大跨度复杂钢结构施工过程中的技术问题

2022-06-29中国建筑第五工程局有限公司项目经理工程师

中国建筑装饰装修 2022年10期

徐胜中国建筑第五工程局有限公司项目经理，工程师

林禄桐中国建筑第五工程局有限公司

付宏举中国建筑第五工程局有限公司

庄儒辉中国建筑第五工程局有限公司

对设计人员来说，不仅要保证整个大跨度复杂钢结构的设计刚度及承载力满足规范要求，还应对整个项目的成形过程进行相应分析，实现以结构工程有效性为主的相关施工技术平衡思想。对工程技术人员而言，应全面掌握设计现状，并根据施工技术和程序的规定，按时对相关的安装结构进行安全检查，确保工程的总体设计状况达到最佳。本文结合目前的技术优势，针对我国大跨度复杂钢结构工程的特点，对其施工技术的有效性进行了分析，从现代施工技术的要求进行阐述。

1 大跨度复杂钢结构的特征

1.1 大跨度复杂钢结构向多元化发展

目前，我国大跨度复杂钢结构已从传统的单一化转向多样化、复杂化，并提出了许多新型的钢结构。例如，北京奥林匹克体育馆“鸟巢”采用了弯曲的网状结构，结构更加复杂。

1.2 跨度、等级、厚度与结构的复杂性保持一致

考虑到结构的重要性，大跨度复杂钢结构的设计长度必须与重力荷载有关，这样才能保证结构的稳定性，避免结构在承受荷载过高时出现裂缝，特别是一些大型建筑。为了满足相关要求，钢结构的跨度需要随着结构长度及承载力的提升而增大，进而保证其能够与空间结构承重数据保持一致，以更好地提供支撑。例如，我国在鸟巢体育场施工时，采用的钢板厚度最小也超过了100 mm，而实际结构的平均跨度都超过290 m，Q420C、Q390C、Q46QE 等钢结构在鸟巢体育馆建设方面应用广泛，有效提高了基础结构的承压能力，使其受力平衡，可与结构空间复杂度相适应[1]。

1.3 大跨度复杂钢结构节点的多样化

大跨度复杂钢结构节点的多样性运用降低了仿生施工难度，并通过对自然要素的模仿来实现建筑的功能，提高了建筑的使用安全性和舒适性。在这一过程中，对大跨度复杂钢结构的需求不断提高，既要能有效地承受各种节点的荷载，又要提高工程的实际使用效益，使铸钢节点等不出现质量问题，确保建筑节点多元化应用能够发挥良好的实际效果。

1.4 构件数量、截面类型与设计困难成正比关系

随着现代建筑的发展，大跨度复杂钢结构材料的应用越来越复杂，钢结构的建造越来越多，不同的截面形式也越来越多，这就导致了钢结构的应用难度越来越大。如果一个细节上出现了问题，或者是其他的质量问题，都会对整个建筑产生很大的影响。这时，有关技术人员就必须对钢结构的弯曲和扭转进行及时研究，以保证结构的准确和质量，从根本上解决设计困难和构件多等问题[2]。

1.5 零件加工困难

在这种情况下，任何一个结构上的错误都会导致工程质量的下降，从而在后续的应用中出现安全问题，特别是在钢结构焊缝上，微小的偏差就会对钢结构的整体运用效益及承压能力造成重大影响，对此要根据不同的钢结构等级作好钢结构计算，并将钢结构焊缝数据控制在合理范围内，从而提高建筑结构整体精度。

1.6 焊接作业繁重

焊接是钢结构应用中的一项重要工作内容，需要熟练的焊接技术，以有效解决各种结构的焊接问题，提高钢结构的焊接精度，满足钢结构的焊接规范，防止因焊接误差和施工技术问题造成钢结构的使用质量问题，进而影响到大跨度复杂钢结构的高效应用[3]。

2 大跨度复杂钢结构的施工技术探讨

2.1 施工技术的仿真计算

在项目实施期间，施工团队要对全过程进行跟踪仿真，使施工过程更安全、高效，同时也能保证其刚度、强度以及稳定性。大跨度复杂钢结构工程的施工技术复杂，工期长，难以保证在各阶段的受力状态和位移均处于固定状态，因而变动的概率很大。因此，有必要对其进行实时的跟踪仿真。“希夷之大理”彩虹桥的钢结构模型如图1 所示，将周边的实际情况和桥梁的情况相协调，因为桥梁的跨度较大，结构较为复杂，所以在设计图纸上通常用毫米来表示。在桥上的仿真中，也有一些不规则的对象，可以利用仿真技术生成非规则的物体。对于主梁桥面等具有一定截面的结构，可以画出桥梁的平面图，然后进行三维建模。方法虽然简单，但参数的改变很难控制，如果控制得不好，则会影响到整个系统的运转。

