大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)與質(zhì)量控制

林淑瑾

1 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的類型與建筑特征

1.1 鋼結(jié)構(gòu)類型

1.1.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

目前，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域應(yīng)用較廣。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)內(nèi)部體系中包含很多桿件，這些桿件按照規(guī)定布局進(jìn)行連接，最終形成支撐效能十分突出的空間結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)模型相比，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定性及外形方面都具有明顯的功能優(yōu)勢(shì)，因此越來越多的建筑企業(yè)在具體施工建設(shè)中選擇引入該結(jié)構(gòu)類型[1]。一般情況下，在結(jié)構(gòu)構(gòu)建過程中，需要科學(xué)選擇焊接方法和技術(shù)手段，以獲得更加理想的連接效果。

1.1.2 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有良好的結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)，可以借助多種力的作用形成良好的支撐效果。同時(shí)，與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相比，其具有更加顯著的便捷性特征。另外，其在實(shí)操方面安全性較高，能夠切實(shí)保證作業(yè)人員的安全，而且能夠有效控制變更風(fēng)險(xiǎn)。因此，在建筑實(shí)踐與施工過程中需要規(guī)范利用該結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)工程實(shí)際要求優(yōu)化設(shè)置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安裝方案[2]。例如，廣東省深圳市的深圳灣體育中心，采用樹狀柱支撐的單層空間變曲面彎扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，樹狀柱支撐結(jié)構(gòu)能夠起到良好的支撐效果，而網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的特性與優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了空間曲面的搭建及不同曲率的曲面柔和過渡，從而實(shí)現(xiàn)大跨度結(jié)構(gòu)體系的建造。

1.1.3 懸索結(jié)構(gòu)

懸索結(jié)構(gòu)形式在當(dāng)前建筑市場(chǎng)中的應(yīng)用地位和功能價(jià)值比較顯著。在支撐和承受能力方面，其主要影響因素為繩索。隨著科技水平的不斷提高，繩索材料不斷優(yōu)化，拉力效果越發(fā)突出。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，懸索結(jié)構(gòu)在大跨度方面具有卓越的性能，應(yīng)用在施工項(xiàng)目中具有很大便利性，能夠有效控制施工成本。例如，河北省石家莊國際會(huì)展中心采用雙向懸索結(jié)構(gòu)，縱向索利用受壓豎桿支撐橫向索，以受拉鋼索為主要受力構(gòu)件，充分發(fā)揮鋼材的抗拉強(qiáng)度，自重小，結(jié)構(gòu)跨度大。

1.2 建筑特征

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)建筑物的使用要求越來越高，建筑物跨度越來越大，材料強(qiáng)度等級(jí)也不斷提高。大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑模仿生態(tài)建筑，對(duì)建筑物有著較高的造型要求，因此會(huì)用到各種各樣的節(jié)點(diǎn)[3]。常見節(jié)點(diǎn)形式為球節(jié)點(diǎn)、相貫焊接節(jié)點(diǎn)等，也可用鑄鋼節(jié)點(diǎn)、鍛鋼節(jié)點(diǎn)等滿足更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)需求。

大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工中，施工截面類型非常多，是施工中必須注意的重點(diǎn)。由于加工大跨度鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的難度比較大，因此施工前還需重點(diǎn)關(guān)注彎曲構(gòu)件，確保構(gòu)件符合施工要求后方可施工。另外，在工程施工期間，大跨度鋼結(jié)構(gòu)對(duì)于構(gòu)件組裝、拼接、焊接都有很高的質(zhì)量要求。在加工鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，一定要進(jìn)行嚴(yán)格、精細(xì)的處理，復(fù)雜節(jié)點(diǎn)需要通過工廠預(yù)先拼裝來保證結(jié)構(gòu)的安裝精度。只有提高構(gòu)件質(zhì)量，才能保證工程質(zhì)量。

2 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的施工與安裝

以往施工時(shí)往往只關(guān)注結(jié)構(gòu)使用時(shí)的受力情況，卻忽略了施工期間的受力問題，這必然會(huì)引起施工質(zhì)量問題，埋下安全隱患。大型構(gòu)件吊裝期間的仿真模擬需要模擬所有環(huán)節(jié)的鋼結(jié)構(gòu)受力情況，特別是結(jié)構(gòu)安裝中容易變形位置的模擬，同時(shí)還要模擬結(jié)構(gòu)拼接、卸載過程等一系列內(nèi)容。施工前，需要提前了解工程中存在的問題，這樣才能在項(xiàng)目開展中規(guī)避不良現(xiàn)象，從而完成工程施工全過程控制。例如，福建省福州市海峽奧林匹克體育中心在卸載過程中，構(gòu)件因卸載造成局部受力過大發(fā)生變形，該項(xiàng)目通過模擬仿真技術(shù)提出整體卸載、分級(jí)卸載等措施，最終實(shí)現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)的施工穩(wěn)定。鋼結(jié)構(gòu)模擬仿真技術(shù)如圖1所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)模擬仿真技術(shù)（來源：中建科工集團(tuán)有限公司建模計(jì)算）

