大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工的質(zhì)量控制研究

唐國鋒，羅小斌，田瀲全，張 凡（廣東鼎耀工程技術(shù)有限公司，廣東 佛山 528200）

0 引言

在經(jīng)濟(jì)、文化飛速發(fā)展和城市化建設(shè)進(jìn)程日益推進(jìn)的背景下，越來越多的高層、超高層、大跨度建筑在城市中心聳立，而這些高層、超高層、大跨度等大型建筑物的建造技術(shù)水平往往是一個國家建筑科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)工程作為大型公共建筑是城市整體規(guī)劃的一部分,也代表了該地區(qū)的形象定位及經(jīng)濟(jì)發(fā)展，由此突顯出該類建筑的重要性。由于大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)公共建筑越來越追求公共安全性和美學(xué)觀賞性，出現(xiàn)了外立面復(fù)雜、鋼節(jié)點變化大、拼裝精度要求高、施工吊裝難度大等一系列建造難題。為此，筆者以廣東省佛山市南海區(qū)體育中心（以下簡稱“體育中心”）工程為例，研究分析大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)建造過程的質(zhì)量控制方法，以及對施工安全、工程質(zhì)量、材料成本和建造工期的影響，以期對研究相類似工程的質(zhì)量控制方法具有一定的指導(dǎo)意義。

1 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)建筑工程的特點

1.1 鋼結(jié)構(gòu)桿件、節(jié)點類型復(fù)雜多樣化

體育中心大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程由幾萬余件的鋼構(gòu)件主結(jié)構(gòu)、次結(jié)構(gòu)等桿件組成（見圖 1），桁架桿件、節(jié)點類型復(fù)雜多樣，鋼柱多為斜柱，柱腳處為向心關(guān)節(jié)軸承及抗震球支座節(jié)點，屋面桁架為曲面結(jié)構(gòu)。由于構(gòu)造較復(fù)雜、投影面積大、施工工序多、鋼結(jié)構(gòu)工程桿件多等，連接處的安裝精度極高，安裝質(zhì)量難以控制，必須要對極為復(fù)雜的桿件和節(jié)點進(jìn)行定位質(zhì)量控制，并對對接的鋼構(gòu)桿件進(jìn)行深化設(shè)計。同時，在構(gòu)件制作、散件運輸和鋼構(gòu)件安裝時，考慮到材料特性、受力狀態(tài)和外界溫度等因素的影響，桿件的加工精度極高，對其加工工效造成嚴(yán)重影響。鑒于構(gòu)件加工精度公差的匹配性和互換性，需要以較高的研究方法來嚴(yán)格控制大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。

圖1 體育中心部分鋼結(jié)構(gòu)桿件、節(jié)點類型示意圖

1.2 現(xiàn)場拼裝焊接難度大、焊接工作量大

在體育中心鋼結(jié)構(gòu)中，大部分桿件相貫線多、桿件夾角小，還有大量的異型構(gòu)件和彎扭構(gòu)件，拼裝難度極大；桿件以工廠加工為主，然后散件運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，再由施工單位現(xiàn)場進(jìn)行組裝焊接，焊接工作量非常大。施工現(xiàn)場組裝焊接主要使用對接焊接和桁架焊接，對接焊接主要有支撐柱的焊接和桁架的焊接，對弦桿與腹桿進(jìn)行組裝式的焊接。在焊接過程中必須采用平焊、橫焊、立焊、角焊等多種焊縫方式進(jìn)行綜合作業(yè)，才能保證鋼結(jié)構(gòu)桿件的拼裝完整，也因此加重了焊接的難度，增大了焊接的工作量；而且這種全方位的焊接模式容易對鋼結(jié)構(gòu)桿件產(chǎn)生焊接應(yīng)力，并影響到大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的施工安全和使用壽命。因此，控制焊接應(yīng)力與焊接變形是該工程的質(zhì)量控制要點。

1.3 跨度大、重量重，高空作業(yè)吊裝安全風(fēng)險高

體育中心工程主要由 5 道環(huán)桁架及交叉桁架組成，東西方向長度為 220 m，南北方向長度約為 380 m。桁架最大懸挑長度為 14 m，單榀桁架最大跨度為 39.2 m，最大安裝高度為 36.9 m。由于桁架高度高、跨度大，在起吊過程中容易受到風(fēng)荷載等外界環(huán)境因素的影響，給施工安全帶來較大的隱患，因而必須采取安全可靠的措施。本工程分段桁架采用分段吊裝的方法進(jìn)行高空對接安裝，在分段桁架吊裝之前必須分別在分段桁架的兩端各懸掛吊籃，以便工人站在吊籃中進(jìn)行分段桁架的高空對接工作，因此必須嚴(yán)格計算分析各種外界影響因素，在控制吊裝施工過程質(zhì)量的同時，確保高空作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性。

