钢框架结构在建筑中的应用及其施工技术研究

2023-12-08梁人之

科技创新与应用 2023年35期

梁人之

（中铁铁工城市建设有限公司，济南 250000）

随着城市化和工业化的发展，建筑行业面临着日益严峻的挑战。传统建筑材料的局限性，导致建筑的安全性、环保性、经济性受到了制约。因此，人们开始探索新型绿色材料，以满足现代建筑对于环保、高效、耐用等方面的要求。

钢结构作为一种轻量化、高强度、可循环利用的绿色建材，近年来得到了广泛应用，特别是在高层建筑和超高层建筑中。钢框架结构由于具有刚度好、自重轻、抗震能力强和施工便捷等优点，成为建筑领域中备受瞩目的技术之一。然而，在其应用过程中，还存在一些问题亟待解决，如施工工艺不够成熟、质量难以保证等。

本文旨在对钢框架结构在建筑中的应用现状及其施工技术进行深入研究，探讨其施工技术及存在的问题，并提出相应的解决方法。通过文献综述、案例分析、实地观察等方法，全面系统地介绍钢框架结构在建筑领域中的应用情况，探讨其设计、施工、质量控制等方面的技术问题，并提出可行的改进措施。本研究的成果将为今后钢框架结构的应用提供一定的参考依据。

1 研究目的

钢框架结构作为一种优良的建筑结构形式，在现代建筑设计中得到了广泛应用。其自重轻、强度高、稳定性好、抗震能力强及可塑性好等特点，使其适应了越来越多的建筑领域[1]。本文旨在探索钢框架结构在建筑中的应用，并研究其施工技术，以期为实际工程提供可供借鉴的参考。

对于高层建筑、立交桥、体育馆和机场等大型建筑物而言，其结构体系通常采用钢框架结构，这是因为钢材具有比其他材料更高的强度和稳定性，同时也有着优异的加工性和可塑性。除此之外，钢框架结构还具有较高的抗震能力，这使得其成为了人们在设计抗震性建筑时的理想选择，因此这种结构类型在建筑领域内得到了广泛的应用[2]。如图1 所示。

图1 钢框架三维图

钢框架施工的过程需要考虑诸多因素，如钢材的强度和易损性、施工现场的安全等。为了保证施工质量，必须对钢结构进行精细的制造和加工，同时需采取多样化的安装手段及严格控制施工质量，在此基础上，实现钢框架在建筑中的应用[3]。本文将分析特殊形状和受力状态下的钢框架结构的施工技术和注意事项，并探讨一些新的施工方法，如三维打印、数字化制造等技术在钢框架结构的制造和施工中的应用[4]。

随着科学技术的不断发展和社会的不断变革，人们对建筑空间和环境的要求也在稳步提高，对于钢框架结构的应用，也面临着更高的设计和施工要求，例如对其造型和结构的要求越来越高。因此，本文将深入研究如何推进钢框架结构的产品创新，探索新的制造工艺、用于分析和优化结构的数字化设计和模拟等技术，并基于这些技术，进一步探究和开拓钢框架结构在更多领域的应用[5]。

2 研究方法

本文的研究方法包括以下几个方面。

2.1 文献综述

通过查阅相关文献资料，了解国内外钢框架结构在建筑中的应用及其施工技术的最新研究成果和发展趋势，为本研究提供参考和支持。例如，王洪亮等[1]的文献综述里对于钢结构半刚性节点抗震性能的研究进行了较全面深入的描述。如图2 所示。

图2 带节点，顶层装饰梁布置图

2.2 案例分析

选取多个具有代表性的钢框架结构项目，通过对其进行详细的分析，探讨钢框架结构在不同场景下的应用特点、优缺点等，为本研究提供实证数据支持。例如，李晓东等[2]在其研究中，就以高层建筑为案例，对钢框架结构在该场景下的应用技术进行了探讨。如图3所示。