图1 “希夷之大理”彩虹桥的钢结构模型

2.2 分段式装配

分段式装配主要是将地面上的结构部件分成条状或块状，然后通过起重机吊入高空中的固定位置，接着再将其与其他部件进行连接。该方法既能解决地面上出现的支撑问题，又能根据吊具的承载力将其分割为多个构件，整体的安装工作较为灵活[4]。

2.3 动态结构计算机控制技术

随着社会技术的飞速发展，网络技术逐渐被引进建筑行业，运用网络技术进行大规模技术管理、建设新的科技领域、加快建设的进度和水平显得尤为重要。通过对各种不利因素的计算和分析可以有效探讨方案的可行性，革新施工技术，确保施工水平，最大限度地确保方案的安全性和科学性，从而检验不利因素对结构的影响程度是否合理，并采取科学的管理措施，以确保工程施工保质保量地完成[5]。

2.4 高空无支托拼装施工技术

在高空无支架拼装施工技术中应注意以下几个要点。一是利用吊装顺序对结构系统进行分段，从而免去支撑平台的搭设这一环节；二是采用单元群的刚性结构来保证单元的稳定，最后完成整体结构[6]。综观我国的大型建筑项目，如厦门国际会展中心是我国迄今最大、最完善的悬臂空间桁架，它采用了高空无支托拼装施工技术，并取得了良好的效果。通过这种技术可以大大降低工程造价，也可以大大加快工程进度，缩短工期[7]。

3 大跨度复杂钢结构施工中应注意的问题

大跨度复杂钢结构的施工技术要求很高，科学、合理的施工技术以及准确的分析是保证结构安全、可靠的前提，同时也是保证工程经济效益的重要因素。大跨度复杂钢结构建筑技术突破了传统的建筑技术，注重科学化设计[8]。

3.1 注重CAD 和CAM 技术

CAD 和CAM 技术的应用是为了使建筑钢结构的设计更加合理，更好地满足施工要求，并对相应的基础设施进行改造。利用计算机辅助设计技术可以有效显示出建筑物的立体模型，并且可以实现对钢结构的三维仿真，从而更加直观地展现钢结构的设计。

3.2 模拟技术

传统建筑钢结构的设计大多是以单体结构为主体的钢体结构。此类建筑的钢结构虽然可以保证建筑的稳定，但是在功能性、美观性以及实用性等方面存在不足，造成的浪费也不少。采用模拟技术可以有效地解决上述问题，保证钢结构的使用效果，增大了钢结构的受力区域，使其受力范围由传统的单层结构向多点支承过渡，满足了建筑的基本要求。模拟技术在下列几种情况的应用效果最好。

首先是大规模的施工模拟，这类建筑一般都需要很高的承载力，通过模拟技术可以提高钢结构的承压性能，从而使其在实际应用中起到很好的承压和支撑作用[9]。其次是在钢结构的拼接上，采用模拟技术可以有效地解决对接缝的控制问题。连接节点模拟如图2 所示，在实际支撑点处构造结点，确定其节点的局部坐标，确保其约束方向与梁正交或半径相吻合，采用弹性接头（刚体）将支撑结点和主梁结点进行联结。保证钢结构连接不会因为外部环境干扰而发生裂缝及坏损等相关状况，提高钢结构的使用年限。最后是在钢结构的安装中，采用模拟技术可以根据施工要求对其进行预变形，从而有效地控制安装的精度，从而保证钢结构的安装与图纸的要求相符合。

图2 模拟连接节点

3.3 安装方法

大跨度复杂钢结构的施工和安装要按照工程的设计与施工需要来进行。经过有关技术人员的调研和分析，确定合理的施工方法，既要保证其安全、可靠，又要兼顾实用性和功能性，以保证大跨度钢结构使用的实际效果。

传统的钢架安装技术主要用于大跨度复杂钢结构的安装，但其施工安全隐患较大。在这方面，可以针对目前钢材安装的基本要求，进一步优化和调整网壳的折弯技术，以适应大跨度复杂钢结构的施工。为了提高大跨度复杂钢结构的安装可靠性，可以将模拟技术运用到钢结构的安装中，从而使其能够有效进行理论上的技术分析，并优化不适合大跨度复杂钢结构的装配技术，从而提高其安装的安全性和有效性[10]。

3.4 安全性

进行钢架起重之前，应做好相关的安全工作，由专业人员进行施工，并对所有的安全设备进行全面的检查和验收，通过后方可进行。施工前应先进行检查，试运转，确保设备正常，方可投入运行。在每个钢制框架的上下端均设有一个钢制的梯形升降机，该升降机的上端和中部分别用安全绳系紧，同时具有安全的作业平台，当安装钢结构时，操作者站立在上面进行作业。在吊装作业中，操作人员要进行技术交流，严禁在井下站立，要做到“十不吊”。而在吊装过程中，必须采用统一的指令信号，信号要清晰准确，起重机司机要服从命令。此外，圆屋顶钢架吊装时，严禁在圆顶处进行上下跨线作业，并由专业的人员负责看守，严禁非现场作业的人员进出。