摘要：文章詳細(xì)介紹了大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)，通過對(duì)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)類型及其施工特征進(jìn)行介紹，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的主要施工方法類別，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)中的關(guān)鍵工序進(jìn)行重點(diǎn)分析、歸納與總結(jié)，包括吊裝、滑移、拼裝、焊接等工序，僅供相關(guān)工作人員參考。
關(guān)鍵詞：大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)；施工技術(shù)；滑移；拼裝
當(dāng)前，隨著經(jīng)濟(jì)及科技的不斷發(fā)展，我國(guó)建筑行業(yè)也隨之不斷發(fā)展，加上借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)、理念等，越來越多的新型建筑出現(xiàn)，尤其是大型公共建筑，包括機(jī)場(chǎng)建筑、體育館等都采用大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)作為建筑物的屋蓋結(jié)構(gòu)體系�，F(xiàn)就大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)及其具體施工技術(shù)進(jìn)行分析。
1 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)類型
大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)建筑是指橫向跨越30m以上空間的各類結(jié)構(gòu)形式的建筑，其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，當(dāng)前世界上使用大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的各大建筑中，最典型的代表即奧運(yùn)建筑，大跨度空間結(jié)構(gòu)技術(shù)對(duì)多種多樣、形式豐富的奧運(yùn)建筑起著推動(dòng)作用。其中，奧運(yùn)歷史上著名的羅馬體育館主要采用裝配現(xiàn)澆式鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)，而巴塞羅那圣喬地體育館采用了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。其中，大跨度鋼結(jié)構(gòu)的類別主要如下所述：
1.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)
網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要指的是由多根桿件按照一定的網(wǎng)格形式通過節(jié)點(diǎn)連結(jié)而成的空間結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有工業(yè)化程度高、自重輕、穩(wěn)定性好、外形美觀的特點(diǎn)。
1.2 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)
網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與空間桿系結(jié)構(gòu)較為相似，平板網(wǎng)架型的空間桿結(jié)構(gòu)是通過桿件根據(jù)規(guī)律而組成網(wǎng)格，并結(jié)合殼體結(jié)構(gòu)布置成一定的空間架構(gòu)，因此，它不僅具備桿系的性質(zhì)，而且同時(shí)具備殼體的性質(zhì)。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)主要通過殼內(nèi)兩個(gè)方向的拉力、壓力或剪力進(jìn)行逐點(diǎn)傳力。例如：1967年建成的鄭州體育館，采用肋環(huán)形穹頂網(wǎng)殼，其平面直徑64m，矢高9.14m，此為國(guó)內(nèi)跨度最大的單層球面網(wǎng)。又如1988年建成的北京體院體育館，主要采用帶斜撐的四塊組合型雙層扭網(wǎng)殼，其平面尺寸為59.2m2，矢高3.5m，挑檐3.5m，此為我國(guó)跨度最大的四塊組合型扭網(wǎng)殼。另外，1989年建成的濮陽中原化肥尿素散裝庫，其平面尺寸為58m×135m，采用雙層正放四角錐圓柱面網(wǎng)殼，此為我國(guó)第一個(gè)采用螺栓球節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)狀筒殼，亦是覆蓋建筑面積最大的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。
