大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑施工技術(shù)研究

■王飛朋，苗 杰 ■運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044000

近幾十年來，大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑在西方和日本等國迅速發(fā)展，并且隨著科技的發(fā)展和施工技術(shù)的迅速提高，鋼結(jié)構(gòu)的跨度和規(guī)模都趨于大型化。并且隨著鋼結(jié)構(gòu)的材料的更新和新技術(shù)的應(yīng)用，大跨度鋼結(jié)構(gòu)形式也趨于多樣化。世界上許多知名建筑物都是大跨度鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，外觀華麗、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用，成為當(dāng)?shù)氐牡貥?biāo)性建筑或者顯示人文地理的建筑。比如2000 年悉尼奧運(yùn)會(huì)體育館、2004 年雅典奧運(yùn)會(huì)體育館、2008 年北京奧運(yùn)會(huì)鳥巢體育館等，都給世界帶來了震撼，留給后人無數(shù)的感嘆和深刻的印象［1］。

盡管古代的四大發(fā)明是我國發(fā)明的，我國的木結(jié)構(gòu)建筑的施工工藝在世界上也是前列，但是鋼結(jié)構(gòu)尤其是大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國起步較晚，施工工藝和經(jīng)驗(yàn)都不如西方發(fā)達(dá)國家。在20 世紀(jì)80 年代后期開始，由于我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的騰飛和社會(huì)發(fā)展的需要，大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國也迅速興建起來，尤其是我國申奧成功后，北京修建2008 年奧運(yùn)會(huì)體育館，這不僅給我國提供了一個(gè)展示國力和發(fā)展的機(jī)會(huì)，也提供了關(guān)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工經(jīng)驗(yàn)和挑戰(zhàn)［2］。

1 大跨度鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1.1 多樣化和復(fù)雜化

目前大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)不能局限于傳統(tǒng)的單一結(jié)構(gòu)形式，已經(jīng)出現(xiàn)新的結(jié)構(gòu)形式和組合形式。我們所知道的“水立方”就是采用了泡沫理論的多面體空間鋼結(jié)構(gòu);而奧運(yùn)體育主會(huì)管“鳥巢”則使用了復(fù)雜扭曲空間桁架結(jié)構(gòu)［3］;羽毛球管則使用了全世界跨度最大的弦支穹頂結(jié)構(gòu);而廣州國際會(huì)展中心則使用了非常先進(jìn)的張弦桁架結(jié)構(gòu)。

1.2 大跨度、高等級(jí)鋼、高厚度鋼板

由于實(shí)際需要和人們的要求的提高，鋼結(jié)構(gòu)的跨度已經(jīng)趨向于超大跨度，最短的跨度也已經(jīng)超過一百米的工程也不在少數(shù)，如“鳥巢”跨度已經(jīng)高達(dá)296m，南京奧運(yùn)體育中心體育場(chǎng)的最大跨度達(dá)到了360m，由于這些超級(jí)跨度的鋼結(jié)構(gòu)建筑的存在和需求，因此我國超限專家審查委員會(huì)專門編制大跨結(jié)構(gòu)超限審查的規(guī)定。上述這些大跨度鋼結(jié)構(gòu)都采用了超高強(qiáng)度鋼材，如較為少見的Q390C、Q420C 和Q460E等，并且鋼板的厚度很多都已經(jīng)超過10cm。

1.3 預(yù)應(yīng)力技術(shù)

在大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程中也使用到我們普通鋼結(jié)構(gòu)工程中使用的預(yù)應(yīng)力技術(shù)，并且在大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程中將預(yù)應(yīng)力技術(shù)得到了充分的應(yīng)用。在這些工程中出現(xiàn)了很多新型結(jié)構(gòu)形式，如索穹頂、張拉整體結(jié)構(gòu)和索膜結(jié)構(gòu)等。奧運(yùn)羽毛球館和國家體育館都采用了這些預(yù)應(yīng)力體系，分別使用的世界跨度最大的弦支穹頂結(jié)構(gòu)和雙向張弦梁結(jié)構(gòu)體系。

1.4 節(jié)點(diǎn)多樣化

由于現(xiàn)代建筑造型的多樣化使得過去的鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式不能滿足現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展和人們的需求，因?yàn)楝F(xiàn)代的鋼結(jié)構(gòu)都采用了仿生態(tài)建筑，因此需要改變節(jié)點(diǎn)形式來滿足不同的建筑造型，如鑄鋼節(jié)點(diǎn)、鍛鋼節(jié)點(diǎn)和球鉸節(jié)點(diǎn)等。

