李衛(wèi)永,趙 鵬
(中建二局第一建筑工程有限公司,北京 100176)
隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人們的生活質(zhì)量和生活水平得到顯著提升,同時(shí)人們對(duì)建筑要求也越來越高。大跨空間鋼結(jié)構(gòu)具有造型美觀、形式多樣等特點(diǎn),深受廣大設(shè)計(jì)師青睞,并被廣泛應(yīng)用于會(huì)展中心、體育館、機(jī)場(chǎng)建筑及大型公共建筑。
大跨空間鋼結(jié)構(gòu)形式多樣,其中最具代表性的是奧運(yùn)建筑,幾乎所有的奧運(yùn)建筑均采用大跨空間鋼結(jié)構(gòu)建造,同時(shí)奧運(yùn)建筑也為大跨空間鋼結(jié)構(gòu)提供了實(shí)踐機(jī)會(huì)和展示舞臺(tái),使大跨空間鋼結(jié)構(gòu)得到更好的發(fā)展。例如,1960年,羅馬奧運(yùn)會(huì)的大小體育館均采用大跨空間鋼結(jié)構(gòu)中的裝配現(xiàn)澆式鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu);1964年,東京奧運(yùn)會(huì)場(chǎng)地東京代代木國立體育中心采用大跨空間鋼結(jié)構(gòu)中的張拉結(jié)構(gòu);1980年,莫斯科奧運(yùn)會(huì)場(chǎng)地莫斯科中央紅軍之家綜合體育館采用大跨度空間桁架網(wǎng)架結(jié)構(gòu);1992年,巴塞羅那奧運(yùn)會(huì)場(chǎng)地巴塞羅那圣喬地體育館則采用的是大跨度空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。大跨度結(jié)構(gòu)建筑指的是橫向跨度超過30m的空間建筑,大跨空間鋼結(jié)構(gòu)具體可分為以下4類:①實(shí)體結(jié)構(gòu) 包括折板結(jié)構(gòu)和薄殼結(jié)構(gòu);②網(wǎng)格結(jié)構(gòu) 包括網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu);③張拉結(jié)構(gòu) 包括膜結(jié)構(gòu)和懸架結(jié)構(gòu);④其他新型大跨空間結(jié)構(gòu) 包括開合屋蓋結(jié)構(gòu)、張弦結(jié)構(gòu)、折疊式結(jié)構(gòu)及整體張拉預(yù)應(yīng)力拱架結(jié)構(gòu)。
網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是指用多根桿件按照網(wǎng)格形式進(jìn)行連接所形成的空間結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、剛度大、抗震性良好及空間受力等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于俱樂部、會(huì)議廳、候車廳、展覽館和體育館等屋蓋結(jié)構(gòu)[1]。而且網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有外形美觀、工業(yè)化程度高和穩(wěn)定性良好等特點(diǎn)。但也具有桿件數(shù)量較多、安裝較復(fù)雜的缺點(diǎn)。
網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)指的是一種與平板網(wǎng)架較相似的空間桿系結(jié)構(gòu),主要以桿件為基礎(chǔ),并按照相關(guān)規(guī)律組成網(wǎng)格,根據(jù)殼體結(jié)構(gòu)所布置而成的空間構(gòu)架,網(wǎng)格具有殼體和桿系的雙重性質(zhì)。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)最主要的特點(diǎn)是能通過殼內(nèi)2個(gè)方向的壓力和拉力逐點(diǎn)傳力[2]。