1.3 懸索結(jié)構(gòu)
懸索結(jié)構(gòu)主要為由柔性受拉索及其邊緣構(gòu)件所形成的承重結(jié)構(gòu)。其中，可以將鋼絲束、鋼絲繩、鋼鉸線、鏈條、圓鋼以及其他受拉性能良好的線材作為索的材料。懸索結(jié)構(gòu)主要通過利用高強(qiáng)材料的抗拉性能，它具有跨度大、自重小、材料省、易施工的優(yōu)勢(shì)。懸索結(jié)構(gòu)除在我國(guó)的大跨度橋梁工程應(yīng)用廣泛外，還應(yīng)用于體育館、飛機(jī)庫、展覽館、倉庫等大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)中。
2 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)及其施工技術(shù)的特征
2.1 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)特征
2.1.1 鋼結(jié)構(gòu)大跨度、鋼材高等級(jí)、鋼板足夠厚。當(dāng)前，我國(guó)建筑理念隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)建筑功能的技術(shù)要求也更高，而且現(xiàn)代空間鋼結(jié)構(gòu)的跨度也更大，短向跨度超100m早已廣泛應(yīng)用于建筑中。國(guó)家超限專家審查委員會(huì)通過編制大跨結(jié)構(gòu)超限審查的規(guī)章制度，以此規(guī)定此類大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)必須采用大量的高強(qiáng)度級(jí)別鋼材，如Q390C、Q420C、Q460E等，確保其鋼板材料等級(jí)高、厚度足夠。
2.1.2 鋼結(jié)構(gòu)形式及其節(jié)點(diǎn)形式多樣性、復(fù)雜性。
（1）當(dāng)前現(xiàn)代大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式較多，其結(jié)構(gòu)形式正不斷創(chuàng)新、發(fā)展，主要朝各類結(jié)構(gòu)的組合形式發(fā)展。其中，奧運(yùn)會(huì)羽毛球館以世界跨度最大的弦支穹頂作為鋼結(jié)構(gòu)，而廣州國(guó)際會(huì)展中心以張弦桁架作為鋼結(jié)構(gòu)。水立方以泡沫理論式多面體空間鋼架結(jié)構(gòu)，而鳥巢主要以復(fù)雜的空間桁架作為鋼結(jié)構(gòu)。
�。�2）以仿生態(tài)建筑作為現(xiàn)代空間鋼結(jié)構(gòu)，空間鋼結(jié)構(gòu)包括鑄鋼節(jié)點(diǎn)、鍛鋼節(jié)點(diǎn)、球鉸節(jié)點(diǎn)等，其節(jié)點(diǎn)形式多種多樣，使得建筑形式更為豐富。
2.1.3 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)量及截面種類多、設(shè)計(jì)難度大。大型工程的構(gòu)件較多，甚至是由幾萬個(gè)、十多萬個(gè)構(gòu)件組成，該構(gòu)件的截面形式、尺寸和長(zhǎng)度各不相同，導(dǎo)致施工單位放樣難度加大，尤其是部分彎扭構(gòu)件必須通過試驗(yàn)與研究才能完成。
2.2 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的新特點(diǎn)
2.2.1 構(gòu)件精確度要求高、焊接施工技術(shù)工作量大、難度高。
（1）由于大部分大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的建筑工程為國(guó)家重點(diǎn)工程，其施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)較高。因此，必須保證空間鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件部分精度較高，才能確保工程的施工質(zhì)量滿足工程標(biāo)準(zhǔn)。其中，大部分焊縫的施工質(zhì)量要求為一級(jí)焊縫，嚴(yán)重影響工程的施工難度。
�。�2）在進(jìn)行工程施工時(shí)，可以通過預(yù)拼裝及大量的焊接工作來確保施工精度，結(jié)合、借鑒國(guó)外的先進(jìn)施工技術(shù)進(jìn)行施工，可以有效地完成工程的施工質(zhì)量目標(biāo)，包括鋼結(jié)構(gòu)大跨度及鋼結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，從而保證工程施工的安全性及建筑工程的經(jīng)濟(jì)效益。