工程施工時(shí)還需要使用全過程仿真技術(shù)，仿真驗(yàn)算所有施工階段的工程施工方式，然后確定預(yù)應(yīng)力張拉順序及其方法和力度大小。此外，還要分析單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)初始缺陷，判斷下部支撐架會(huì)給張拉施工環(huán)節(jié)帶來哪些影響，以更好地控制工程施工質(zhì)量。另外，應(yīng)提高對(duì)計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔 助 設(shè) 計(jì)（Computer Aided Design，CAD）技術(shù)的重視程度，在科技不斷更新的同時(shí)確保使用一系列先進(jìn)數(shù)控設(shè)備與信息技術(shù)。空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)品需要綜合使用管理技術(shù)、制造技術(shù)、設(shè)計(jì)技術(shù)以及信息技術(shù)，這樣才能保障生產(chǎn)效率，明確生產(chǎn)目標(biāo)，創(chuàng)新鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。因此，制造鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要靈活結(jié)合CAM 與CAD技術(shù)，這樣才能滿足設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與制造要求，獲得更高的工程施工質(zhì)量。

對(duì)于預(yù)應(yīng)力施工二階平臺(tái)的設(shè)計(jì)，預(yù)應(yīng)力索和網(wǎng)殼施工屬于交替施工，安裝網(wǎng)殼時(shí)，支撐條件對(duì)張拉與預(yù)應(yīng)力索的穿索均有影響。設(shè)計(jì)胎架時(shí)，要從兩個(gè)環(huán)節(jié)搭設(shè)，并采取有效手段，避免徑向鋼拉桿與環(huán)向索相互碰撞，影響工程安全。

對(duì)于大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工而言，合理選擇安裝方法十分重要。選擇安裝方法時(shí)要保障安裝的合理性與經(jīng)濟(jì)性，保證安裝質(zhì)量達(dá)到工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。過去常用的施工方法包括分塊、分條、高空散裝法。但隨著大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)體型越來越大，跨度不斷增加，各種工程材料也持續(xù)更新，原先的安裝方法逐漸無法滿足需求，因此必須創(chuàng)新安裝方法。為了確保工程施工有序進(jìn)行，施工中通常會(huì)應(yīng)用多種類型的安裝技術(shù)，不同工程應(yīng)當(dāng)依據(jù)工程實(shí)際特征選擇相應(yīng)的安裝方案，并合理使用安裝技術(shù)，從而提高工程水平。

3 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)應(yīng)用

3.1 高空原位單元安裝技術(shù)

這種施工技術(shù)需要在特定位置和環(huán)境中安裝構(gòu)件，并通過其他設(shè)施支撐完成高空操作平臺(tái)的搭建，做好空間鋼結(jié)構(gòu)的合理劃分，完成工程吊裝。對(duì)于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)或網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，若采取吊裝操作，必須確保建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性達(dá)標(biāo)，盡可能防止鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性變形情況，避免對(duì)工程質(zhì)量造成不良影響。

此外，還應(yīng)預(yù)設(shè)好鋼結(jié)構(gòu)拼裝焊接順序，保障拼裝效率，提高建筑工程的經(jīng)濟(jì)性[4]。首先，按照工程情況搭建高空作業(yè)平臺(tái)，保證工程質(zhì)量滿足安裝要求。其次，固定構(gòu)件。該環(huán)節(jié)應(yīng)注意結(jié)構(gòu)安裝問題，以防構(gòu)件遭到破壞。最后，安裝期間不但要采用多種安裝方法，還要選擇合理的焊接工藝，確保所完成的節(jié)點(diǎn)焊接質(zhì)量達(dá)標(biāo)，提高支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。總體來說，該安裝方法的精度較高，施工速度較快，施工較為安全，且大部分拼接工作在地面完成，高空作業(yè)相對(duì)較少，質(zhì)量易于控制。

3.2 滑移施工技術(shù)

