶段：搭建 H 型钢、箱型柱专用自动化产线，实现下料、组立、焊接、矫正、抛丸连续作业，配套 MES 生产管理系统，基础生产数据可线上留存；全流程智能制造阶段：融合机器人视觉、物联网采集、BIM 模型驱动、数字孪生仿真，实现从深化设计、排产加工、在线质检到虚拟预拼装的全链路数字化闭环。当前头部钢构企业已进入智能制造阶段，但大量中小型加工厂仍停留在单机自动化水平，行业智能化发展不均衡。传统人工加工模式存在多重短板：人工下料套料钢材损耗高、手工焊接焊缝质量离散、构件尺寸偏差易造成现场拼装返工、各工序生产数据碎片化，无法实现全过程质量追溯，难以适配轻量化、高精度、低碳化钢结构发展需求。基于产业转型刚需，论文系统梳理现有智能加工核心技术，剖析行业瓶颈并指明技术迭代方向。二、钢结构工厂预制核心智能制造关键技术（一）机器人数控精密切割下料技术传统火焰切割热影响区大、尺寸误差高，智能制造全面普及光纤激光切割、等离子数控切割与三维管材机器人切割成套设备：BIM 模型直接输出数控加工代码，无需人工二次转化图纸，规避录入误差；AI 智能套料算法自动排布钢板切割路径，钢材综合利用率提升 10%~15%；六轴机器人搭载多功能切割头，可完成方管、圆管、异形相贯节点一体化切割，孔位、坡口尺寸精度控制在 ±0.2mm 以内；切割全过程实时采集设备功率、切割速度数据，系统自动预警板材厚度偏差、设备损耗问题，保障批量构件尺寸统一。（二）视觉跟踪智能焊接机器人成套技术焊接是钢结构加工质量控制核心工序，智能焊接技术替代传统人工焊，形成标准化无人焊接工作站：搭载 3D 激光视觉跟踪系统，焊接过程自动识别焊缝间隙、坡口偏移，实时调整焊接行走轨迹与热输入参数，无需人工预先精准定位工件；分为地轨式 H 型钢焊接机器人、箱型柱内部狭小空间爬行焊接机器人、模块化箱体多关节柔性焊接机器人三类，适配不同构件截面；实测数据显示，机器人焊接一次探伤合格率可达 98% 以上，生产效率为人工焊接 3~4 倍，焊缝成型均匀，残余应力波动范围更小，大幅降低后续矫正工作量。（三）一体化组焊矫全自动流水线针对 H 型钢、箱型柱标准化构件开发连续式智能产线，整合组立、埋弧焊接、机械矫正、翻面转运全部工序，全程仅需 2~3 名值守人员即可实现 24 小时不间断生产：构件上料后自动对齐定位，无需人工夹具固定；焊接完成即时热矫正，规避冷却后变形量大、二次矫正损耗钢材问题；产线搭载物联网传感器，实时采集焊接电流、矫正压力、构件尺寸数据，同步上传至生产管理平台，实现每根构件加工参数可追溯；相比分段离散加工，综合生产周期缩短 20% 以上，大幅减少车间内部构件转运人工与场地占用。（四）在线智能化无损质量检测技术打破传统成品离线抽检模式，实现加工工序同步在线质量检测，提前拦截缺陷构件：视觉外观检测：AI 工业相机自动识别焊缝气孔、夹渣、咬边、尺寸超差等表观缺陷，识别速度远高于人工目视检查；自动化超声探伤设备：机器人搭载超声探头，沿焊缝自动行走扫描，精准捕捉内部裂纹、未焊透等隐蔽损伤，检测数据自动归档绑定构件唯一编码；三维激光扫描尺寸复检：构件加工完成后自动扫描实体轮廓，与 BIM 理论模型比对，自动判定尺寸偏差是否超出规范允许范围。