2.2.2 結(jié)合預(yù)應(yīng)力技術(shù)。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是指采用預(yù)加應(yīng)力調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，通過向鋼結(jié)構(gòu)施加荷載，可以有效地增強(qiáng)材料強(qiáng)度，并擴(kuò)大結(jié)構(gòu)剛度。其中，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)采用預(yù)加力將鋼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)改變，并將內(nèi)力峰值降低。預(yù)加力可以將作用在構(gòu)件上的內(nèi)部荷載相互平衡，可以有效地將構(gòu)件的截面積減小，便于減少用鋼量。另外，采用預(yù)加應(yīng)力，將鋼結(jié)構(gòu)中的鋼材的拉、壓強(qiáng)度在同一構(gòu)件中充分發(fā)揮并利用，便于加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的彈性承載能力。通過采用共同抵抗外荷載作用，將鋼結(jié)構(gòu)中的剛性拱與柔性索結(jié)合起來，可以有效地提高高強(qiáng)鋼索的抗拉性能，并充分利用拱的壓彎能力，提高預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的工程施工質(zhì)量。
3 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)方法分類
3.1 高空原位單元安裝法
高空原位單元安裝法，根據(jù)高空原位散裝法進(jìn)行改變、發(fā)展形成。散裝法首先將構(gòu)件放置于設(shè)計(jì)位置后，再進(jìn)行安裝。進(jìn)行散裝安裝時(shí)，應(yīng)當(dāng)為施工人員布置高空操作平臺(tái)及高空擱置平臺(tái)，首先通過設(shè)置滿堂作為支撐，然后再在平臺(tái)上展開施工。另外，單元安裝法主要是把空間鋼結(jié)構(gòu)分別劃分為多個(gè)部分，將各個(gè)部分分成單元，進(jìn)行吊裝。 單元安裝法主要通過合理劃分吊裝單元，首先，其單元的大小視選用的起重機(jī)能力和結(jié)構(gòu)形式而定。其次，對(duì)于空間梁柱結(jié)構(gòu)，可以在反彎點(diǎn)位置設(shè)置凈分段；相對(duì)于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)來說，可以以分塊單元或分條單元的形式，形成穩(wěn)定性強(qiáng)、剛度強(qiáng)、強(qiáng)度足夠的空間鋼結(jié)構(gòu)，必須確保結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，便于構(gòu)件在進(jìn)行安裝時(shí)避免發(fā)生不可逆的塑性變形，從而影響施工質(zhì)量，通過將若干單元在工廠預(yù)拼接，保證現(xiàn)場(chǎng)單元的順利拼接，提高施工質(zhì)量。
將高空原位單元安裝法與散裝法進(jìn)行對(duì)比，單元安裝法中的施工工序主要為焊接工序、拼接工序，而且大部分工序主要都是在工廠、地面施工，在保障工程的施工質(zhì)量的同時(shí)，不斷提高工程的施工速度，進(jìn)而可以有效地加快工程的施工效率。此外，采用高空原位單元安裝法可以減少臨時(shí)支撐，進(jìn)而有利于企業(yè)降低施工成本，提高其經(jīng)濟(jì)效益。
3.2 滑移施工法
只有確保鋼結(jié)構(gòu)的類型規(guī)范、整齊、規(guī)則化，才能使用滑移施工法，例如圓形結(jié)構(gòu)或長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)。另外，必須確保主桁架結(jié)構(gòu)的一致性，支撐軸線規(guī)范、整齊。其中，滑移施工法主要用于土建結(jié)構(gòu)、支撐柱等情況，可以有效地降低施工承包；當(dāng)施工場(chǎng)地較小時(shí)，只能在部分區(qū)域內(nèi)進(jìn)行構(gòu)件組裝與吊裝。
滑移施工技術(shù)在我國(guó)建筑中應(yīng)用廣泛，包括鄭州的會(huì)展館、深圳的大運(yùn)會(huì)主場(chǎng)館、哈爾濱的會(huì)展館、蘇州的國(guó)際博覽中心等等，分別應(yīng)用了滑移施工技術(shù)，其施工質(zhì)量顯而易見。
3.3 整體提升施工法
整體提升施工法要求支撐的結(jié)構(gòu)體系質(zhì)量較高，然而整體提升施工法的施工成本較大，不利于作為類似會(huì)展館、體育場(chǎng)等結(jié)構(gòu)形式的施工方法，因此，在進(jìn)行實(shí)際的工程施工中，較少使用整體提升施工法。然而，由于該施工技術(shù)對(duì)總體鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量較小，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)體系要求較低，可以將該施工技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式或單位面積含鋼量較低的會(huì)展中心屋蓋。
3.4 分段吊裝施工技術(shù)