1.3 結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換卸載點多且面廣，同步卸載控制難

卸載鋼結(jié)構(gòu)，不僅卸載鋼結(jié)構(gòu)的臨時支撐，而且逐步轉(zhuǎn)換鋼結(jié)構(gòu)體系的受力情況。在卸載過程中，鋼構(gòu)件本身產(chǎn)生的內(nèi)力和臨時支撐轉(zhuǎn)換引起的受力變化都會造成鋼構(gòu)件的不規(guī)則應(yīng)力變化，因而需要制定合理的卸載工藝和卸載順序來控制卸載過程質(zhì)量。這是工程質(zhì)量和施工安全的重要保障。體育中心屋蓋屬于大跨度鋼結(jié)構(gòu)，屋蓋鋼管桁架面積較大，需要分區(qū)分段卸載，導(dǎo)致卸載點較多且面廣，各分區(qū)整體同步卸載難以控制。另外，多片區(qū)式的安裝、多樣式的組合焊接順序以及產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，往往會導(dǎo)致實際變形量偏離分析理論值，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換完成后的工程質(zhì)量。因此，先要考慮鋼結(jié)構(gòu)的實際受力影響，再進(jìn)行模擬分析與計算，以便對整體質(zhì)量進(jìn)行控制。

2 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工的質(zhì)量控制方法與應(yīng)用

2.1 鋼結(jié)構(gòu)桿件、節(jié)點的精度質(zhì)量控制方法

體育中心工程大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工的質(zhì)量控制方法不同于常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制，本項目采用公差分析、仿真模擬、協(xié)同作業(yè)、以質(zhì)保安的方式。其桿件及節(jié)點質(zhì)量控制方法為：對鋼結(jié)構(gòu)桁架桿件節(jié)點拼裝前進(jìn)行公差分析，使用蒙地卡羅模擬仿真方法，分別從首尺寸和次尺寸加工公差范圍進(jìn)行隨機(jī)取值，使用 BIM 建模進(jìn)行n次的仿真模擬，計算出真實分布的目標(biāo)尺寸值。蒙地卡羅仿真根據(jù)每個尺寸的實際分布，在建筑信息模型中生成相應(yīng)的大量的偽隨機(jī)數(shù)后可以得到目標(biāo)尺寸值，繼而生成目標(biāo)尺寸的分布情況，這是對真實產(chǎn)品進(jìn)行的一種虛擬裝配，也就是為將來在大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工中針對桁架桿件、節(jié)點等類型復(fù)雜多樣的構(gòu)件可能發(fā)生的拼裝作業(yè)而進(jìn)行的模擬拼裝。同時，管桁架跨度大、自重重，構(gòu)件制作和散件運輸都會產(chǎn)生一定的變形量，構(gòu)件也會因堆放、二次搬運、焊接過程等而產(chǎn)生誤差并積累一定的變形值。體育場桁架數(shù)量多且形狀尺寸多樣，加工時如果針對每榀桁架單獨制定加工對策，加工進(jìn)度將非常緩慢，要根據(jù)正態(tài)分布概率適當(dāng)確認(rèn)公差零件精度，用以保證在控制桿件的質(zhì)量同時降低加工成本。在桁架安裝前需對桿件尺寸進(jìn)行檢驗測量，確認(rèn)是否達(dá)到施工現(xiàn)場整體拼裝的精度要求，再并進(jìn)行試拼裝，找出影響拼裝質(zhì)量的各個因素。同時，將這些因素進(jìn)行分類，有側(cè)重點的進(jìn)行品質(zhì)管控，從而來保證鋼結(jié)構(gòu)件吊裝就位的準(zhǔn)確性和快捷性。

2.2 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)焊接的質(zhì)量控制方法

在鋼結(jié)構(gòu)施工處理過程中，焊接工序非常關(guān)鍵，尤其是大型鋼架構(gòu)建筑鋼材的焊接，其工藝要求非常嚴(yán)格[1]。焊接前應(yīng)對各桿件的變形進(jìn)行校正，以保證組裝符合蒙地卡羅仿真公差分析表的要求，校正完成后方可進(jìn)行焊接。焊接中應(yīng)實時監(jiān)測鋼結(jié)構(gòu)的標(biāo)高、水平度和垂直度，一旦發(fā)現(xiàn)有異常情況，應(yīng)立即暫停作業(yè)，并采取糾正措施改變焊接順序，并可對桿件采取加熱校正等特殊處理方法。組裝焊也應(yīng)根據(jù)焊接的累積變形制定合理的焊接工藝，可采取適度的反焊接變形來消除焊接變形。對于焊接中出現(xiàn)的焊接殘余應(yīng)力，可采用錘擊法加以消除或減小，以滿足焊接過程的質(zhì)量要求。為了控制焊接的變形量，焊接時要嚴(yán)格按照對稱施焊的工藝要求，若鋼柱標(biāo)高偏差在 1 cm 以內(nèi)，可通過調(diào)整上段鋼構(gòu)件的焊縫間隙進(jìn)行糾偏；若鋼構(gòu)件標(biāo)高偏差大于 1 cm，應(yīng)把偏差數(shù)值反饋到加工廠，加工廠根據(jù)偏差值適當(dāng)調(diào)整上部鋼柱的加工長度。焊縫外觀檢查合格后，至少需要冷卻 24 h，使鋼構(gòu)件的晶體組織穩(wěn)定下來，隨后按規(guī)范要求采取超聲波等方法對焊縫進(jìn)行無損檢測，并根據(jù)一級焊縫標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工藝評定和結(jié)果分級，對鋼結(jié)構(gòu)焊接的質(zhì)量進(jìn)行整體控制。