我國北京奧林匹克體育中心綜合體育館于1989年建成,體育館平面尺寸為83m×70m,所采用的是人字形截面雙層圓柱面斜拉網(wǎng)殼,這也是當(dāng)前我國跨度最大的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),1989年,我國還建立了濮陽中原化肥尿素散裝庫,截平面尺寸為153m×85m,所采用的是雙層正放四角錐圓柱面網(wǎng)殼,是當(dāng)前我國覆蓋面積最大的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)建筑。我國鄭州體育館于1967年建成,平面直徑64m,高9.14m,采用內(nèi)環(huán)形穹頂網(wǎng)殼,是我國跨度最大的單層球面網(wǎng)殼。
我國懸索結(jié)構(gòu)的典型建筑為北京工人體育館,懸索結(jié)構(gòu)是由柔性拉索和一些邊緣構(gòu)件所組成的承重結(jié)構(gòu)[3],可運(yùn)用鋼絲繩、鏈、圓鋼、鋼絲束及其他受拉性能良好的材料作為懸索材料。懸索結(jié)構(gòu)能將高強(qiáng)材料的抗拉性能充分發(fā)揮出來,而且具有省材料、施工簡(jiǎn)潔和跨度大等特點(diǎn)。懸索結(jié)構(gòu)的應(yīng)用起源于古代的竹和藤等材料所制作的吊橋。近年來,懸索結(jié)構(gòu)除應(yīng)用于大跨度橋梁工程以外,還會(huì)在展覽館、飛機(jī)場(chǎng)、倉庫和體育館等領(lǐng)域應(yīng)用。
1)大跨空間鋼結(jié)構(gòu)形式多樣,而且施工技術(shù)極其復(fù)雜,例如,廣州國際會(huì)展中心跨度126.6m,國家游泳中心跨度為177m,國家體育場(chǎng)跨度為296m,而南京奧體中心體育場(chǎng)跨度為360m。
2)大跨空間鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式存在一定差異,不再采用單一的結(jié)構(gòu)形式,而是不斷涌現(xiàn)出各種組合和新的結(jié)構(gòu)形式。例如,鳥巢采用極其復(fù)雜的扭曲空間桁架結(jié)構(gòu),廣州國際會(huì)展中心采用張弦桁架結(jié)構(gòu)。
3)在大跨空間鋼結(jié)構(gòu)中,預(yù)應(yīng)力雖然是一種新技術(shù),但得到廣泛應(yīng)用,這一技術(shù)的應(yīng)用逐漸形成諸多新型結(jié)構(gòu)形式,如索膜結(jié)構(gòu)、張拉整體結(jié)構(gòu)及索穹頂?shù)?。我國國家體育館所采用的就是雙向張弦梁結(jié)構(gòu),而奧運(yùn)會(huì)羽毛球館所采用的是弦支穹頂結(jié)構(gòu)[4]。將預(yù)應(yīng)力應(yīng)用于大跨空間鋼結(jié)構(gòu)當(dāng)中,不僅能使整體結(jié)構(gòu)更加科學(xué)合理,而且能有效降低成本。應(yīng)用預(yù)應(yīng)力對(duì)大跨空間鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善,能降低內(nèi)力峰值,提高結(jié)構(gòu)剛度,同時(shí)能有效提高建筑質(zhì)量和建筑效果。
4)在大跨空間鋼結(jié)構(gòu)中,由于施工難度較大,而且對(duì)精度要求較高,所以這類工程大部分屬于國家重點(diǎn)工程,對(duì)于工程質(zhì)量和效率要求極高。所以需有效提高加工精度,以更好地滿足質(zhì)量要求。很多焊縫需保證一級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn),這給建筑工程施工帶來較大困難,施工量較大,而且技術(shù)難度極高,所以為提高工程質(zhì)量,需對(duì)工程進(jìn)行預(yù)拼裝。
高空滑移法是指網(wǎng)架單元在預(yù)先設(shè)置好的滑軌上進(jìn)行移動(dòng)至設(shè)計(jì)好的位置,最終拼接成一個(gè)整體。此網(wǎng)架單元可事先在地面拼接,然后再用起重機(jī)吊到支架上[5]。如果沒有充足的設(shè)備或受其他因素限制,也可先拼接一些小的散件,然后在空中將其拼成條狀單元。高空支架一般會(huì)設(shè)置在建筑物的一端,在滑移過程中,網(wǎng)架的吊裝單元由一端滑向另一端。高空滑移法可分為單條滑移法和逐條累積滑移法2種。