分段吊裝施工法中應(yīng)當(dāng)由其注重明確起重機(jī)的選擇及站位、確定大體積鋼結(jié)構(gòu)的分段與重心選擇的方法。其中，分段吊裝施工法主要用于體育館、會(huì)展館等公共建筑的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)工程施工中。
3.5 高空散裝施工技術(shù)
高空散裝施工技術(shù)具有施工安全性、可靠性高的特點(diǎn)，而且容易操作、易于控制，可以有效地保障公共建筑工程的施工質(zhì)量及施工效率。該方法主要用于工程中單位面積用鋼量不多的建筑工程中，尤其是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、張拉弦的管桁架結(jié)構(gòu)。其中，高空散裝法還應(yīng)用于山西的自行車館、蘇州國(guó)際博覽中心等公共建筑的施工建設(shè)中。
然而，高空散裝施工技術(shù)在施工時(shí)所需的腳手搭架量極大，不僅加大了工程的施工成本，而且影響了工程的施工速度及施工效率。
4 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的主要施工工序
4.1 煨彎、相關(guān)線切割詳圖轉(zhuǎn)化及施工分析
通過采用主桁架帶一定弧度，可以使得管桁架的設(shè)計(jì)造型效果較佳，其中，煨彎工序既有中頻加熱煨彎，又包括冷煨彎。它屬于整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工程施工中的至關(guān)重要工序。一方面，通過采用校正工序，可以順利地開展熱彎與冷彎工序，并保證工程的工序順利開展。另一方面，在進(jìn)行冷彎工序時(shí)，其冷彎規(guī)格為800mm×40mm。另外，相貫口施工及焊接的質(zhì)量與煨彎的精度緊密相關(guān)。倘若焊接的誤差大，其相貫口的施工難度也隨之加大。
4.2 鑄鋼件施工分析
鑄鋼靜態(tài)力學(xué)性能較好，且其鑄造成型性較好，可以實(shí)現(xiàn)較高質(zhì)量的工程要求，其中，若鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位置較為復(fù)雜時(shí)，可以采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行施工，在施工時(shí)必須注重這三方面：
4.2.1 只有確保鑄鋼件的力學(xué)性能符合要求，并結(jié)合相應(yīng)地選擇標(biāo)準(zhǔn)確定鑄鋼件的牌號(hào)，確保鑄鋼材質(zhì)的等級(jí)較高，必須符合焊接連接的鑄鋼件質(zhì)量要求，避免影響鑄鋼件的施工質(zhì)量及施工進(jìn)度。
4.2.2 通過注重檢查鑄鋼件表面的氣孔處、蜂窩麻面及外形是否有凹坑，通過衡量其外形大小、規(guī)格、尺寸及相關(guān)壁厚，著重檢查鑄鋼件的內(nèi)在質(zhì)量，包括檢查UT、X射線探傷等。
4.2.3 焊接鑄鋼件及其他相關(guān)構(gòu)件，通過評(píng)定焊接工藝，確保工藝達(dá)標(biāo)，才能使用焊接連接的鑄鋼節(jié)點(diǎn)施工方案進(jìn)行焊接。另外，在進(jìn)行焊接時(shí)，必須確保施工過程中的具體環(huán)境溫度及預(yù)熱情況達(dá)標(biāo)，并保證焊條的烘烤情況符合要求，尤其要注意在焊接后期對(duì)鑄鋼件進(jìn)行必要的保溫措施。
4.3 地面拼裝分析
地面拼裝的方法包括正拼、倒拼或側(cè)拼，地面拼裝方法的選擇與桁架結(jié)構(gòu)形式、矢高、地面組裝空間、分段位置、起重機(jī)站位等因素息息相關(guān)。地面拼裝的質(zhì)量影響到地面安裝的精度及效果，在地面拼裝時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：胎架本身的剛度及變形、測(cè)量放線及跟蹤、拼裝預(yù)起拱及控制措施、調(diào)整安裝順序以盡可能保證相貫線隱蔽焊縫的焊接、節(jié)點(diǎn)位置尺寸控制精度。
4.4 滑移施工、吊點(diǎn)設(shè)置分析
在開展吊點(diǎn)設(shè)置、滑移施工工序時(shí)，設(shè)置吊點(diǎn)位置屬于較為簡(jiǎn)單的施工工序。但是，若該空間結(jié)構(gòu)屬于異形空間結(jié)構(gòu)，就必須首先建立模型并進(jìn)行計(jì)算，再結(jié)合起重機(jī)的具體站位情況以及構(gòu)件的吊物安裝的高度等方面因素來確定具體的吊點(diǎn)位置及長(zhǎng)度、具體規(guī)格形狀等。
此外，當(dāng)起重機(jī)的具體性能、具體空間站位、“卡桿”等因素受限制時(shí)，只能以吊物重心的方式進(jìn)行吊物安裝，或通過借助建模模擬計(jì)算和先進(jìn)的裝備來降低施工的難度。在開展滑移施工過程中，最好配備適量的鋼絞線、爬行器等液壓控制系統(tǒng)。其中，液壓爬行器滑移的應(yīng)用較為廣泛，它具有可拉、可推同時(shí)又可以多點(diǎn)布置等優(yōu)點(diǎn)。在進(jìn)行滑移施工時(shí)，必須著重處理滑道，確保各大滑移點(diǎn)都能得到同步性控制，并注重保持單位行程的距離，及時(shí)改善調(diào)節(jié)手段、處理滑移點(diǎn)的支撐工序及卸載工序。
