關(guān)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的研究

烏晉東

0 引言

大跨度空間的鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)是當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域中一項(xiàng)前沿性技術(shù)，與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的應(yīng)用起步要更晚一些，但是我國(guó)大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展速度很快，在實(shí)際應(yīng)用中，技術(shù)也在逐漸創(chuàng)新和完善。對(duì)于我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展而言，大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)是尤為關(guān)鍵的一步。諸如北京奧運(yùn)會(huì)修建的水立方、鳥(niǎo)巢等都是具有代表性的大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑作品，這些建筑無(wú)論是在外形魅力還是技術(shù)方案方面都展現(xiàn)出獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域研究人員都在積極致力于加強(qiáng)對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的研究力度，在大跨度鋼結(jié)構(gòu)研究中施工技術(shù)屬于重點(diǎn)和難點(diǎn)部分，其主要集中在高層建筑、鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架以及橋梁結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的施工技術(shù)，相關(guān)的理論體系還有待完善，如何高效精準(zhǔn)應(yīng)用施工技術(shù)，保證施工進(jìn)度和施工質(zhì)量依然是一個(gè)需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題?；诋?dāng)前關(guān)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的研究成果，本文將立足于當(dāng)前大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工中比較常應(yīng)用的幾種方式以及所涉及到的關(guān)鍵點(diǎn)，著手來(lái)尋求創(chuàng)新與完善，并做出具體闡述。

1 鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，其具體體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：（1）鋼結(jié)構(gòu)以可回收可降解材料為主，具備綠色屬性[1]；（2）鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，重量輕，裝修更為方便；（3）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工一體化，制作較為簡(jiǎn)單，適合大批量生產(chǎn)，可以有效縮短建筑施工的周期；（4）鋼結(jié)構(gòu)具備很強(qiáng)的變形與塑形能力，抗震功能強(qiáng)，穩(wěn)定性高。

以國(guó)家體育館為例，國(guó)家體育館建筑面積是258 000m2，高度是68.5m，24個(gè)桁架柱支撐大跨度屋頂，主體結(jié)構(gòu)和箱形梁交錯(cuò)排列，整體呈鳥(niǎo)巢建筑形式。在國(guó)家體育館的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了諸多新的環(huán)保材料、新的技術(shù)工藝和新型成果。比如，在材料方面，國(guó)家體育館所使用的都是國(guó)產(chǎn)鋼材，厚鋼板是Q345GJ鋼，硫含量和磷含量都比較低，不僅延伸率和冷彎性能很強(qiáng)，而且機(jī)械與焊接性能也比較理想。還有，國(guó)家體育館使用了諸多新型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，大大提升了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2 大跨度鋼結(jié)構(gòu)的特征

（1）現(xiàn)階段大跨度鋼結(jié)構(gòu)形式越發(fā)多元化，出現(xiàn)了越來(lái)越多更具新穎性的結(jié)構(gòu)形式，無(wú)論是在創(chuàng)新性還是復(fù)雜程度方面都有了諸多突破。比較具有代表性的結(jié)構(gòu)形式主要包括索膜結(jié)構(gòu)、張拉整體結(jié)構(gòu)、索穹頂?shù)萚2]。例如：北京工業(yè)大學(xué)體育館應(yīng)用的是大跨度弦支穹頂結(jié)構(gòu)。大跨度空間結(jié)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)，一方面在很大程度上豐富和完善了建筑結(jié)構(gòu)體系，另一方面充分展現(xiàn)出了經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性與合理性的優(yōu)勢(shì)特征[3]。在實(shí)際安裝過(guò)程中，雜交結(jié)構(gòu)體系成功改變了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，同時(shí)降低了結(jié)構(gòu)內(nèi)力峰值，有效提升了經(jīng)濟(jì)效果和安全系數(shù)。

