關于大跨度鋼結構施工技術的研究

烏晉東

0 引言

大跨度空間的鋼結構施工技術是當前相關領域中一項前沿性技術，與西方發達國家相比，我國在大跨度鋼結構施工技術的應用起步要更晚一些，但是我國大跨度鋼結構施工技術的發展速度很快，在實際應用中，技術也在逐漸創新和完善。對于我國建筑行業發展而言，大跨度鋼結構施工技術是尤為關鍵的一步。諸如北京奧運會修建的水立方、鳥巢等都是具有代表性的大跨度鋼結構建筑作品，這些建筑無論是在外形魅力還是技術方案方面都展現出獨一無二的優勢。當前相關領域研究人員都在積極致力于加強對大跨度鋼結構施工技術的研究力度，在大跨度鋼結構研究中施工技術屬于重點和難點部分，其主要集中在高層建筑、鋼結構網架以及橋梁結構等領域的施工技術，相關的理論體系還有待完善，如何高效精準應用施工技術，保證施工進度和施工質量依然是一個需要進一步研究的問題。基于當前關于大跨度鋼結構施工技術的研究成果，本文將立足于當前大跨度鋼結構施工中比較常應用的幾種方式以及所涉及到的關鍵點，著手來尋求創新與完善，并做出具體闡述。

1 鋼結構的優勢

關于鋼結構的優勢，其具體體現在如下幾個方面：（1）鋼結構以可回收可降解材料為主，具備綠色屬性[1]；（2）鋼結構強度高，重量輕，裝修更為方便；（3）鋼結構設計施工一體化，制作較為簡單，適合大批量生產，可以有效縮短建筑施工的周期；（4）鋼結構具備很強的變形與塑形能力，抗震功能強，穩定性高。

以國家體育館為例，國家體育館建筑面積是258 000m2，高度是68.5m，24個桁架柱支撐大跨度屋頂，主體結構和箱形梁交錯排列，整體呈鳥巢建筑形式。在國家體育館的鋼結構設計中采用了諸多新的環保材料、新的技術工藝和新型成果。比如，在材料方面，國家體育館所使用的都是國產鋼材，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，而且機械與焊接性能也比較理想。還有，國家體育館使用了諸多新型鋼結構設計方法，大大提升了整體結構的穩定性。

2 大跨度鋼結構的特征

（1）現階段大跨度鋼結構形式越發多元化，出現了越來越多更具新穎性的結構形式，無論是在創新性還是復雜程度方面都有了諸多突破。比較具有代表性的結構形式主要包括索膜結構、張拉整體結構、索穹頂等[2]。例如：北京工業大學體育館應用的是大跨度弦支穹頂結構。大跨度空間結構應用現代預應力技術，一方面在很大程度上豐富和完善了建筑結構體系，另一方面充分展現出了經濟性、先進性與合理性的優勢特征[3]。在實際安裝過程中，雜交結構體系成功改變了傳統結構的受力狀態，同時降低了結構內力峰值，有效提升了經濟效果和安全系數。

（2）鋼結構的跨度范疇逐步拓寬。就短向跨度來說，高度大于百米的建筑物數量與日俱增。例如：北京鳥巢體育場的短向跨度為296m，上海水立方游泳中心的短向跨度為177m。在跨度愈來愈大的形勢下，我國建筑超限專家評審委員會針對性制定了大跨度構件超限評審的新規則。而等級高和厚度深的特征主要表現在大跨度鋼結構，多使用Q390C、Q420C、Q460E等較高強度級別的鋼筋，鋼板厚度越來越厚，部分鋼結構應用的鋼板厚度已經遠超過100mm[4]。

（3）大跨度鋼結構質量要求越來越高。由于要達到高標準的要求和規范，構件的加工精度要相應提高。此外，由于現在很多焊接條件都是一級規范，在較大程度上增加了施工難度。

（4）大跨度鋼結構設計與施工難度越來越大。大跨度鋼結構工程中需要數以萬計的構件，小型工程需要大概幾萬個構件，大型工程則需要幾十萬個構件，這些構件形式各不相同，如長度、尺寸、形狀等。構件數量多、形式豐富，對于設計單位和施工單位而言都具有非常大的困難。在此過程中，如果涉及到一些難度較大的彎扭構件，還需要相關部門進行專門的研究和試驗，會加劇相關操作難度[5]。此外，為了保證大跨度鋼結構建筑工程施工的高精度，一般需要進行預拼裝，使現場焊接工作量非常大。為了更好地滿足需求和保證焊接質量，需要應用更多先進的施工技術，施工技術難度更高。