（五）BIM 与 MES 一体化协同数字管控技术打通设计模型与车间生产的数据壁垒，构建数字化协同管理底座：Tekla 等钢结构深化 BIM 模型一键导出构件清单、加工工艺、NC 切割代码，直接下发车间设备，实现 “模型即生产图纸”；MES 制造执行系统统筹车间排产、物料仓储、设备运维、人员排班、质量台账；依托 RFID 一物一码，钢材原料、半成品、成品全流程扫码追溯；设备运行数据、质检结果、生产进度实时可视化展示，系统自动预警工期滞后、设备故障、原材料短缺等问题，辅助管理人员动态调整生产计划。（六）数字孪生与虚拟预拼装技术依托实体车间、构件建立 1:1 数字孪生模型，实现虚实同步管控与前置校验：虚拟预拼装：构件加工完成后，三维激光扫描采集实体点云，在数字孪生平台与理论 BIM 模型匹配比对，提前识别尺寸偏差、拼接干涉问题，全部在工厂整改完毕后再发货，大幅降低现场拼装返工率；车间数字孪生可视化：实时同步产线设备运行状态、构件加工进度、能耗、碳排放数据，实现车间透明化远程管控；复杂节点、大跨度桁架加工前在孪生平台开展工艺仿真，预判焊接变形、加工干涉，优化加工工艺方案。三、智能工厂工程应用成效量化对比论文选取标准化 H 型钢生产线、模块化箱体智能车间两类示范项目，对比传统人工加工模式与智能制造方案核心指标差异：加工精度：构件尺寸偏差由人工加工 ±2~5mm 缩小至智能加工 ±0.5mm 以内，现场高强螺栓免扩孔安装比例显著提升；材料利用：AI 智能套料搭配精密激光切割，钢材损耗率由 8%~12% 下降至 3%~5%；生产效率：同等产能下车间人力投入减少 60%~70%，单批次构件加工周期缩短 15%~25%；质量稳定性：焊缝一次探伤合格率由人工 75% 提升至机器人 98% 以上，构件返工率下降 80%；数字化管控：全部构件加工、质检、流转数据线上留存，完整支撑后期运维阶段结构溯源与检修工作。四、当前钢结构智能制造行业现存核心痛点智能化改造成本门槛高：全套机器人、数字孪生、MES 系统前期设备与软件投入大，中小钢构企业资金压力突出，普及速度受限；软硬件数据互通存在壁垒：不同品牌切割、焊接设备、BIM 软件、MES 管理系统数据格式不兼容，模型、加工参数跨平台转换易丢失信息，难以实现真正全链路打通；异形复杂构件适配不足：现有智能产线多针对 H 型钢、箱型柱等标准构件优化，空间曲面桁架、不规则异形节点自动化加工配套装备少，仍依赖人工辅助；数字孪生落地浅层化：多数企业仅实现车间可视化展示，未能将仿真工艺、加工实测数据双向闭环修正，虚拟模型与实体生产联动深度不足；复合型技术人才短缺：同时掌握钢结构深化设计、智能设备操作、数字化平台运维的技术人员缺口大，制约智能产线效能充分释放。五、不同业态钢结构差异化智能化升级路径标准化厂房、高层住宅轧制型钢构件：优先落地全自动组焊矫流水线、激光切割下料，轻量化 MES 管理系统，投入适中、回报周期短，适合中小型钢构厂分步改造；模块化钢混箱体建筑：配套多关节柔性焊接机器人、一体化集成装配工位、箱体整体虚拟预孪生校验系统，实现结构、围护、机电一体化预制；超高层巨型钢柱、伸臂桁架：增设爬行式内部焊接机器人、大型构件全自动探伤设备，搭建大构件专用数字孪生仿真平台，提前模拟复杂节点加工变形；大跨度空间场馆异形钢结构：配置多轴联动相贯切割机器人、移动式柔性焊接工作站，搭配三维扫描全尺寸复检，适配非标异形构件小批量定制生产。