（2）鋼結(jié)構(gòu)的跨度范疇逐步拓寬。就短向跨度來(lái)說(shuō)，高度大于百米的建筑物數(shù)量與日俱增。例如：北京鳥(niǎo)巢體育場(chǎng)的短向跨度為296m，上海水立方游泳中心的短向跨度為177m。在跨度愈來(lái)愈大的形勢(shì)下，我國(guó)建筑超限專家評(píng)審委員會(huì)針對(duì)性制定了大跨度構(gòu)件超限評(píng)審的新規(guī)則。而等級(jí)高和厚度深的特征主要表現(xiàn)在大跨度鋼結(jié)構(gòu)，多使用Q390C、Q420C、Q460E等較高強(qiáng)度級(jí)別的鋼筋，鋼板厚度越來(lái)越厚，部分鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的鋼板厚度已經(jīng)遠(yuǎn)超過(guò)100mm[4]。

（3）大跨度鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求越來(lái)越高。由于要達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)的要求和規(guī)范，構(gòu)件的加工精度要相應(yīng)提高。此外，由于現(xiàn)在很多焊接條件都是一級(jí)規(guī)范，在較大程度上增加了施工難度。

（4）大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工難度越來(lái)越大。大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程中需要數(shù)以萬(wàn)計(jì)的構(gòu)件，小型工程需要大概幾萬(wàn)個(gè)構(gòu)件，大型工程則需要幾十萬(wàn)個(gè)構(gòu)件，這些構(gòu)件形式各不相同，如長(zhǎng)度、尺寸、形狀等。構(gòu)件數(shù)量多、形式豐富，對(duì)于設(shè)計(jì)單位和施工單位而言都具有非常大的困難。在此過(guò)程中，如果涉及到一些難度較大的彎扭構(gòu)件，還需要相關(guān)部門(mén)進(jìn)行專門(mén)的研究和試驗(yàn)，會(huì)加劇相關(guān)操作難度[5]。此外，為了保證大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑工程施工的高精度，一般需要進(jìn)行預(yù)拼裝，使現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量非常大。為了更好地滿足需求和保證焊接質(zhì)量，需要應(yīng)用更多先進(jìn)的施工技術(shù)，施工技術(shù)難度更高。

3 大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中常用施工技術(shù)及實(shí)際應(yīng)用案例

3.1 高空散裝法

高空散裝法，從理論層面來(lái)解釋，指將結(jié)構(gòu)使用到的構(gòu)件劃分為多個(gè)小的散件，然后直接在高空設(shè)計(jì)位置上進(jìn)行安裝的方法。高空安裝法在實(shí)際施工過(guò)程中主要利用兩種方法，分別是懸挑法和支架法。其中，應(yīng)用頻率更高的方法是支架法，因?yàn)橹Ъ芊ǜm合應(yīng)用在節(jié)點(diǎn)比較多的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上面。高空散裝法有利也有弊，其優(yōu)勢(shì)是不需要借助大的起重設(shè)施，弊端是具體搭建過(guò)程中需要使用較多的材料。

案例介紹：一大型建筑站房采用的是大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，最大自由跨度有27m。網(wǎng)架使用的是螺栓球作為節(jié)點(diǎn)，整體呈拱形?？紤]到該建筑站房的大跨度特點(diǎn)，針對(duì)高空屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)搭設(shè)的是滿堂紅腳手架，采用的是高空散裝安裝法來(lái)安裝網(wǎng)架。在安裝之前，例行檢查了網(wǎng)架制作的軸線和標(biāo)高，在確保全部參數(shù)符合要求之后才開(kāi)始搭設(shè)工作，并確立了臨時(shí)支撐點(diǎn)的位置與數(shù)量。使用高空散裝安裝法的過(guò)程中，首先組裝了網(wǎng)架散架，然后將其調(diào)運(yùn)到腳手架平臺(tái)上，在地面均勻攤鋪開(kāi)來(lái)，結(jié)合施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求進(jìn)行組裝。設(shè)置臨時(shí)支點(diǎn)時(shí)，使用了千斤頂，對(duì)其位置和高度進(jìn)行了統(tǒng)一的安排，并對(duì)支點(diǎn)下部進(jìn)行加固，避免支點(diǎn)的局部受力過(guò)大，架子出現(xiàn)下沉問(wèn)題[6]。