1.5 施工難度大

由于鋼結(jié)構(gòu)建筑都是由一些零散構(gòu)件拼裝而成，一般的大型工程都需要上萬個(gè)構(gòu)件，甚至有的超過幾十萬個(gè)構(gòu)件組成，這些構(gòu)件都是不同的截面和形狀。因此在施工過程中會(huì)造成很大困擾，甚至有些構(gòu)件需要進(jìn)行專門的試驗(yàn)進(jìn)行分析和研究才能完成。

1.6 生產(chǎn)構(gòu)件難度大

由于這些工程都是特大工程，鋼結(jié)構(gòu)所需的構(gòu)件都不是普通鋼結(jié)構(gòu)所使用的構(gòu)件，因此都需要專門定制和生產(chǎn)，并且要求精度高，將構(gòu)件生產(chǎn)誤差降到最低才能滿足施工質(zhì)量要求。構(gòu)件連接所需焊縫都必須是一級(jí)焊縫，并且這些焊縫數(shù)量也有上萬個(gè)，這也給施工帶來的很大的困難。并且焊接時(shí)為了保證焊縫質(zhì)量，在焊接時(shí)還需先進(jìn)行拼裝，這就又增大了施工量和施工難度。由于這些鋼結(jié)構(gòu)跨度大、結(jié)構(gòu)新穎，因此在施工時(shí)首先保證安全和經(jīng)濟(jì)外，還需使用先進(jìn)的施工技術(shù)才能完成。

2 大跨度鋼結(jié)構(gòu)創(chuàng)新施工方法

2.1 現(xiàn)代大空間鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

圖1 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)

大空間鋼結(jié)構(gòu)在我國發(fā)展的三十年來，尤其是在2008 年北京奧運(yùn)會(huì)鳥巢體育館與2010 年上海世博會(huì)項(xiàng)目建設(shè)為我國的大跨度鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展提供了機(jī)遇，之后涌現(xiàn)出更新穎、先進(jìn)的空間鋼結(jié)構(gòu)，這些鋼結(jié)構(gòu)主要具有以下特點(diǎn):(1)結(jié)構(gòu)形式日益多樣化和復(fù)雜化;(2)大跨度、高等級(jí)鋼、高厚度鋼板;(3)預(yù)應(yīng)力技術(shù);(4)節(jié)點(diǎn)多樣化，見圖1;(5)施工難度大;(6)生產(chǎn)構(gòu)件難度大等。

2.2 創(chuàng)新施工方法

大跨度鋼結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)施工方法有:吊裝法、分塊安裝法和高空散裝法，而隨著鋼結(jié)構(gòu)向大型化、復(fù)雜化發(fā)展，因此對(duì)安裝技術(shù)要求也越來越高。為適應(yīng)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展已經(jīng)涌現(xiàn)出如下新型施工方法:折疊式展開式整體提升技術(shù)，見圖2、累積滑移技術(shù)、整體提升技術(shù)等。

圖2 折疊式展開式整體提升技術(shù)

3 大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑施工中考慮的問題

大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑施工應(yīng)與設(shè)計(jì)、科研單位共同合作，共同研究、開發(fā)，解決施工過程中可能遇到的問題，因?yàn)槭┕み^程是所有方面中最難解決的問題，選擇合理的施工方案和可以應(yīng)用到實(shí)踐的設(shè)計(jì)理念才能保證鋼結(jié)構(gòu)的安全、經(jīng)濟(jì)可行。目前，絕大多數(shù)的大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)已經(jīng)打破了傳統(tǒng)施工方法，已經(jīng)向著復(fù)雜化、綜合化、高科技化發(fā)展，這對(duì)現(xiàn)代施工技術(shù)來講既是改革又是挑戰(zhàn)。