2.3 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)吊裝的質(zhì)量控制方法

由于體育中心平面桁架的跨度過大，且結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多變，變形往往發(fā)生在吊裝過程中。為了減小桁架吊裝過程中的變形，桁架吊裝時應(yīng)采取多點吊裝方式，并采用平衡梁轉(zhuǎn)換受力方向，以保證桁架在吊裝過程中受力均勻，不會發(fā)生彎曲、扭曲等變形。臨時支撐應(yīng)主要布置在交叉主桁架、鋼柱支撐及內(nèi)側(cè)懸挑區(qū)域下方，以保證安裝質(zhì)量和施工安全。吊裝前，應(yīng)進(jìn)行施工模擬分析，驗算構(gòu)件在逐步吊裝過程中因重力作用而產(chǎn)生的內(nèi)力和變形，總結(jié)位移量和應(yīng)力值的變化規(guī)律，檢查構(gòu)件是否在逐步施工過程中因內(nèi)力較大而產(chǎn)生的，分析構(gòu)件在工作條件的內(nèi)部強(qiáng)度有關(guān)的累積因素是否會造成較大的安全風(fēng)險。鑒于鋼結(jié)構(gòu)有不可避免的垂直壓縮變形差異，必須進(jìn)行質(zhì)量仿真模擬來選擇相應(yīng)的施工順序，并在每個施工階段對結(jié)構(gòu)的不同高度位置保持不同的后期變形余量值進(jìn)行質(zhì)量控制。同時，需要優(yōu)化因垂直變形差對構(gòu)件施加的附加荷載，使其最小化；施工中對結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測，并對模擬分析值和結(jié)構(gòu)變形值進(jìn)行校核，確定兩者是否相符，通過達(dá)到可預(yù)控、可調(diào)整的效果來控制吊裝質(zhì)量。

2.4 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換卸載的質(zhì)量控制方法

根據(jù)本工程鋼結(jié)構(gòu)的特點，施工中要對鋼結(jié)構(gòu)實施隨時吊裝、隨時支撐，屋面鋼結(jié)構(gòu)桁架組裝后要逐步分級分段卸載。臨時支撐的卸載過程也是鋼結(jié)構(gòu)體系受力狀態(tài)逐步轉(zhuǎn)換的過程。在卸載過程中，鋼構(gòu)件的內(nèi)部強(qiáng)度和臨時支撐的受力情況也會發(fā)生變化。臨時支撐和卸載要采用“現(xiàn)場監(jiān)測、同步控制、分段分區(qū)，逐步卸荷”的方法，當(dāng)臨時支撐卸載時，結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生變化，內(nèi)力重新分配。為此，要對卸載過程進(jìn)行有限元仿真模擬，按照施工設(shè)定的卸載順序，分析其在卸載過程中的變形與應(yīng)力變化，通過控制其過程質(zhì)量來保證結(jié)構(gòu)的安全。施工現(xiàn)場要監(jiān)測實際變形和理論分析值，在整個卸載過程中，結(jié)構(gòu)總位移最大值為 46 mm，出現(xiàn)體育場北側(cè)端部大跨度區(qū)域，由于桁架最大跨度為 39.6 m，即便變形較大，其位移也能夠滿足設(shè)計要求跨度的 1/200，撓度也能夠滿足設(shè)計要求。在質(zhì)量控制過程中，大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)臨時支撐體系被視為一個整體研究對象，采用BIM進(jìn)行建模仿真模擬大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程的受力轉(zhuǎn)換卸載變形量和補(bǔ)償值調(diào)整，提高鋼結(jié)構(gòu)整體的安裝質(zhì)量，以保證施工過程的穩(wěn)定性和安全性。以理論計算為依據(jù)，以變形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力控制為核心，以測量控制為手段，以平穩(wěn)過渡為目標(biāo)，對臨時支撐卸載的方法進(jìn)行質(zhì)量控制；采取分區(qū)同步卸載和分段對稱卸載，并對卸載的過程進(jìn)行仿真模擬和實時監(jiān)控，從而達(dá)到施工安全性和穩(wěn)定性的目的。

3 結(jié)語

綜上所述，本文以體育中心大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程為例，簡述了大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工的質(zhì)量控制研究與應(yīng)用，不僅有效地提升了大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)建筑的工程質(zhì)量、施工安全、施工效率并產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)效益，而且對類似的工程質(zhì)量控制方法提供了良好的工程經(jīng)驗。在大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的施工過程中，由于結(jié)構(gòu)模式的多樣性和桿件的復(fù)雜性，項目的關(guān)鍵質(zhì)量控制點并不完全相同。為了保證大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量和施工安全，工程技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合現(xiàn)場施工情況進(jìn)行分析和總結(jié)，并結(jié)合云計算、大數(shù)據(jù)、無人機(jī)、VR 技術(shù)等新的科技手段進(jìn)一步深入研究，從而為促進(jìn)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)建筑業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。