大跨度鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體提升施工關(guān)鍵技術(shù)及BIM應(yīng)用研究

賀勃濤 姚志剛

1　網(wǎng)架結(jié)構(gòu)造型的分類

隨著近年來社會經(jīng)濟與科技的迅速發(fā)展，建筑工程中的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)造型也產(chǎn)生了諸多的形式和種類，而且也在不斷地研究與創(chuàng)新。由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強、剛度大、自重輕以及節(jié)省鋼材使用量等明顯優(yōu)勢，此項技術(shù)普遍的應(yīng)用于文體館、飛機維修庫、加油站等大跨度工程中。通?？梢詫崿F(xiàn)實際應(yīng)用的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有十余種，但對于各個網(wǎng)架的特性和適合工程的綜合比選之后，現(xiàn)可將網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分為以下三個主類。

1.1　平面桁架系網(wǎng)架

此種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是由平面桁架而演變成型的，組成部分為上下兩個弦桿、豎桿和斜桿，其基本網(wǎng)架單元為網(wǎng)片。平面桁架系網(wǎng)架分為下列四種。

（1）兩向正交正放網(wǎng)架：兩向節(jié)間為偶數(shù)，支撐平面為斜桿以保證傳遞水平荷載；

（2）兩向正交斜放網(wǎng)架：各個榀桁架剛度各異而形成良好的作用空間；

（3）兩向斜交斜放網(wǎng)架：適用于受力欠佳、矩形平面、構(gòu)造復(fù)雜的特殊要求建筑；

（4）三向網(wǎng)架：適用于三角形、圓形和多邊形等跨度較大的網(wǎng)架平面，其受力性能好，空間剛度大。

1.2　四角錐體系網(wǎng)架

此種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可分為下列五種。

（1）正放四角錐網(wǎng)架：應(yīng)用范圍最廣、受力均勻、空間剛度大；

（2）斜放四角錐網(wǎng)架：應(yīng)用較為廣泛，節(jié)點構(gòu)造簡單，弦桿上短下長；

（3）正放抽空四角錐網(wǎng)架：經(jīng)濟效果好、構(gòu)造簡單、桿件數(shù)目少，用于較小跨度平面；

（4）棋盤型四角錐網(wǎng)架：弦桿上短下長，剛度較好；

（5）星型四角錐網(wǎng)架：弦桿上短下長，剛度稍差，適用于中小跨度的平面。

1.3　三角錐體系網(wǎng)架

此種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)組成部分為弦桿和斜桿，根據(jù)三角形的穩(wěn)定性確定結(jié)構(gòu)造型。所以此種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可以順置也可以倒置。根據(jù)其弦桿的連接方式和基本網(wǎng)架單元的組合方式不同，分為下列三種。

（1）三角錐網(wǎng)架：適用于中大跨度平面，受力均勻、空間剛度大；

（2）抽空三角錐網(wǎng)架：適用于中小跨度平面，整體剛度較差；

（3）蜂窩型三角錐網(wǎng)架：適用于中小跨度的周邊支撐網(wǎng)架、多邊形、圓形網(wǎng)架平面。

2　網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)特點

（1）大跨度網(wǎng)架的空間結(jié)構(gòu)通常都是由各個小構(gòu)件組成的，而且各個連接點之間與構(gòu)件都比較單一，所以需要首先完成標準尺寸的單元預(yù)制、構(gòu)件預(yù)制和各個零部件以保證高程度的工業(yè)化。此項操作完成之后既能縮短工期，又能提高成品的質(zhì)量。且網(wǎng)架的各個預(yù)制構(gòu)件和單元的尺寸小、重量輕，故而可以提高運輸、儲存、安裝、卸載的方便度。與此同時，網(wǎng)架的單元結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省了在現(xiàn)場施工安裝時的工作量以及所需技術(shù)措施，且不需要大型起重設(shè)備的運轉(zhuǎn)。

（2）通過綜合比選之后確定應(yīng)用的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，其各個面的受力均勻且剛度較大。即使將其應(yīng)用于大跨度建設(shè)工程時，也能在一定程度上節(jié)省鋼材料的用量。通過比較網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的三向受力與單向受力的平面結(jié)構(gòu)，前者由于重量輕而更能節(jié)省鋼材料的用量。即使其有著多樣曲面的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，只要有精密的設(shè)計方案就能減少其變形、達到受力均勻且合理的目的、節(jié)省鋼材料的用量。

3　大跨度鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體提升施工關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1　鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的制作加工

上文已提及，大跨度網(wǎng)架的空間結(jié)構(gòu)通常都是由各個小構(gòu)件組成的，其采用鋼管或者型鋼為原材料。但由于網(wǎng)架內(nèi)外部之間的桿件連接結(jié)構(gòu)數(shù)量多且網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是封閉式的，因此鋼結(jié)構(gòu)件的制作技術(shù)相對復(fù)雜，且很難矯正已經(jīng)加工成型卻發(fā)生變形的桿件。所以必須嚴格落實大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中的各個鋼結(jié)構(gòu)件和各個桿件的安裝、制作及其焊接等施工工作，且對于最終的網(wǎng)架拼裝結(jié)果進行提升，以達到高效、高質(zhì)、經(jīng)濟、安全的建筑工程。

（1）制作鋼管：鋼管的制作工藝中，根據(jù)鋼管桿件不同程度的切割要求，采取的儀器是數(shù)控相貫線切割機。此種儀器可以根據(jù)切割前的預(yù)制樣品程序進行自動化切割技術(shù)。由此可以得出，鋼管制作工藝程序中切割樣品程序的編程是尤其重要的。為了達到有效控制與合理提高切割程序質(zhì)量的目的，可以使用CAD與AUTOCAD結(jié)合完成升級與編程。