3.2 整體吊裝法

整體吊裝法，是把原來(lái)分散的各個(gè)構(gòu)件拼接到一起，用起重設(shè)備把拼接到一起的構(gòu)件吊到指定位置上面，再安排安裝。在當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用中可以看出，整體吊裝法多被應(yīng)用到中等跨度的鋼結(jié)構(gòu)建筑中。與高空散裝法不同的是，整體吊裝法需要借助起重設(shè)備，而且在使用過(guò)程中對(duì)地面施工的影響更大。

案例介紹：沈陽(yáng)南站中央站房屋面鋼桁架結(jié)構(gòu)東西長(zhǎng)286.5m，屋面桁架南北向跨度為21m+66m+21m，兩側(cè)懸挑8.0m?；局W(wǎng)10.5m×21.5m、10.5m×24m，高架層結(jié)構(gòu)標(biāo)高為8.745m，夾層結(jié)構(gòu)標(biāo)高16.4m，屋頂結(jié)構(gòu)標(biāo)高29.91～37.51m。關(guān)于中央站房跨拱桁架安裝方案之一便是采用整體吊裝法。整體吊裝質(zhì)量高，高空施工作業(yè)量少。但也面臨著一些實(shí)際問(wèn)題，如，9m層高混凝土樓板需要達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，才能進(jìn)行桁架拼裝，不能提前進(jìn)行，對(duì)總工期不利；樓板拼裝占用大量作業(yè)面，對(duì)其他工作開(kāi)展不利；桁架起拱高，拼裝時(shí)投入腳手架用量非常大，提升至安裝完畢，桁架可看成簡(jiǎn)支梁轉(zhuǎn)化成連續(xù)梁的過(guò)程，結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力變化較大。

3.3 分段吊裝法

分段吊裝法，是將每一施工層劃分為若干個(gè)安裝段。起重機(jī)在每一段內(nèi)按柱、梁、板的順序分次進(jìn)行安裝，直至該段的構(gòu)件全部安裝完畢，再轉(zhuǎn)移到另一安裝段去。待一層的所有構(gòu)件安裝完畢并最后固定后，再安裝上一層的構(gòu)件。

案例介紹：該工程建筑面積是20 680m2，在設(shè)計(jì)階段為了實(shí)現(xiàn)空間的最大化利用，在屋蓋的設(shè)計(jì)中選用大跨度鋼結(jié)構(gòu)，即大跨度鋼拱支撐空間管桁架和實(shí)腹式工字鋼梁結(jié)構(gòu)受力體系。其中，主體結(jié)構(gòu)共包含2個(gè)拱與18個(gè)榀鋼架，平面桁架最大跨度達(dá)38m，實(shí)腹式工字鋼梁最大跨度達(dá)16m，梁高是800mm。

該工程中，桁架拱的安裝難度最大，為了降低吊裝過(guò)程中的重量，在設(shè)計(jì)屋頂結(jié)構(gòu)時(shí)選擇格構(gòu)式構(gòu)造，但是，如果選擇整體吊裝法，保證吊裝高度達(dá)到33m非常困難。所以，通過(guò)詳細(xì)分析和對(duì)比，最終確定采用分段吊裝法進(jìn)行施工。此外，考慮到本工程中桁架拱的尺度過(guò)大，所以在針對(duì)桁架拱進(jìn)行分段處理時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注吊裝中各部件構(gòu)件變形以及經(jīng)濟(jì)性等情況。

