大跨空间钢结构整体提升施工技术

2021-10-18李卫永

城市建筑空间 2021年7期

关键词：网壳网架体育馆

李卫永，赵鹏

（中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100176）

0 引言

随着经济发展，人们的生活质量和生活水平得到显著提升，同时人们对建筑要求也越来越高。大跨空间钢结构具有造型美观、形式多样等特点，深受广大设计师青睐，并被广泛应用于会展中心、体育馆、机场建筑及大型公共建筑。

1 大跨空间钢结构建筑分类

大跨空间钢结构形式多样，其中最具代表性的是奥运建筑，几乎所有的奥运建筑均采用大跨空间钢结构建造，同时奥运建筑也为大跨空间钢结构提供了实践机会和展示舞台，使大跨空间钢结构得到更好的发展。例如，1960年，罗马奥运会的大小体育馆均采用大跨空间钢结构中的装配现浇式钢筋混凝土薄壳结构；1964年，东京奥运会场地东京代代木国立体育中心采用大跨空间钢结构中的张拉结构；1980年，莫斯科奥运会场地莫斯科中央红军之家综合体育馆采用大跨度空间桁架网架结构；1992年，巴塞罗那奥运会场地巴塞罗那圣乔地体育馆则采用的是大跨度空间网壳结构。大跨度结构建筑指的是横向跨度超过30m的空间建筑，大跨空间钢结构具体可分为以下4类：①实体结构包括折板结构和薄壳结构；②网格结构包括网壳结构和网架结构；③张拉结构包括膜结构和悬架结构；④其他新型大跨空间结构包括开合屋盖结构、张弦结构、折叠式结构及整体张拉预应力拱架结构。

1.1 网架结构

网架结构是指用多根杆件按照网格形式进行连接所形成的空间结构。网架结构具有质量轻、刚度大、抗震性良好及空间受力等特点，广泛应用于俱乐部、会议厅、候车厅、展览馆和体育馆等屋盖结构[1]。而且网架结构具有外形美观、工业化程度高和稳定性良好等特点。但也具有杆件数量较多、安装较复杂的缺点。

1.2 网壳结构

网壳结构指的是一种与平板网架较相似的空间杆系结构，主要以杆件为基础，并按照相关规律组成网格，根据壳体结构所布置而成的空间构架，网格具有壳体和杆系的双重性质。网壳结构最主要的特点是能通过壳内2个方向的压力和拉力逐点传力[2]。我国北京奥林匹克体育中心综合体育馆于1989年建成，体育馆平面尺寸为83m×70m，所采用的是人字形截面双层圆柱面斜拉网壳，这也是当前我国跨度最大的网壳结构，1989年，我国还建立了濮阳中原化肥尿素散装库，截平面尺寸为153m×85m，所采用的是双层正放四角锥圆柱面网壳，是当前我国覆盖面积最大的网壳结构建筑。我国郑州体育馆于1967年建成，平面直径64m，高9.14m，采用内环形穹顶网壳，是我国跨度最大的单层球面网壳。

1.3 悬索结构

我国悬索结构的典型建筑为北京工人体育馆，悬索结构是由柔性拉索和一些边缘构件所组成的承重结构[3]，可运用钢丝绳、链、圆钢、钢丝束及其他受拉性能良好的材料作为悬索材料。悬索结构能将高强材料的抗拉性能充分发挥出来，而且具有省材料、施工简洁和跨度大等特点。悬索结构的应用起源于古代的竹和藤等材料所制作的吊桥。近年来，悬索结构除应用于大跨度桥梁工程以外，还会在展览馆、飞机场、仓库和体育馆等领域应用。

2 大跨空间钢结构特点

1）大跨空间钢结构形式多样，而且施工技术极其复杂，例如，广州国际会展中心跨度126.6m，国家游泳中心跨度为177m，国家体育场跨度为296m，而南京奥体中心体育场跨度为360m。

2）大跨空间钢结构与传统的结构形式存在一定差异，不再采用单一的结构形式，而是不断涌现出各种组合和新的结构形式。例如，鸟巢采用极其复杂的扭曲空间桁架结构，广州国际会展中心采用张弦桁架结构。

