現(xiàn)代大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

張宗勝

摘 要：大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)是對人們的大空間需求的積極響應，依托復雜的結(jié)構(gòu)設計和優(yōu)質(zhì)的材料性能形成大跨度空間，為人們提供相對廣闊的室內(nèi)空間。然而，該種結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)是以復雜的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的，對施工技術(shù)提出更高的要求。一定程度上，合理的施工技術(shù)是建設大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的決定要素。因此，本文對現(xiàn)代大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)進行論述，僅供施工人員參考。

關(guān)鍵詞：大跨度；空間鋼結(jié)構(gòu)；施工技術(shù)

中圖分類號： U445 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2017）04-76-2

0 引言

建筑是伴隨人類文明的發(fā)展而興起的，從最初的遮風擋雨到后來的生活、生產(chǎn)場所，建筑在社會發(fā)展中的地位與日俱增，成為人類日?；顒拥闹匾A(chǔ)要素。近些年，得益于建筑施工技術(shù)的發(fā)展和材料技術(shù)的更新，諸多先進的設計理念得以實現(xiàn)，為人們提供更加廣闊的室內(nèi)空間，滿足人類活動對空間的需要。其中，大跨度空間結(jié)構(gòu)就是為滿足人們的空間需要而形成的建筑結(jié)構(gòu)，能夠提供相對廣闊的室內(nèi)空間，滿足體育場館、博物館、大型會展中心等場所的需要。

1 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的主要類型

在建筑施工領(lǐng)域，將室內(nèi)空間跨度超過30m的建筑結(jié)構(gòu)稱之為大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)，是近些年興起的新型空間結(jié)構(gòu)形式[1]。與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)相比，該種結(jié)構(gòu)形式取消了建筑物內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)空間的整體拓展，滿足現(xiàn)代建筑對大空間的需要。根據(jù)結(jié)構(gòu)支撐形式的不同，大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)可以分為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和懸索結(jié)構(gòu)三種形式[2]。

1.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是由許多鋼管等構(gòu)件按照特定的空間布局進行連接，形成的空間架構(gòu)，能夠?qū)ㄖ锏奈蓓斊鸬搅己玫闹涡Ч?，形成巨大的下部懸空空間。該種結(jié)構(gòu)形式具有支撐力強、穩(wěn)定性好、形式美觀等優(yōu)點，是建筑施工中常用的大跨度空間結(jié)構(gòu)。但是，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)需要借助鉸接或焊接等形式實現(xiàn)連接，節(jié)點數(shù)量眾多，導致施工工期較長，對施工人員的素質(zhì)要求較高，因而施工的難度較大，效率偏低、成本偏高，這成為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的主要缺陷，影響結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實應用。

1.2 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

簡單來說，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)就是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的相關(guān)構(gòu)件呈現(xiàn)網(wǎng)狀分布，通過對網(wǎng)殼施加水平的壓力和拉力給予建筑物的頂部結(jié)構(gòu)以穩(wěn)定的力學支撐。1967年施工的鄭州體育館即采用結(jié)構(gòu)形式。該種結(jié)構(gòu)形式兼具桿系和殼系的特點，能夠提供較為穩(wěn)定的支撐力，具有自重低、施工便捷，穩(wěn)定可靠的特點，是最具應用前景的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)形式。

1.3 懸索結(jié)構(gòu)

懸索結(jié)構(gòu)主要依靠柔性繩索的拉力作用實現(xiàn)結(jié)構(gòu)承重的，其承重性能主要受到繩索的材質(zhì)和性能影響。隨著材料科學的發(fā)展，各類柔性材料、復合材料相繼問世，大幅度提高了繩索的力學性能，使得懸索結(jié)構(gòu)具備更高的承載能力，成為建筑業(yè)的重要結(jié)構(gòu)形式之一?？傮w來看，該種結(jié)構(gòu)形式自重輕、跨度大、施工簡便、節(jié)約材料，符合建筑行業(yè)的未來發(fā)展趨勢，在當下的橋梁、水利等工程領(lǐng)域應用較為普遍。

2 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工的基本特征

2.1 材料強度高、厚度大

隨著跨度的增加，結(jié)構(gòu)材料受到的力學作用呈現(xiàn)幾何增長，對材料的力學性能提出較高的要求。當前的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)不滿足30m的跨度下限要求，向著更大跨度發(fā)展，為了保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，需要對材料的進行精心選擇，選擇具有較高強度的材料作為建筑構(gòu)件的主體材料。同時，應該保證材料具有一定的尺寸厚度[3]，從而實現(xiàn)對建筑物載荷的穩(wěn)定支撐。

2.2 空間結(jié)構(gòu)日趨多樣化

目前，大跨度空間結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足于基本的空間造型，在滿足場內(nèi)空間需求的同時，其結(jié)構(gòu)形式正日趨多樣化，借助仿生學等靈感設計的新型空間鋼結(jié)構(gòu)形式不斷的涌現(xiàn)，極大地豐富了空間結(jié)構(gòu)的形式，實現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)的多樣化提升，為人們提供大量的造型美觀、結(jié)構(gòu)合理的大跨度建筑。