（2）制作網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中的焊接球結(jié)構(gòu)：制作網(wǎng)架焊接球的第一步就是要對半球進行下料。首先要根據(jù)加工的構(gòu)件坡口和焊接目標的直徑完成下料半球尺寸的計算。再由之前得到的計算結(jié)果進行切割程序，嚴格控制誤差的范圍在1mm左右，并且產(chǎn)生的切割切口不能出現(xiàn)大雨3mm的凹陷或2mm的熔深。制作網(wǎng)架焊接球的第二步為壓制半球。首先需嚴格控制溫度范圍在1000～1100℃之間（脫模溫度保持650℃以上），半球充分煅燒之后，利用液壓機（350～630T）對半球進行施壓并待其成型，再脫模并自然冷卻。制作網(wǎng)架焊接球的第三步為連接半球成為焊接球。焊接時采用的專業(yè)儀器是需二氧化碳氣體對其進行保護的空心球自動焊接機。

3.2　地面組裝

網(wǎng)架地面組裝技術(shù)操作過程中，應(yīng)先在地面組裝好網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的主體部分再進行起吊。其中拼裝場地的嚴謹與否決定了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量，例如拼裝場地需滿足絕對平整以達到高效率的拼裝、網(wǎng)架安裝之前則需要勘探場地以達到高精準的坐標數(shù)據(jù)。

3.3　液壓提升

由圖1可以看出液壓提升技術(shù)的特點如下。

圖1　液壓控制系統(tǒng)技術(shù)體系分析

（1）可以通過設(shè)備的提升進行不斷組合，由此結(jié)構(gòu)整體提升不再受重量、跨度、面積等因素的限制；

（2）承重體系采用柔性鋼絞線，合理的承重點至關(guān)重要，如果承重點的選擇合理客觀，則整體提升的幅度和高度就不受限制；

（3）提升油缸錨可以實現(xiàn)逆向運動自我鎖定，既保證了液壓提升操作過程的安全，又可以長期可靠地在任意位置實現(xiàn)鎖定各個構(gòu)件的目的；

（4）液壓提升設(shè)備承載能力大、體積小、重量輕。

3.4　同步控制

某屋蓋項目中，計算機同步控制技術(shù)的高效實施得到了各行各界的一致認可和高度評價。先提出此項技術(shù)應(yīng)滿足以下要求。

（1）需保持各個吊點提升時的同步性，且控制誤差范圍在-10～10mm之間；

（2）需保證每一臺液壓提升設(shè)備的受載均勻。

4　BIM的應(yīng)用

工程施工人員對于工程設(shè)計圖紙的轉(zhuǎn)換理解能力，是二維表達在建筑工程的傳統(tǒng)工作模式中的重要決定因素。諸如上文提及的文體館、飛機維修庫、加油站等大跨度工程，應(yīng)用到BIM技術(shù)可更直觀地處理信息模型和分析工程的參數(shù)化，以此保證高效率地完成施工任務(wù)。

4.1　建立三維模型

Tekla Structure軟件主要用于實現(xiàn)網(wǎng)架主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的三維建模，其特性是該軟件允許同一模型多人同時建模。其主要工藝流程為：首先鍵入某工程所需要的全部信息于BIM模型中；再經(jīng)過綜合管線完成布設(shè)復(fù)核之后得到項目工程的BIM模型。

圖2　生成BIM的綜合模型流程圖

4.2　模擬構(gòu)件

建筑工程的傳統(tǒng)平面工作模式中工作難度大，是由于其網(wǎng)架構(gòu)件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、構(gòu)件數(shù)量多等因素影響。而由BIM構(gòu)建出的三維模型能精確地完成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的施工任務(wù)，其主要工作原理為：簡單化地呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的網(wǎng)架空間形態(tài)以及降低現(xiàn)場安裝工程的誤差和錯誤率。除此之外，BIM還真實的將倒角、螺栓、孔距等構(gòu)件反映在了三維模型當中，簡單、高效地完成了構(gòu)件的模擬。

4.3　模擬施工

這一工藝的主要目的在于復(fù)核設(shè)計方案是否完全可行以及進行施工方案的完善。傳統(tǒng)施工方式中，很難實現(xiàn)精準地控制鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對接點的坐標，也就很難實現(xiàn)實際安裝工作的準備。故而施工模擬這一工藝提高了整個工程工作的管理和控制效率。

4.4　BIM技術(shù)的優(yōu)點

（1）作業(yè)流程具有同時性、高效性；

（2）模擬工藝具有精確性、直觀性；

（3）施工結(jié)果具有節(jié)約性、高質(zhì)性。

5　結(jié)束語

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，各種建筑工程的施工量也會大幅度增加，大跨度鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體提升施工技術(shù)的應(yīng)用也會越來越普遍。由于大跨度鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)造型的裝卸有著很大的難度，所以掌握其整體提升施工的關(guān)鍵技術(shù)是保證建筑物的安全性與穩(wěn)定性的先決條件?，F(xiàn)階段通過大量大跨度鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體提升施工的最終結(jié)果表明，這一技術(shù)在現(xiàn)場施工過程中存在的問題越來越少，其施工方式和工藝在進一步地發(fā)展、完善、創(chuàng)新并逐漸成熟。

[1]曾強.空間鋼結(jié)構(gòu)計算機控制液化整體提升技術(shù)[J].施工技術(shù)，2014：15～17.

[2]陳冬冬.大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體提升技術(shù)研究與應(yīng)用[J].重慶大學(xué)，2013：24～25.