滑移施工技術(shù)的基礎(chǔ)是大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)分調(diào)結(jié)構(gòu)單元，使用滑軌將其滑動(dòng)到預(yù)定位置，然后再拼接鋼結(jié)構(gòu)。一般來說，滑移施工需要擁有特定的條件。首先，保障結(jié)構(gòu)類型整齊與規(guī)范；其次，做好支撐軸線管理，使其符合規(guī)定；最后，施工中要確保主桁架結(jié)構(gòu)的一致性。滑移施工前，需要確認(rèn)滑靴、滑移軌以及被滑物體的情況，檢查準(zhǔn)備狀態(tài)。滑移施工一共包括3 個(gè)施工環(huán)節(jié)：第一，使用卷揚(yáng)機(jī)完成滑移牽引；第二，使用液壓千斤頂鋼絞線束滑移牽引；第三，使用液壓頂帶著千斤頂，夾軌頂推進(jìn)行滑移。

另外，在作業(yè)環(huán)節(jié)還要充分考慮現(xiàn)場(chǎng)情況與工程特征，選擇合適的作業(yè)辦法。從以往經(jīng)驗(yàn)來看，該技術(shù)大多應(yīng)用于會(huì)展中心、博物館、機(jī)場(chǎng)連廊等鋼結(jié)構(gòu)施工。總體來說，該安裝方法克服了局部場(chǎng)地限制，安裝精度主要受滑移累計(jì)誤差的影響。其主要適用于以下幾種情況：結(jié)構(gòu)下部場(chǎng)地不便于大型吊裝設(shè)備站位、行走；結(jié)構(gòu)下部混凝土樓面復(fù)雜，不利于結(jié)構(gòu)拼裝；采用跨外吊裝所需設(shè)備過大或無法滿足要求；結(jié)構(gòu)外側(cè)具備較大拼裝場(chǎng)地。

3.3 高空散裝技術(shù)

該技術(shù)首先要全面整合所涉及的具體部件，其次根據(jù)具體施工要求做好相關(guān)劃分處理，確定好分類類型，最后在高空作業(yè)環(huán)境下進(jìn)行有效對(duì)接，并組織技術(shù)人員按照專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拼接，保證結(jié)構(gòu)作業(yè)的整體性。在利用該技術(shù)的過程中，施工人員需要根據(jù)實(shí)際情況選擇具體的作業(yè)方法，常見的有懸挑施工方式和滿堂支撐法[5]。總體來說，該安裝方法易于控制節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，且施工較為靈活，腳手架回收利用率也較高。但是支承使用量較大，搭設(shè)煩瑣，高空作業(yè)多，工期較長，占用場(chǎng)地空間過大，因而適用于高度和跨度都不是很大、桿件數(shù)量較少的結(jié)構(gòu)。

3.4 整體提升安裝技術(shù)

目前，整體提升安裝技術(shù)在大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工中得以實(shí)踐，而且具有較大的應(yīng)用范圍，效果也比較突。為了確保工程質(zhì)量，在工程施工階段還需要注重提高其安裝技術(shù)水平。整體提升安裝技術(shù)通常是在地面或樓面拼裝構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)，并采用多臺(tái)提升器將結(jié)構(gòu)提升至設(shè)計(jì)位置。在實(shí)際應(yīng)用期間，需要深入分析建筑工程的結(jié)構(gòu)形式，了解其具體受力情況，并借助一定的技術(shù)載體錄入相關(guān)參數(shù)（圖2），督促技術(shù)人員圍繞所獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，以獲得重要結(jié)論。然后根據(jù)所掌握的信息規(guī)范選擇具體的安裝處理方法，并通過建模處理與支撐掌握整體的結(jié)構(gòu)形態(tài)，方便技術(shù)人員以此為參考進(jìn)行規(guī)范的施工作業(yè)。總體來說，該安裝方法形式規(guī)則，強(qiáng)度和剛度較大，邊界安裝精度不高。適用于以下條件：結(jié)構(gòu)跨度較大，安裝高度較高，現(xiàn)場(chǎng)條件不利于大型起重設(shè)備站位。

圖2 相關(guān)參數(shù)圖（來源：中建科工集團(tuán)有限公司建模計(jì)算）

4 結(jié)語

具體的工程項(xiàng)目實(shí)施階段，大跨度鋼結(jié)構(gòu)作為重要的技術(shù)手段，具有比較突出的適應(yīng)性特征，能夠切實(shí)保障工程內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)也能夠有效改善工程環(huán)境，提高整體作業(yè)處理效能。因此，施工單位需要在具體技術(shù)層面加以規(guī)范，將整體滑動(dòng)與吊裝、無支撐等多種技術(shù)有效應(yīng)用到工程領(lǐng)域，同時(shí)也要重點(diǎn)加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)施工管理，規(guī)范強(qiáng)度參數(shù)，并優(yōu)化處理預(yù)應(yīng)力技術(shù)和焊接處理工藝，保證整個(gè)工程作業(yè)環(huán)境更加安全。