六、钢结构智能制造未来技术发展趋势多机协同自主机器人集群：车间内切割、转运、焊接、探伤机器人自主调度协同作业，无需人工介入调度，实现少人、黑灯连续生产；AI 全流程自主质量管控：依靠深度学习算法自动优化切割、焊接工艺参数，实时识别、修复加工缺陷，实现加工 - 质检一体化自主闭环；全生命周期深度数字孪生：整合冶炼原料、工厂加工、现场安装、运维监测全阶段数据，建立完整构件数字档案，支撑震后损伤评估、建筑改造、钢材循环回收；低碳绿色一体化智造：同步配套车间能耗、碳足迹实时监测系统，智能优化下料、焊接工艺降低能源与钢材消耗，实现加工阶段减碳；轻量化低成本智能成套装备：推出模块化、经济型小型机器人工作站与轻量化 MES 云端管理平台，降低中小企业智能化改造门槛，推动行业整体数字化升级。七、论文核心研究结论与工程产业价值国内钢结构制造已经历单机自动化、数字化流水线阶段，正向全流程智能制造转型；数控切割、视觉智能焊接、一体化产线、在线质检、BIM-MES 协同、数字孪生六大技术构成智能制造完整技术体系，可同步提升加工精度、生产效率与成品质量；工程实测证明，智能制造模式能够显著降低钢材损耗、人力投入与现场拼装返工量，构件加工全过程数据可追溯，契合建筑工业化、低碳建造、韧性建筑发展要求；行业智能化转型受改造成本、软硬件互通、异形构件适配、专业人才多重因素制约，需根据厂房、模块化箱体、超高层巨型构件、大跨度场馆等不同产品分类分步实施升级；多机协同机器人、AI 自主质检、全生命周期数字孪生、低碳绿色智造是行业核心发展方向；本文梳理的成套智能加工工艺、分场景改造方案，可为钢结构加工厂智能化升级、智能建造相关行业标准编制提供完整理论与工程实践依据。

作者：王广勇，李启棣　　 出处：《消防科学与技术》，2021，40 (08) 　　主题：超薄型防火涂料、耐火极限、环保性能 钢材自身导热系数高、高温下强度与刚度衰减速度快，火灾作用下无防火保护的钢结构极易快速发生整体失稳坍塌，防火涂料是现阶段钢结构最主流、经济性最优的被动防火防护手段。本文围绕市场主流超薄型、薄涂型、厚涂型三类钢结构防火涂料展开系统性对比试验，重点针对应用最广泛的超薄型防火涂料开展耐火极限、受热膨胀发泡、粘结强度、耐候耐久、挥发性有害物质五大维度性能测试；通过标准耐火炉试验量化涂料干膜厚度与构件耐火时长的对应关系，分析基材截面尺寸、施工厚度、环境温湿度对防火隔热效果的影响规律；系统梳理各类涂料在厂房、高层公建、室外露天钢结构场景的适配边界，剖析超薄型涂料存在高温发泡层易开裂脱落、长期户外耐候性不足、传统配方 VOC 含量偏高等行业痛点；从原材料配方优化、配套施工工艺、成品质量检测、现场养护管控四个层面提出成套改进技术方案，同步建立兼顾防火效能与低碳环保的涂料综合评价指标体系。研究成果可为钢结构防火涂料选型、现场涂装施工管控、消防专项验收、低 VOC 环保防火材料研发提供完整试验数据与技术指导依据。一、研究背景与研究意义钢结构自重轻、装配速度快，但耐火短板十分突出：500℃环境下钢材屈服强度会下降至常温状态的一半左右，短时间高温灼烧即可引发梁柱、支撑整体屈曲垮塌，给人员疏散与灾后救援带来巨大安全隐患。涂刷防火涂料能够在钢构件表面形成隔热保护层，阻隔火焰与高温传递，延长结构耐火时长，是规范强制要求的防火防护措施。当前工程中超薄型防火涂料凭借涂层薄、装饰效果好、施工便捷的优势，在室内写字楼、商业综合体、装配式住宅中大规模普及，但行业应用存在诸多乱象：部分项目盲目选用超薄涂料用于大跨度承重构件、户外露天支架；施工厚度管控不严导致实际耐火极限不满足设计要求；传统油性超薄涂料挥发性有机污染物排放量大，不符合绿色建筑环保标准；不同温湿度养护条件下涂料发泡完整性、粘结强度差异显著，缺少统一的现场管控细则。