工程施工中大跨度钢结构施工技术

韩晓彤 孙乐健

摘 要：大跨度空间钢结构施工技术的新特点，给大跨度空间钢结构施工带来了机遇与挑战，促进了施工技术的革新。本文对工程施工中大跨度钢结构施工技术进行了探讨分析。

关键词：工程施工；大跨度；钢结构

引言：

目前大跨度空间结构主要被应用到机场建筑、会展中心、体育场馆、展览馆等大型公共建筑的屋盖结构中。各种类型的大跨度空间钢结构在美、日、欧、澳等发达国家发展很快，其跨度和规模越来越大，新材料和新技术的应用越来越广泛，结构形式越来越丰富。许多宏伟而富有特色的大跨度建筑已成为当地的象征性或标志性人文景观。

一、大跨度空间钢结构施工技术的新特点

一是大跨度空间结构跨度趋大化，空间结构形式多样化，施工技术复杂化，如“鸟巢”跨度296米，“水立方”跨度177米，广州国际会展中心跨度126.6米，南京奥体中心体育场跨度360米。

二是结构形式不再局限于采用传统的单一结构形式，新的结构形式和各种组合结构形式不断涌现，如“水立方”采用了基于泡沫理论的多面体空间刚架结构、“鸟巢”采用复杂扭曲空间桁架结构、奥运会羽毛球馆则采用世界跨度最大的弦支穹顶结构、广州国际会展中心采用了张弦桁架结构。

三是预应力作为一项新技术，得到充分应用，涌现了索穹顶、张拉整体结构和索膜结构等新型结构形式，如奥运会羽毛球馆（北京工业大学体育馆）采用了世界跨度最大的弦支穹顶结构、国家体育馆采用了世界跨度最大的双向张弦梁结构。在大跨度空间结构中引入现代预应力技术，不仅使结构体形更为丰富而且也使其先进性、合理性、经济性得到充分展示。通过适当配置拉索，使结构获得新的中间弹性支点或使结构产生与外载作用反向的内力和挠度而卸载，前者即为斜拉结构体系，后者则为预应力结构体系。这一类“杂交”结构体系改善了原结构的受力状态，降低内力峰值，增强结构刚度，技术经济效果明显提高。

四是现代空间钢结构大多采用仿生态建筑，为了满足建筑造型，采用了各种各样的节点形式，结构复杂、设计难度越来越大，如铸钢节点、锻钢节点、球铰节点等。构件数量和截面类型越来越多，深化设计难度越来越大。一般而言，这类大型工程都由几万个构件，甚至逾10万个构件组成，并且这些构件的截面形式尺寸和长度均不相同，这样给施工单位放样带来极大困难，对于有些弯扭构件，还需进行专门试验和研究才能完成。

五是构件加工难度大，加工精度要求高。这类工程都属于国家重点工程，工程质量要求相当高。只有提高构件加工精度，才能满足质量要求。并且大量焊缝要求一级焊缝标准，给施工带来极大难度。现场焊接工作量大，施工技术难度高。为保证施工精度，这些工程都需要进行预拼装，并且现场焊接工作量特别大。由于结构新、跨度大，为了保证经济、安全，都必须采用先进的施工技术才能顺利完成。

二、大跨度空间钢结构房屋施工控制

在大型的空间钢结构建造过程中，施工技术是非常关键的。制定合理的施工方案、科学的分析施工过程，才能保证房屋结构的安全和经济。现阶段，一些大型空间钢结构的施工，突破了传统的施工方法，向高科技领域不断迈进，使传统的施工技术面临着前所未有的挑战。科研、设计和施工单位应该共同合作，创造出更加科学、合理的施工技术。在研究、开发和创造过程中，应注意以下几个方面。

1、使用施工监测分系统

要分析施工过程中影响目标实现的因素，需要使用施工监测分系统进行检测。使用该系统可以监测施工过程中的相应参数，包括误差参数、状态参数和结构设计等，确保工程在合理的范围内。

施工监测不仅能对工程施工进行控制，而且能够确保在施工过程中结构的安全和标准。施工监测主要的工作是通过仪器仪表，测量构件的几何尺寸，材料的容重、弹性的模量，环境温度，以及施工阶段的变形、位移和应力等。施工监测的监测内容主要包括变形监测、应力监测。变形监测多采用测距仪、水准仪、全站仪、光电图像式挠度仪等，以对钢结构的关键节点进行监测。同时，对温度进行监测时，要注意应在构件或结构温度趋于稳定后方可进行，以免使结果产生的误差较大。应力监测采用电阻传感器和钢弦式传感器，电阻传感器使用不便、持久性差，只适用于较短时间的荷载增量应力测试。对于现场情况相对复杂、持续时间较长的监測，钢弦式传感器比较适合。

2、安装施工仿真技术

近些年来，大跨度空间钢结构施工的关键问题主要是仿真技术的应用。仿真技术可以模拟整个施工过程，了解施工过程的要点如构件受力情况，能够对施工中安全问题进行预测。在仿真工作中，需要把施工环节的安全因素考虑在内，以确保施工过程的顺利进行。采用仿真技术主要是仿真五个方面：第一是仿真大型构件的吊装过程；第二是仿真施工各个环节的具体工况；第三是仿真构件的预变形情况；第四是仿真构件的拼装过程；第五是仿真施工完成后相关部件的拆卸。在仿真技术应用过程中，对一些问题和施工过程中不太确定的环节要仔细分析，以便能够保证施工的准确度和安全性。

3、合理选用安装方法

构件的安装有很多方法可供选择，对于这些方法要仔细分析，有些可能适用，也可能只有某一个方法适用，这就需要工作人员做出准确的判断。在施工过程中只有对施工对象进行合理、科学的评估，才能够选取恰当的方法。常见的施工方法有高空散装法、高空滑移法、分条或分块安装法、整体提升法、整体吊装法、整体顶升法等六种，相对复杂的施工可以将两种或多种方法结合起来进行施工，必要的时候进行相应的创新，采用高空曲线滑移技术、网壳结构折叠展开式整体提升技术、滑架法施工技术和其它相关的技术，都可以使整个施工过程更加顺利的进行。

4、关于CAD设计和CAM制造技术的问题

CAD设计和CAM制造技术的采用，在很大程度上有助于大跨度空间钢结构的施工。CAD设计和CAM制造技术通过结合计算机的相关技术，可以进行三维实体建模，对施工过程各个环节进行高度模拟，进而能够对整个施工过程进行更好的控制。此外，CAD设计和CAM制造技术还可以大幅度提高施工工作效率，减少施工误差，对房屋施工的质量进行严格控制，从某种程度上讲，CAD设计和CAM制造技术对大跨度空间钢结构所起的作用是非常显著的。

结束语

随着建筑物的跨度和规模越来越大，必将进一步研制开发出适应我国大跨空间钢结构需要的新体系、新技术、新材料，更充分地体现大跨度空间结构的先进性、经济性与合理性，促使我国大跨空间钢结构更积极、健康发展，更好地为我国经济建设服务。

参考文献

[1]杜杨. 基于仿真分析的大跨斜拉索拱钢结构安装方法研究[D]东南大学，2016 .

[2]杜秀丽. 大跨钢结构合拢与卸载研究[D]太原理工大学，2017 .

[3]遇瑞，罗永峰. 大跨度空间钢结构整体吊装施工方法现状的研究[A]'2009全国钢结构学术年会论文集[C]，2015.

（作者单位：中通钢构股份有限公司）