具體結(jié)構(gòu)施工闡述：

（1）該工程中鋼結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件是桁架拱，加工桁架拱的截面是三角管的形狀，總跨度是140m。按照施工方案中確定的分段吊裝方式，桁架拱單元吊裝的尺寸是24m，各個(gè)桁架的邊長(zhǎng)都要超過(guò)5m才可進(jìn)行安裝[7]。

（2）考慮到建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及施工現(xiàn)場(chǎng)的具體環(huán)境，針對(duì)桁架拱的施工選用分段吊裝的方式。在實(shí)際施工中，使用1臺(tái)高于150t的履帶吊車(chē)，在對(duì)桁架拱進(jìn)行吊裝時(shí)將其分成6段完成吊裝，在針對(duì)工字鋼梁進(jìn)行吊裝施工時(shí)，選用1臺(tái)不低于50t的履帶吊車(chē)，開(kāi)始吊裝時(shí)必須在桁架拱的節(jié)點(diǎn)正下方位置進(jìn)行措施桁架的搭設(shè)，在搭設(shè)完成后繼續(xù)調(diào)整，直到找出桁架拱的合適位置才可分段進(jìn)行吊裝。

（3）該工程中，桁架拱橋中間的鋼梁是由兩個(gè)V形段和一個(gè)直線段組合形成，其中，V形段的水平長(zhǎng)度超過(guò)了3m，所以，在吊裝時(shí)對(duì)V形段和直線段相交的正下方位置搭設(shè)了臨時(shí)支撐措施，在進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整后再完成吊裝工作。在開(kāi)始時(shí)，先選擇吊裝V形段，在和桁架拱拼接后再吊裝直線段。從該工程的吊裝施工經(jīng)驗(yàn)中認(rèn)識(shí)到，在吊裝時(shí)必須根據(jù)場(chǎng)地的實(shí)際情況來(lái)選擇與之相匹配的吊裝機(jī)械，吊裝機(jī)械符合要求可以有效保證整體拼裝的精準(zhǔn)度。

3.4 整體提升法

整體提升法，實(shí)施流程是先把起重裝置放在主體構(gòu)件的上方，在完成主體構(gòu)件裝配任務(wù)后再借助吊桿把裝配好的主體構(gòu)件提升到指定位置上面。整體提升法采取的是以小換大的策略，先利用較小的機(jī)械群體安裝一個(gè)較大的構(gòu)件框架。不僅能夠合理減少整體吊裝成本，還能夠把主體結(jié)構(gòu)中存在的附屬部分同步起吊在合適的部位上面，例如電器管線、通風(fēng)設(shè)備等。鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架整體提升裝置如圖1所示。

圖1 一種鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架整體提升裝置

4 大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工要點(diǎn)

4.1 焊接階段施工要點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)焊接階段需要注意以下幾點(diǎn)：（1）在開(kāi)始焊接之前，首先要立足實(shí)際需求來(lái)確定使用的材料，對(duì)焊接電壓和電流進(jìn)行調(diào)整。（2）焊接過(guò)程中要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)變形情況予以高度關(guān)注，同時(shí)保證焊接處的清潔程度，為焊件的應(yīng)用性能提供保障。（3）裝配和檢驗(yàn)過(guò)程中要確保鋼結(jié)構(gòu)的精密度。

4.2 吊裝階段施工要點(diǎn)

一般情況下跨度如果超過(guò)20m，首選方式是整體吊裝，即用整體吊裝來(lái)安裝大跨度的鋼結(jié)構(gòu)。在實(shí)施吊裝應(yīng)用到的具體技術(shù)中，三點(diǎn)吊裝方式應(yīng)用頻率最高，三點(diǎn)吊裝方式以鋼結(jié)構(gòu)的廠房屋面作為支點(diǎn)，對(duì)于組成的構(gòu)件實(shí)施整體吊裝。在完成以軸為核心的屋架吊裝任務(wù)后，還需要用同樣的方式進(jìn)行二次屋架安裝，在此過(guò)程中，要對(duì)屋架的傾斜和側(cè)彎狀況予以高度關(guān)注并進(jìn)行嚴(yán)格控制。在實(shí)際施工過(guò)程中，為了進(jìn)一步保證和提高整體穩(wěn)定性能，通常會(huì)應(yīng)用螺栓對(duì)鋼柱和鋼屋架進(jìn)行連接。在吊裝任務(wù)完成之后，檢驗(yàn)工序必不可少，在檢測(cè)中需要重點(diǎn)關(guān)注幾點(diǎn)內(nèi)容，諸如安裝位置、螺栓固定情況，特別要檢驗(yàn)螺栓對(duì)相鄰屋架是否起到了支撐作用。