现有研究多单一聚焦耐火性能检测，缺少结合环保指标、户外耐久、全流程施工工艺的综合分析，基于该工程需求，论文对比三类防火涂料综合性能，重点深挖超薄型涂料优缺点，形成完整选型与施工应用技术体系。二、钢结构防火涂料分类及基础防火机理（一）三类主流钢结构防火涂料划分厚涂型防火涂料干膜厚度 7～45mm，以无机轻质骨料为主要原料，依靠厚层实体隔热实现防火，发泡效果微弱，耐火极限可达到 3h 以上，多用于厂房承重钢柱、大跨度桁架等高耐火需求室内外构件；缺点是涂层厚重，装饰外观较差。薄涂型防火涂料干膜厚度 3～7mm，受热后轻微发泡膨胀，兼顾一定装饰性与中等耐火时长，常用于多层工业车间、设备平台钢结构。超薄型防火涂料干膜厚度≤3mm，为本次研究核心对象，多为有机膨胀型配方；常温下涂层轻薄平整，兼具装饰效果；高温触发膨胀阻燃体系，瞬间生成致密蜂窝状炭化隔热层，隔绝热传导，室内环境耐火极限最高可达 2h，是民用建筑内部钢结构首选材料。（二）超薄型涂料防火核心机理涂料内部嵌入脱水催化剂、成炭剂、发泡剂复合体系：火灾升温时，发泡剂分解释放惰性气体推动涂层膨胀数十倍；脱水剂促使树脂基体脱水碳化，形成致密低导热炭层，阻断高温向钢材基材传导，延缓钢材温度上升速度，以此延长钢结构耐火时间。炭层完整性、粘结牢固度直接决定整体防火效能，若炭层开裂、脱落，隔热防护作用会大幅衰减。三、超薄型防火涂料关键性能试验与结果分析（一）耐火极限与干膜厚度匹配试验依托标准垂直耐火试验炉开展多组试件测试，采用不同厚度超薄涂料包覆 H 型钢构件，记录钢材温度达到 550℃临界失效温度的时长：干膜厚度 0.8mm：耐火极限仅 0.5h，仅适用于次要围护钢构件；干膜厚度 1.5mm：耐火极限约 1.0h，适配普通多层办公建筑梁、柱；干膜厚度 2.5～3mm：耐火极限可达 1.8～2.0h，满足高层核心承重构件防火设计要求。试验证实超薄涂料耐火时长与涂层厚度呈正相关，现场偷工减料减少涂刷厚度会直接造成防火不达标。同时钢构件截面系数越大（薄壁小型型钢），同等涂料厚度下耐火时长越低，薄壁钢梁需适当加厚涂层。（二）发泡炭层与粘结耐久性能理想状态下炭层均匀连续、无贯通裂缝，与钢材基底粘结牢固；低温、高湿环境施工的涂层受热后易出现炭层空鼓、片状脱落，隔热能力大幅下降；户外无遮蔽环境长期日晒雨淋后，超薄涂料表层易粉化、开裂，雨水渗入会破坏内部发泡体系，因此超薄型涂料仅推荐室内使用，露天钢结构优先选用厚涂型产品。（三）环保性能检测对比传统溶剂型超薄防火涂料 VOC 数值高，施工阶段刺激性气味大，不符合室内绿色建筑评价标准；新型水性超薄涂料大幅降低挥发性有害物质排放，但低温施工成膜难度提升，对现场养护温度提出更高要求。论文量化对比溶剂型、水性两类涂料的甲醛、苯系物、VOC 释放量，明确水性配方环保优势。（四）耐候、耐湿热性能长期湿热环境（地下车库、潮湿厂房）中，超薄涂料易出现起皮、脱粘；厚涂无机涂料耐湿热、抗老化性能显著优于超薄有机涂料，高湿度场所需谨慎选用超薄型产品。四、不同场景钢结构涂料选型适配方案高层写字楼、装配式钢结构住宅（室内干燥环境）：优先选用水性超薄型防火涂料，平衡装饰外观、防火性能与室内环保需求；承重梁柱严格按照耐火要求控制干膜厚度，分多道分层喷涂，单次薄涂避免流挂。工业厂房、大跨度会展场馆、重型桁架：耐火极限需求超过 2h 时选用厚涂型防火涂料；室内中等耐火需求可采用薄涂型涂料，降低施工造价。