图3 剖面各层梁布置图

2.2.1 工程概况

该项目为一座多功能综合体，由多栋高层建筑和2 栋中心展馆组成。其中最大的展馆跨度为80 m，高度达到38 m。鉴于地处地震频发区域，项目采用了钢框架结构。

2.2.2 重难点分析

1）建筑高度巨大，对结构的牢固性和稳定性提出了更高的要求。

2）大跨度钢结构的制作和安装难度较大，需要采用先进的加工和施工技术。

3）现场施工环境复杂，有限的空间往往会加剧施工难度。

2.2.3 方案比选

在考虑诸多方面因素后，钢框架结构被确定为该项目的最佳建筑形式。在设计方案的比选中，选择了双向网壳结构、大跨度空间结构、屋面桁架结构等类型的钢框架结构。

2.2.4 施工工艺及施工过程

1）钢结构测量：通过精确的测量和模拟，确定结构尺寸和几何形状。

2）钢结构加工：在钢材生产厂家进行加工，进行裁剪、焊接、整体拼装等加工过程。

3）施工现场的临时加固：为了保证安全施工，需对场地临时加固，并对设备进行安全检查。

4）钢结构悬吊：采用塔吊或车吊的方式将整体组合体悬挂到工地的安装位置。

5）钢结构组装：将预先制作好的钢结构分别按设计要求逐个组装起来。

6）检验及质量控制：在钢框架结构完成组装之后，需要进行相关的检测和质量控制确认所有连接点、节点的牢固性和稳定性。

7）防腐和喷漆：将钢结构表面进行清洁处理和防腐涂层处理，延长其使用期限。

2.2.5 施工难重点的应对方法

1）采用3D 建模技术指导精确测量和锁定位置，同时提前进行全盘的动态评估。

2）针对大跨度构件的安装难题，采用细节化施工操作，避免过早拆解，保证整个施工过程的连续性和稳定性。此外，还采用了多台塔吊，以提高安全性和效率。

3）在现场增加专门的加固临时设备或防护措施来确保钢结构在安装期间的牢固性和稳定性。

2.3 实地调查

选取数个正在进行或已经完成的钢框架结构项目进行实地观察和研究，通过观察现场操作流程、注意事项等方面，了解钢框架结构在实际施工中的情况，为本研究提供更加具体的支持。例如，刘启明和金华[4]通过实地调查，对钢结构厂房设计中应注意的问题进行了研究。

2.4 专家访谈

通过向钢结构领域的专家学者请教并听取他们对于钢框架结构在建筑中应用及其施工技术的意见、建议和经验，从业内权威人士的角度来研究和探讨该领域的问题，为本研究提供更深入的思路和指导。

2.5 数值仿真

采用有限元软件对不同形式的钢框架结构进行受力计算和分析，验证设计方案的合理性和可行性，为本研究提供科学的数据支撑。

综上所述，本文的研究方法包括文献综述、案例分析、实地调查、专家访谈和数值仿真等多种研究方法，以期全面深入地探究钢框架结构在建筑中的应用及其施工技术。

3 研究过程

3.1 钢框架结构在建筑中的应用

钢框架结构广泛应用于各种不同类型的建筑工程，如住宅、商业、工业及公共建筑等。为了深入了解钢框架结构在不同类型建筑工程中的应用情况，在文献调研的基础上，本论文进行了实地考察和案例研究。

通过实地考察，发现钢框架结构在住宅工程中的应用越来越广泛，而且具有较高的适应性和灵活性，可以实现多种不同功能和风格的住宅设计；在商业和工业建筑方面，钢框架结构被广泛应用于超市、厂房、仓库和大型体育场馆等建筑中。同时，以高铁站、机场等为代表的公共建筑也采用了钢框架结构，其独特的抗震性和耐腐蚀性也得到了充分的发挥。

以下是一个关于钢框架结构应用和施工技术研究的实例分析。

项目名称：厦门国际会展中心。

项目地址：福建省厦门市思明区。

项目概述：该项目是一座大型的国际会展中心，总建筑面积约31 万m2，由多个展馆和配套设施组成。其中最大的展馆跨度为108 m，高度达到36 m。为了满足建筑要求，该项目采用了钢框架结构。

钢框架结构在这个项目中的应用：钢框架结构被用于支撑整个建筑物，包括多个展馆和配套设施。其中，最大的展馆采用了双向网壳结构，通过预制4 根主轴线和128 个斜杆进行组合来形成网壳结构。这种结构形式不仅美观，而且可以增加建筑物的稳定性和抗风能力。此外，在其他展馆中也广泛应用了钢框架结构，如大跨度空间结构、屋面桁架结构等。

钢框架结构施工技术研究：在这个项目中，钢框架结构的施工技术得到了充分的研究和应用。例如，采用先组装后吊装的施工方法来加速施工进度，钢构件在地面上完成预拼装后，再使用塔吊进行吊装。此外，还利用了空间定位仪器进行精准测量，在钢框架结构的组装和安装过程中保证了高度精度。同时，还采用了复合式连接节点设计，使结构更加牢固和稳定。如图4 所示。