4.5 施工監(jiān)測(cè)與有限元建模
某異形曲面空間網(wǎng)格管桁架結(jié)構(gòu)建筑投影面積為1.04萬m2，展開面積為1.1萬m2，最高點(diǎn)為28.965m。立柱分格構(gòu)柱和幕墻柱，格構(gòu)柱為倒四角錐組合式鋼管柱，幕墻柱為平面桁架，主次桁架為空間異形三維鋼管桁架。內(nèi)部建A、B兩座四層鋼框架結(jié)構(gòu)橢圓形辦公樓，柱為508X30鋼管混凝土柱，梁為弧形和直線型H型鋼梁。 4.5.1 變形測(cè)量系統(tǒng)。本工程變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括全站儀、棱鏡、電腦等部件。桁架梁撓度變形和承臺(tái)支座水平位移主要采用全站儀進(jìn)行測(cè)量，利用棱鏡的反射和折射定律測(cè)出實(shí)際位移。在主桁架梁的下弦布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)（V1～V6），具體布置位置見圖3圓點(diǎn)處。x和y軸方向如圖所示，Z軸垂直于xy平面向外，坐標(biāo)原點(diǎn)位于整個(gè)結(jié)構(gòu)重心在xy平面的投影處。其效果圖和結(jié)構(gòu)透視圖見圖1、2。
4.5.2 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。傳感器采集信息后，把模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、處理、轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過屏蔽線將信號(hào)傳到電腦進(jìn)行分析處理，圖中的測(cè)點(diǎn)即為振弦式應(yīng)變計(jì)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
5 結(jié)語
綜上所述，隨著我國(guó)科技的不斷發(fā)展及我國(guó)建筑行業(yè)科研人員的不斷深入研究，結(jié)合大量相關(guān)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、新技術(shù)、新材料，大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)將不斷發(fā)展、創(chuàng)新，使其不斷完善，促使我國(guó)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用更為廣泛，更好地服務(wù)于我國(guó)的建筑工程與社會(huì)。
參考文獻(xiàn)
[1] 許立新.大型體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)工程施工[A].全國(guó)鋼結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].2006.
[2] 董石麟，羅堯治，趙陽.大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的工程實(shí)踐與學(xué)科發(fā)展[A].第十一屆空間鋼結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].2005.
[3] 鮑廣.鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)及實(shí)例[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.
[4] 嚴(yán)慧.我國(guó)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用發(fā)展的主要特點(diǎn)
[J].鋼結(jié)構(gòu)與建筑業(yè)，2002，（4）：25-29.
[5] 王雄.中國(guó)太原煤炭交易展覽中心鋼結(jié)構(gòu)工程施工組織設(shè)計(jì)[R].
[6] 柯昌凡.山西體育場(chǎng)罩棚鋼結(jié)構(gòu)工程施工組織設(shè)計(jì)[R].
[7] 盧立香.鑄鋼節(jié)點(diǎn)在大跨度管桁架建筑鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用探討[J].鋼結(jié)構(gòu)，2003，（5）.
[8] 劉音鶯.基于經(jīng)濟(jì)性能的大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系的方案選擇[D].西安建筑科技大學(xué)，2008.
[9] 遇瑞，羅永峰.大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)整體吊裝施工策略[A].全國(guó)鋼結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].2009.
[10] 杜秀麗.大跨鋼結(jié)構(gòu)合攏與卸載研究[D].太原理工大學(xué)，2007.