3.1 CAD 設(shè)計(jì)和CAM 制造技術(shù)

從上世紀(jì)中期計(jì)算機(jī)的發(fā)明到后期計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，給建筑行業(yè)也帶來了曙光，CAD 的開發(fā)和應(yīng)用使設(shè)計(jì)行業(yè)不再徒手畫圖而是使用先進(jìn)的技術(shù)和精確的比例，這給現(xiàn)代大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑的產(chǎn)生帶來了希望。大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑需要大量的信息技術(shù)和設(shè)計(jì)技術(shù)、制造技術(shù)、管理技術(shù)等，需要高效的生產(chǎn)效率和工作效率，從而提高大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)品的創(chuàng)新能力和管理水平。CAD 設(shè)計(jì)和CAM 制造技術(shù)都是大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑的輔助技術(shù)，包括整體三維實(shí)體模型，構(gòu)件和板材的優(yōu)化施工，鋼管、異形構(gòu)件和各種節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、分析和制造等［4］。

3.2 施工仿真技術(shù)

設(shè)計(jì)分析時(shí)都是考慮結(jié)構(gòu)在使用過程中的受力分析，而忽視了施工過程中的受力分析。由于大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑自重大，構(gòu)件尺寸和自重均較大，因此在施工過程中遇到的安全問題也不容忽視，并且這些問題日益顯著。結(jié)構(gòu)在施工過程中，其中局部構(gòu)件受力情況明顯高于正常使用階段，很有可能這些局部構(gòu)件處于最不利受力階段。大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑中施工技術(shù)仿真技術(shù)主要包括以下4 個(gè)方面:(1)吊裝仿真;(2)各階段工況仿真;(3)構(gòu)件安裝過程中的變形仿真;(4)構(gòu)件拼裝模擬。通過仿真技術(shù)可以提前預(yù)料到施工過程中可能遇到的問題和麻煩，可以在施工過程中避開承載力較小的構(gòu)件，減小施工過程中的不安全因素，保證施工完成后構(gòu)件的初始形狀。

3.3 合理的安裝方法

選用一種既經(jīng)濟(jì)又安全、適用的安裝方法是現(xiàn)代大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工必備技術(shù)。傳統(tǒng)的空間安裝方法是采用高空散裝法、分條安裝法、分塊安裝法、高空滑移法、整體吊裝法等。但是由于現(xiàn)在的大跨大鋼結(jié)構(gòu)體系跨度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并沒有固定的安裝方法，因此傳統(tǒng)的空間安裝方法并不適用于現(xiàn)在的大跨大鋼結(jié)構(gòu)體系，不能滿足現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)的施工需求，需要尋找一種新型的安裝方法進(jìn)行安裝。將過去的空間安裝方法進(jìn)行改進(jìn)和再創(chuàng)造才能滿足空間安裝方面的需求。通過我國奧運(yùn)體育會(huì)主館的施工經(jīng)驗(yàn)得到了很多具有創(chuàng)新性的施工技術(shù)和安裝技術(shù)，如高空曲線滑移技術(shù)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)折疊展開式整體提升技術(shù)和其他劃架法施工技術(shù)［5］。從中可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)和安裝技術(shù)都是過去的施工技術(shù)和安裝技術(shù)的組合拼裝和再創(chuàng)造而形成的。并且由于信息科技、機(jī)械科技和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，才能使得這些大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑能夠順利完成，并且為以后我國建設(shè)更加復(fù)雜的大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系而服務(wù)。

4 結(jié)論

隨著我國大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系的迅速發(fā)展，遇到的最嚴(yán)重的問題就是施工難度大，過去的施工技術(shù)不能滿足當(dāng)代發(fā)展的需求，需要?jiǎng)?chuàng)造出更加新穎的施工技術(shù)、安裝技術(shù)。施工技術(shù)一門包羅萬象的學(xué)科，它的發(fā)展和創(chuàng)造、應(yīng)用需要與理論和實(shí)際相結(jié)合才能形成，需要大量的科技工作者進(jìn)行研究和論證。

［1］范重，劉先明，范學(xué)偉.國家體育場(chǎng)大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2007(02):1 -16.

［2］王元清，石永久，陳宏.現(xiàn)代輕鋼結(jié)構(gòu)建筑及其在我國的應(yīng)用［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2002(01):2 -8.

［3］葛家琪，王樹，梁海彤等.2008 奧運(yùn)會(huì)羽毛球館新型弦支穹頂預(yù)應(yīng)力大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2007(06):10 -22.

［4］葛家琪，張愛林，楊維國等.基于性能的大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011(12):3 -10.

［5］郭彥林，崔曉強(qiáng).大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的若干技術(shù)問題及探討［J］.工業(yè)建筑，2004(12):1 -6.