4.3 精準(zhǔn)掌控裝配工藝尺寸

大跨度鋼結(jié)構(gòu)的裝配過(guò)程中，需要依據(jù)生產(chǎn)需求精準(zhǔn)掌控裝配的工藝尺寸，使誤差達(dá)到最小化。依據(jù)相關(guān)的裝配流程與圖紙要求進(jìn)行施工與設(shè)計(jì)，確定裝配的工藝尺寸。在放樣時(shí)，施工方需要結(jié)合實(shí)際建設(shè)需求來(lái)控制屋架形式預(yù)留的收縮量，再將放樣的連接板與實(shí)施平臺(tái)進(jìn)行連接，通過(guò)鐵檔的方式進(jìn)行定位，保證施工尺寸大小的準(zhǔn)確性，以前一個(gè)屋架的底模為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行裝配與焊接，保證焊接部位的清潔程度[8]。

4.4 充分應(yīng)用模擬技術(shù)

在當(dāng)今社會(huì)發(fā)展形勢(shì)下，鋼結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展與現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及監(jiān)控設(shè)施的虛擬建設(shè)功能等因素具有緊密的關(guān)聯(lián)?，F(xiàn)在的鋼結(jié)構(gòu)施工在虛擬實(shí)驗(yàn)以及結(jié)構(gòu)模型的助力下，成功解決了之前施工中存在的構(gòu)件偏差問(wèn)題，同時(shí)有效解除了很多安全隱患。如：在施工過(guò)程中，構(gòu)件吊裝或者安裝不到位等因素干擾發(fā)生偏移的情況，在很大程度上影響了整個(gè)工程的受力結(jié)構(gòu)，而模擬技術(shù)的應(yīng)用有效解決了這些問(wèn)題。

4.5 提高施工技術(shù)水平

縱觀當(dāng)前我國(guó)大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑工程的實(shí)際情況，參與大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑工程設(shè)計(jì)與實(shí)施任務(wù)的設(shè)計(jì)師團(tuán)隊(duì)、工程師隊(duì)伍以及施工隊(duì)伍等都是同領(lǐng)域的優(yōu)秀人才。從人才應(yīng)用角度來(lái)看，現(xiàn)階段大跨度鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)工程是當(dāng)前最高端的建造模式之一。因此，要想進(jìn)一步保證大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑工程的質(zhì)量，必須高度關(guān)注建造團(tuán)隊(duì)以及技術(shù)人才的綜合實(shí)力，全力打造更具專業(yè)度、綜合實(shí)力更強(qiáng)的建造隊(duì)伍，與此同時(shí)，要進(jìn)一步加強(qiáng)設(shè)計(jì)以及施工過(guò)程的管理機(jī)制。

5 結(jié)論

綜上所述，大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)已經(jīng)在建筑領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在不同的建筑工程中，其所采用的大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)也不盡相同。每一種施工技術(shù)都有著自身的適用范圍，也有著各自的優(yōu)勢(shì)與不足。施工主體需要秉承一切從實(shí)際出發(fā)的原則，充分考量實(shí)際工程施工需求，精準(zhǔn)選擇出合適的大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)，并在施工過(guò)程中隨時(shí)結(jié)合具體情況來(lái)及時(shí)予以調(diào)整和優(yōu)化。