光伏支架、室外天桥、露天设备钢结构：严禁使用超薄型涂料，选用耐候改性厚涂防火涂料，配套户外防腐底漆，抵御日晒、雨水、冻融循环侵蚀。地下车库、潮湿地下室钢结构：选用防潮改性薄涂或厚涂涂料，施工前做好钢材除锈、封闭底漆工序，隔绝水汽腐蚀基材与防火涂层。五、超薄型防火涂料现存应用技术难题耐火性能受施工厚度影响极大，现场喷涂厚度人工管控难度高，容易出现局部涂层偏薄；环境适配性差，低温、高湿、露天场景下发泡、粘结性能大幅衰减，适用场景受限；传统油性涂料环保指标不达标，水性配方施工工艺门槛更高，低温施工易出现成膜缺陷；火灾高温下炭层抗裂、抗剥落能力不足，受火焰长时间冲刷后防护效果快速衰减；基层预处理不到位（除锈等级不足、油污残留）会大幅降低涂料与钢材粘结强度，后期大面积脱落失效。六、优化改进配套应用技术（一）原材料配方优化方向推广低 VOC 水性膨胀体系，减少有机溶剂添加，适配室内绿色建筑；引入柔性成炭助剂，提升高温炭层抗开裂、抗冲刷能力，延长耐火稳定时长；添加抗紫外线、防潮改性组分，适度改善超薄涂料耐候性能，拓展潮湿室内场景适用范围。（二）现场标准化施工管控工艺基层预处理：钢材除锈等级达标，清除表面油污、浮尘，配套防锈封闭底漆；分层喷涂工艺：超薄涂料分 2～4 道分次喷涂，单次涂层厚度不超过 1mm，待前一道完全干燥后再进行下一道施工，防止流挂、内部不干；温湿度养护管控：施工环境温度 5～35℃，相对湿度控制在 85% 以内，低温高湿环境采取加温、除湿养护措施；厚度全过程检测：采用针式测厚仪多点抽样检测，梁柱节点、腹板等隐蔽部位重点核查，确保整体厚度满足设计耐火要求。（三）成品质量验收检测要点现场验收除核查涂层厚度外，增加粘结强度拉拔试验、局部小火发泡验证抽检，直观判断涂料防火发泡体系是否完好，规避劣质涂料投入使用。七、论文核心研究结论与工程应用价值厚涂、薄涂、超薄型三类钢结构防火涂料防火机理、适用场景差异明显：超薄型涂料装饰效果优良，适合干燥室内民用建筑，但耐火极限上限、户外耐候性能存在短板；厚涂型涂料隔热耐久能力突出，适配高耐火、露天、潮湿工业钢结构。超薄型防火涂料耐火极限与干膜厚度、构件截面系数强相关，施工厚度不足、养护环境恶劣会直接造成火灾防护失效，现场分层喷涂、多点厚度检测是质量管控核心手段。水性超薄涂料相较传统溶剂型产品环保优势显著，可大幅降低室内挥发性污染物排放，是绿色钢结构建筑防火防护主流发展方向，但需配套适配温湿度施工养护措施。工程选型需结合建筑耐火等级、室内外环境、空间装饰要求综合判定，露天、潮湿、高耐火极限场景不宜采用超薄型防火涂料，避免后期防护层失效。文中完整的耐火试验数据、分场景选型方案、标准化施工与验收管控细则，可为钢结构防火设计、现场涂装施工、消防竣工验收、环保型防火涂料研发提供系统化技术参考。

作者：陈建兴、周建龙、汪大绥、包联进　　 出处：《建筑结构》，2022，52 (09) 　　主题：巨型框架 — 核心筒、伸臂桁架、风荷载、剪重比 大连绿地中心是高度 518m 的滨海超高层综合体，主体结构有效高度 400.8m，上部搭配 117m 高耸镂空塔冠，场地地处沿海强风区域，风荷载与塔冠鞭梢效应成为结构设计核心控制因素。结合建筑三角形切角平面形态、办公酒店复合功能需求，本项目选用巨型框架支撑 - 钢筋混凝土核心筒 + 多道伸臂桁架复合抗侧体系，形成内外双重受力防线。