高空散裝法是指將全部節(jié)點(diǎn)和桿件在空中拼裝成一個(gè)整體。高空散裝法分為懸挑法和全支架法,懸挑法多用于高空總拼,全支架法一般應(yīng)用于散件拼接。這種施工模式較簡(jiǎn)單,雖然工作效率較低,但安全性極高。高空散裝法適用于非焊接的各種網(wǎng)架屋蓋,不需要應(yīng)用較大的起重設(shè)備,同時(shí)能確保工程質(zhì)量。
分條分塊安裝法是指將網(wǎng)架呈現(xiàn)塊狀單元或條狀單元,再分別由起重機(jī)將其擱置于高空中所設(shè)計(jì)的位置,然后進(jìn)行拼接[6]。這一方法中的拼裝和焊接工作大部分在地面進(jìn)行,能有效提高工程效率和質(zhì)量,還可節(jié)省較多的拼裝支架。而且由于分條單元或分塊單元的重量和起重機(jī)設(shè)備相適應(yīng),所以可運(yùn)用起重機(jī)設(shè)備吊裝網(wǎng)架,能有效節(jié)省成本。這種方法適用于中小型網(wǎng)架結(jié)構(gòu),但仍有一定的高空作業(yè)量。
整體提升法是指在結(jié)構(gòu)柱上對(duì)提升設(shè)備和提升網(wǎng)架進(jìn)行安裝。整體提升法可分為滑模提升法和單獨(dú)提升法等,整體提升法屬于一種新型的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)方法,而且更適用于小型設(shè)備安裝。
整體頂升法是指在結(jié)構(gòu)點(diǎn)下安裝千斤頂,安裝結(jié)束后逐漸將結(jié)構(gòu)頂升到相應(yīng)的位置上。整體頂升法和整體提升法存在一定的相似之處,二者最大的區(qū)別在于提升設(shè)備和位置不同,整體頂升法的支點(diǎn)在下面,而整體提升法的支點(diǎn)在上面,二者之間的作用原理相反。采用整體提升法時(shí),只需將提升設(shè)備垂直安裝就能有效將網(wǎng)架上升。在應(yīng)用整體頂升法時(shí),如果沒有導(dǎo)向措施,則有可能發(fā)生偏轉(zhuǎn)情況。二者的共同特點(diǎn)是在安裝過程中無法移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。
整體吊裝法是指在地面上將網(wǎng)架拼成整體,再用相應(yīng)的起重設(shè)備將鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件提升到設(shè)計(jì)位置。在采用整體吊裝法安裝空間鋼結(jié)構(gòu)時(shí),可在場(chǎng)外進(jìn)行總拼或在柱錯(cuò)位處進(jìn)行總拼,這種方法更適用于焊接連接網(wǎng)架,這樣能使焊接質(zhì)量得到有效提升,還能確保焊接位置的準(zhǔn)確性。這方法最大的缺點(diǎn)就是需要較大的起重設(shè)施,而且對(duì)停機(jī)點(diǎn)有一定要求,這會(huì)使整個(gè)工程受到一定影響,更適用于小跨度或中跨度的空間結(jié)構(gòu)。
移動(dòng)支架安裝法是指在可移動(dòng)的支架上進(jìn)行安裝,對(duì)已安裝好的結(jié)構(gòu)部分可設(shè)置固定的臨時(shí)支撐以控制變位,在結(jié)構(gòu)安裝結(jié)束后再將臨時(shí)支撐撤去。雖然移動(dòng)支架安裝的穩(wěn)定性要低于固定支架,但移動(dòng)支架使用較少的支撐腳手架,能在很大程度上節(jié)約勞動(dòng)力,同時(shí)能加快施工進(jìn)度,而且不需要大型起重機(jī),施工方法較為簡(jiǎn)單,可有效降低施工成本。
近些年,我國建筑的規(guī)模和跨度逐漸增加,并采取了諸多新技術(shù)和新材料,也研發(fā)出更多的空間結(jié)構(gòu)形式。相信隨著對(duì)施工技術(shù)的進(jìn)一步研究和實(shí)踐,我國相關(guān)科研人員能夠研發(fā)出更適合我國大跨空間鋼結(jié)構(gòu)所需要的新技術(shù)、新體系和新材料,從而有效促進(jìn)我國建筑業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。