2.3 設計難度大

與普通的建筑結(jié)構(gòu)形式相比，大跨度空間結(jié)構(gòu)需要由數(shù)量眾多的桿件構(gòu)成，存在數(shù)量極為龐大的節(jié)點，如果桿件的空間位置發(fā)生偏差或某個節(jié)點的連接情況出現(xiàn)問題，將會導致整個結(jié)構(gòu)受到影響，無法實現(xiàn)可靠的力學傳遞，造成整個鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，造成的危害是極為嚴重的。所以，此類結(jié)構(gòu)的設計都是需要經(jīng)過反復的計算和驗證的。近些年，得益于計算機技術(shù)的發(fā)展，可以借助模擬軟件實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的仿真驗證，大幅度提高了設計的效率和質(zhì)量，對設計工作起到一定的輔助和簡化作用。

2.4 構(gòu)件的安裝精度要求高

與常規(guī)結(jié)構(gòu)形式相比，大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)缺乏中間區(qū)域的力學支撐，需要借助復雜的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)力學的有效傳遞。在力學的傳遞過程中，需要結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件位置合理、連接精確，否則將導致力學傳遞受阻，造成結(jié)構(gòu)的損壞或失衡。因此，該種結(jié)構(gòu)形式對構(gòu)件的安裝精度要求較高，應保證構(gòu)件的空間位置準確、焊接質(zhì)量達標，能夠形成合理的鋼結(jié)構(gòu)整體，發(fā)揮穩(wěn)定的承載效果。

3 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)淺析

3.1 高空原位單元安裝技術(shù)

該種安裝技術(shù)屬于原位安裝技術(shù)，即將構(gòu)件直接運輸?shù)筋A先設計的安裝位置進行固定，然后對構(gòu)件之間采取焊接方式連接，完成安裝工作。這種安裝方式省略了吊運和拼裝的實際，但是對施工提出更高的要求。具體來說，首先，應該搭建穩(wěn)定的高空作業(yè)平臺，滿足安裝的空間要求；其次，對構(gòu)件進行合理固定，避免因固定不當導致的安裝結(jié)構(gòu)的破壞；最后，注意焊接的效率和速度，盡可能采取多點施工，提升施工的效率，盡早形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)支撐。[4]

3.2 分段吊裝技術(shù)

所謂分段吊裝是指進行吊裝前先對構(gòu)件進行小區(qū)域的拼裝，形成相對獨立的穩(wěn)固單元，之后對單元進行吊裝，在預先設計的位置進行拼接，最終形成統(tǒng)一的空間結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)形式能夠減少一定量的高空安裝任務，降低施工的高峰風險，對高空吊裝設備的需求相對較大，是大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工的常用技術(shù)。

3.3 整體安裝技術(shù)

整體安裝技術(shù)是對分段吊裝技術(shù)的極限化，結(jié)構(gòu)的所有構(gòu)件在地面拼裝完成，之后通過高空起重設備起吊到設計為主，進行固定，完成整個安裝工作。該種安裝技術(shù)能夠大度降低高空安裝的工作量，給予施工極大的安全和質(zhì)量保證。此外，在地面完成整個拼裝工作，臨時固定點的需求少，節(jié)省相應的固定工作量。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的提升方式的不同，整體安裝技術(shù)可以細分為整體提升安裝技術(shù)、整體吊裝安裝技術(shù)和頂升安裝技術(shù)三種。①整體提升安裝技術(shù)。該技術(shù)是通過起重機或提升設備將地面組裝的鋼結(jié)構(gòu)提升到合適的高度進行安裝[5]，在實際的施工中應用最為普遍，其施工的難點在于控制提升的高度。近年來，隨著機械自動化技術(shù)的發(fā)展，提升過程借助計算機軟件可以實現(xiàn)有效的過程控制。②整體吊裝安裝技術(shù)。與提升安裝技術(shù)不同，吊裝技術(shù)是借助特殊的機械設備實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的吊運提升。③頂升安裝技術(shù)。該種安裝技術(shù)的主要設備為千斤頂和輔助支架，借助千斤頂將鋼結(jié)構(gòu)抬升一定的高度，然后用臨時支架進行輔助支撐和固定，之后在此應用千斤頂進行抬升，重復上述過程，直到到達設計位置。相較而言，該種安裝技術(shù)的應用較少。

3.4 高空滑移技術(shù)

高空滑移技術(shù)是在其他區(qū)域進行鋼結(jié)構(gòu)的部分組裝，一般分為按條組裝或按塊組裝，組裝完成后借助特定的滑軌進行條塊的空間移動，到達設計位置后進行拼裝。該種安裝方式實現(xiàn)安裝區(qū)域和拼接區(qū)域的分離，能夠避免相互之間的干擾，而且對施工場地的要求相對較小，因而，在施工中的應用相對較多。該技術(shù)是對高空原位單元安裝技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)對原技術(shù)的施工風險的降低，提升了安裝的安全性和可靠性。

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著社會的發(fā)展和人們對建筑空間的需求提升，大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)將成為建筑物的重要結(jié)構(gòu)形式之一。廣大的設計與施工人員應該結(jié)合行業(yè)的發(fā)展實際，積極探索大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的形式和施工技術(shù)，提升施工的效率和質(zhì)量，降低施工中的風險，為社會提供優(yōu)質(zhì)高效的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)建筑。

參 考 文 獻

[1] 葉杭鋒.關(guān)于現(xiàn)代大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的研究[J].中國水運月刊，2013，13（4）：287-288.

[2] 劉志萌.現(xiàn)代大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)[J].工程技術(shù)：全文版，2016（6）：00086.

[3] 江捷.現(xiàn)代大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)[J].中國科技博覽，2015（45）：211.

[4] 羅潤莊.大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究[J].全文版：工程技術(shù)，2016（6）：95.

[5] 鮮君，張福.大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)安裝施工技術(shù)研究[J].工業(yè)c，2016（6）：00137.