本文依托刚性模型同步开展多工况风洞试验，量化分析建筑切角体型、塔冠表皮开孔对整体风荷载、顶部振动加速度的优化削弱效果；通过多组数值模型对比环形桁架、竖向巨型支撑、伸臂桁架对结构整体抗侧刚度、内外筒剪力分配比例的影响规律，确定最优竖向加强构件布置方案；针对塔楼中高区酒店客房无大柱空间需求，对比多种楼面结构布置方案，选定适配居住功能的密柱深梁楼盖体系；结合本工程长周期、二类场地特征，深入探讨超高层剪重比的合理判定标准与提升优化手段；同步完成多遇地震弹性整体计算与罕遇地震动力弹塑性时程分析，设定分级抗震性能目标并对巨柱、核心筒、伸臂桁架等关键构件实施构造加强。全套验算结果显示，建筑层间位移、扭转效应、构件损伤演化、风振舒适度等全部指标均满足超限高层建筑规范要求，整套结构设计思路可为滨海大风区带高耸塔冠的巨型框架 - 核心筒超高层项目提供成套设计参考。一、工程概况与核心设计难点项目坐落于大连东港商务区，总建筑面积近 30 万㎡，由 83 层主塔楼、4 层商业裙房与地下 5 层车库组成，塔楼集甲级办公、高端酒店、配套公寓功能于一体，裙房与塔楼设置抗震缝完全脱开。建筑与荷载条件：塔楼平面为渐变切角等边三角形，底部平面尺度大，向顶部持续收分；场地沿海 A 类地面粗糙度，基本风压 0.65kN/m²，高耸镂空塔冠放大风振效应，属于典型风控型超高层；抗震设防烈度 7 度乙类重点设防建筑，场地 Ⅱ 类、特征周期 0.4s，地震动峰值为规范标准值 1.3 倍。核心设计难点（1）风荷载控制难题：高耸塔冠产生显著鞭梢效应，顶部风振加速度极易超出办公、酒店舒适度限值，需通过建筑造型与结构构件双重优化降低风效应；（2）长周期剪重比短板：场地特征周期偏小，超高层自振周期长，常规地震剪力偏小，存在剪重比不满足规范下限的风险；（3）功能与结构平衡矛盾：酒店区段要求室内无外露大尺寸巨柱，大跨度楼面需兼顾刚度、层高与居住空间；（4）偏心与刚度协同：三角形平面易引发扭转效应，需依靠巨型外环桁架、伸臂桁架均衡内外结构剪力与倾覆力矩。二、整体复合抗侧结构体系布置（一）六边形型钢混凝土核心筒核心筒沿建筑全高贯通，平面呈六边形，长边尺寸 29m，承担主要水平剪力与倾覆弯矩：墙体厚度沿高度梯度递减，底部外围墙肢 1400mm，高区缩减至 400mm；中部内墙 800~600mm；底部至 28 层外墙内置钢板形成钢板 - 混凝土组合剪力墙，28 层以上墙体配置型钢暗柱，提升墙体延性与抗剪承载力；混凝土强度底部 C60，高区逐步下调至 C50，兼顾竖向承压与自重控制。（二）巨型框架支撑外体系外围设置 6 根型钢混凝土巨型柱，含钢率 4%~5%，底部截面面积约 19㎡，沿建筑高度向内均匀收分，顶部截面缩减至 8㎡；竖向均匀布置 6 道闭合环形桁架，将分散巨柱连成整体外环，承担竖向转换荷载并大幅提升结构抗扭刚度；为提高外框分担地震剪力比例、改善剪重比，在塔楼中上部增设竖向巨型钢斜支撑，与环桁架、巨柱形成完整巨型受力外环，分担核心筒受力压力。（三）多道伸臂桁架加强层体系利用设备避难层设置多层伸臂桁架，桁架两端分别锚固于核心筒外墙与外围巨型柱，核心作用为传递整体倾覆力矩、协调内外结构协同变形，有效减小塔楼层间侧移；论文对比单道、多道桁架布置方案，确定竖向均匀分散布设的最优方案，同时对桁架与筒体连接节点开展局部有限元应力校核，增设暗柱、加厚配筋避免墙体局部承压破坏。（四）酒店区密柱深梁楼盖系统酒店楼层为满足客房规整、无粗大外露立柱的需求，摒弃大跨度主梁方案，采用密柱搭配深型钢梁组合楼盖；多组模型对比验证，该体系可减小梁高、释放室内净高，同时提升楼面竖向刚度，规避人行振动共振问题，适配酒店长期人居舒适度要求。