3）在大跨空间钢结构中，预应力虽然是一种新技术，但得到广泛应用，这一技术的应用逐渐形成诸多新型结构形式，如索膜结构、张拉整体结构及索穹顶等。我国国家体育馆所采用的就是双向张弦梁结构，而奥运会羽毛球馆所采用的是弦支穹顶结构[4]。将预应力应用于大跨空间钢结构当中，不仅能使整体结构更加科学合理，而且能有效降低成本。应用预应力对大跨空间钢结构进行改善，能降低内力峰值，提高结构刚度，同时能有效提高建筑质量和建筑效果。

4）在大跨空间钢结构中，由于施工难度较大，而且对精度要求较高，所以这类工程大部分属于国家重点工程，对于工程质量和效率要求极高。所以需有效提高加工精度，以更好地满足质量要求。很多焊缝需保证一级焊缝标准，这给建筑工程施工带来较大困难，施工量较大，而且技术难度极高，所以为提高工程质量，需对工程进行预拼装。

3 大跨空间钢结构整体施工关键技术

3.1 高空滑移法

高空滑移法是指网架单元在预先设置好的滑轨上进行移动至设计好的位置，最终拼接成一个整体。此网架单元可事先在地面拼接，然后再用起重机吊到支架上[5]。如果没有充足的设备或受其他因素限制，也可先拼接一些小的散件，然后在空中将其拼成条状单元。高空支架一般会设置在建筑物的一端，在滑移过程中，网架的吊装单元由一端滑向另一端。高空滑移法可分为单条滑移法和逐条累积滑移法2种。

3.2 高空散装法

高空散装法是指将全部节点和杆件在空中拼装成一个整体。高空散装法分为悬挑法和全支架法，悬挑法多用于高空总拼，全支架法一般应用于散件拼接。这种施工模式较简单，虽然工作效率较低，但安全性极高。高空散装法适用于非焊接的各种网架屋盖，不需要应用较大的起重设备，同时能确保工程质量。

3.3 分条分块安装法

分条分块安装法是指将网架呈现块状单元或条状单元，再分别由起重机将其搁置于高空中所设计的位置，然后进行拼接[6]。这一方法中的拼装和焊接工作大部分在地面进行，能有效提高工程效率和质量，还可节省较多的拼装支架。而且由于分条单元或分块单元的重量和起重机设备相适应，所以可运用起重机设备吊装网架，能有效节省成本。这种方法适用于中小型网架结构，但仍有一定的高空作业量。

3.4 整体提升法

整体提升法是指在结构柱上对提升设备和提升网架进行安装。整体提升法可分为滑模提升法和单独提升法等，整体提升法属于一种新型的网架结构方法，而且更适用于小型设备安装。

3.5 整体顶升法

整体顶升法是指在结构点下安装千斤顶，安装结束后逐渐将结构顶升到相应的位置上。整体顶升法和整体提升法存在一定的相似之处，二者最大的区别在于提升设备和位置不同，整体顶升法的支点在下面，而整体提升法的支点在上面，二者之间的作用原理相反。采用整体提升法时，只需将提升设备垂直安装就能有效将网架上升。在应用整体顶升法时，如果没有导向措施，则有可能发生偏转情况。二者的共同特点是在安装过程中无法移动或转动。

3.6 整体吊装法

整体吊装法是指在地面上将网架拼成整体，再用相应的起重设备将钢结构构件提升到设计位置。在采用整体吊装法安装空间钢结构时，可在场外进行总拼或在柱错位处进行总拼，这种方法更适用于焊接连接网架，这样能使焊接质量得到有效提升，还能确保焊接位置的准确性。这方法最大的缺点就是需要较大的起重设施，而且对停机点有一定要求，这会使整个工程受到一定影响，更适用于小跨度或中跨度的空间结构。

3.7 移动支架安装法

移动支架安装法是指在可移动的支架上进行安装，对已安装好的结构部分可设置固定的临时支撑以控制变位，在结构安装结束后再将临时支撑撤去。虽然移动支架安装的稳定性要低于固定支架，但移动支架使用较少的支撑脚手架，能在很大程度上节约劳动力，同时能加快施工进度，而且不需要大型起重机，施工方法较为简单，可有效降低施工成本。