三、风荷载专项风洞试验与优化措施本工程风荷载无法直接套用规范公式计算，开展刚性模型同步风洞测试，重点研究两项优化手段：建筑切角体型优化：三角形平面采用弧形切角替代直角轮廓，削弱边角气流分离效应，降低整体顺风向、横风向风力；塔冠表皮开孔降噪减振：在顶部镂空塔冠围护面板开设连续通风孔洞，贯通气流，大幅削减塔冠涡脱诱发的扭转风荷载与鞭梢振动加速度。试验数据显示，两项造型优化可降低塔楼基底总风荷载 12% 以上，顶层风振加速度控制在规范舒适限值以内，同时简化塔冠附属减振装置配置需求。四、剪重比专项分析与提升对策本工程存在长周期 + 短特征周期组合特征，多遇地震下楼层计算剪力偏小，剪重比成为关键控制难点：机理分析：场地特征周期 0.4s，塔楼自振周期远大于场地特征周期，反应谱曲线长周期段快速下降，导致计算基底剪力偏低；系统化提升措施：增设外围巨型竖向支撑、增加环带桁架截面刚度、适度提高核心筒底部墙体配筋与型钢配置、优化伸臂桁架竖向布置高度，多重手段同步提升外框与筒体整体抗侧刚度，抬高地震楼层剪力；超限判定结论：经全国超限高层建筑评审专家论证，结合本项目长周期风控结构特征，可对剪重比控制标准适度放宽，同步通过提高关键构件安全储备弥补地震剪力不足的风险。五、分级抗震性能目标与多阶段结构计算（一）分级抗震性能设定项目为乙类超限超高层，按三水准设定差异化性能目标：多遇地震：巨柱、核心筒、伸臂桁架、环桁架全部维持弹性，无塑性损伤，建筑正常使用不受影响；设防地震：仅次要楼面梁、支撑腹杆出现轻微塑性，巨型竖向承重构件、筒体底部关键区域保持弹性，检修后即可恢复运营；罕遇地震：塑性损伤集中于次要耗能构件，巨柱、核心筒底部、伸臂主弦杆不发生严重破坏，满足 “大震不倒” 底线。（二）多软件弹性协同验算采用两套专业结构软件建立整体三维模型，互相校核层间位移角、扭转位移比、楼层剪力、倾覆力矩、内外筒剪力分配比例；针对长周期特征修正地震反应谱参数，精准核算地震作用效应，优化巨柱、桁架、筒体截面尺寸。（三）罕遇地震动力弹塑性时程分析选取多条天然地震波开展非线性时程模拟，完整捕捉罕遇地震下构件塑性发展顺序：塑性铰优先出现在次梁、次要支撑；巨型柱、核心筒底部、伸臂桁架关键杆件全程维持低损伤状态，结构无整体失稳、连续倒塌风险，预设抗震性能目标全部达成。六、论文核心研究结论与工程应用价值大连绿地中心采用巨型框架支撑 - 钢筋混凝土核心筒 + 多层伸臂桁架复合体系，搭配环形桁架与竖向巨型支撑，可同时解决滨海大风控变形、三角形平面扭转、长周期剪重比不足多重设计难题，是适配沿海高耸塔冠超高层的成熟结构方案；建筑弧形切角 + 塔冠表皮开孔的风洞优化策略，可显著降低整体风荷载与顶部鞭梢振动，无需额外增设大吨位调谐阻尼器即可满足人居舒适度要求，具备良好经济优势；针对长周期、短特征周期场地带来的剪重比短板，可通过增设外围巨型支撑、优化加强层布置提升结构整体刚度，结合超限专项评审适度放宽剪重比控制要求，配套加强关键构件安全储备；酒店区段密柱深梁楼盖体系，可平衡大跨度受力与室内空间需求，解决高层酒店外露巨柱影响使用体验的行业痛点；本文形成的风洞试验优化方法、巨型外环刚度调控手段、剪重比提升成套措施、弹塑性性能验算流程，可为国内沿海大风区、带高耸塔冠、平面不规则的巨型框架 - 核心筒超限超高层综合体提供标准化结构设计参考。