3 大跨度鋼結構施工過程中常用施工技術及實際應用案例

3.1 高空散裝法

高空散裝法，從理論層面來解釋，指將結構使用到的構件劃分為多個小的散件，然后直接在高空設計位置上進行安裝的方法。高空安裝法在實際施工過程中主要利用兩種方法，分別是懸挑法和支架法。其中，應用頻率更高的方法是支架法，因為支架法更適合應用在節點比較多的網架結構上面。高空散裝法有利也有弊，其優勢是不需要借助大的起重設施，弊端是具體搭建過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架結構，最大自由跨度有27m。網架使用的是螺栓球作為節點，整體呈拱形。考慮到該建筑站房的大跨度特點，針對高空屋蓋網架結構搭設的是滿堂紅腳手架，采用的是高空散裝安裝法來安裝網架。在安裝之前，例行檢查了網架制作的軸線和標高，在確保全部參數符合要求之后才開始搭設工作，并確立了臨時支撐點的位置與數量。使用高空散裝安裝法的過程中，首先組裝了網架散架，然后將其調運到腳手架平臺上，在地面均勻攤鋪開來，結合施工圖紙設計要求進行組裝。設置臨時支點時，使用了千斤頂，對其位置和高度進行了統一的安排，并對支點下部進行加固，避免支點的局部受力過大，架子出現下沉問題[6]。

3.2 整體吊裝法

整體吊裝法，是把原來分散的各個構件拼接到一起，用起重設備把拼接到一起的構件吊到指定位置上面，再安排安裝。在當前實際應用中可以看出，整體吊裝法多被應用到中等跨度的鋼結構建筑中。與高空散裝法不同的是，整體吊裝法需要借助起重設備，而且在使用過程中對地面施工的影響更大。

案例介紹：沈陽南站中央站房屋面鋼桁架結構東西長286.5m，屋面桁架南北向跨度為21m+66m+21m，兩側懸挑8.0m。基本柱網10.5m×21.5m、10.5m×24m，高架層結構標高為8.745m，夾層結構標高16.4m，屋頂結構標高29.91～37.51m。關于中央站房跨拱桁架安裝方案之一便是采用整體吊裝法。整體吊裝質量高，高空施工作業量少。但也面臨著一些實際問題，如，9m層高混凝土樓板需要達到設計強度后，才能進行桁架拼裝，不能提前進行，對總工期不利；樓板拼裝占用大量作業面，對其他工作開展不利；桁架起拱高，拼裝時投入腳手架用量非常大，提升至安裝完畢，桁架可看成簡支梁轉化成連續梁的過程，結構桿件內力變化較大。

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安裝段。起重機在每一段內按柱、梁、板的順序分次進行安裝，直至該段的構件全部安裝完畢，再轉移到另一安裝段去。待一層的所有構件安裝完畢并最后固定后，再安裝上一層的構件。

案例介紹：該工程建筑面積是20 680m2，在設計階段為了實現空間的最大化利用，在屋蓋的設計中選用大跨度鋼結構，即大跨度鋼拱支撐空間管桁架和實腹式工字鋼梁結構受力體系。其中，主體結構共包含2個拱與18個榀鋼架，平面桁架最大跨度達38m，實腹式工字鋼梁最大跨度達16m，梁高是800mm。

該工程中，桁架拱的安裝難度最大，為了降低吊裝過程中的重量，在設計屋頂結構時選擇格構式構造，但是，如果選擇整體吊裝法，保證吊裝高度達到33m非常困難。所以，通過詳細分析和對比，最終確定采用分段吊裝法進行施工。此外，考慮到本工程中桁架拱的尺度過大，所以在針對桁架拱進行分段處理時需要重點關注吊裝中各部件構件變形以及經濟性等情況。

具體結構施工闡述：

（1）該工程中鋼結構的主要構件是桁架拱，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，各個桁架的邊長都要超過5m才可進行安裝[7]。

（2）考慮到建筑的結構特點以及施工現場的具體環境，針對桁架拱的施工選用分段吊裝的方式。在實際施工中，使用1臺高于150t的履帶吊車，在對桁架拱進行吊裝時將其分成6段完成吊裝，在針對工字鋼梁進行吊裝施工時，選用1臺不低于50t的履帶吊車，開始吊裝時必須在桁架拱的節點正下方位置進行措施桁架的搭設，在搭設完成后繼續調整，直到找出桁架拱的合適位置才可分段進行吊裝。

（3）該工程中，桁架拱橋中間的鋼梁是由兩個V形段和一個直線段組合形成，其中，V形段的水平長度超過了3m，所以，在吊裝時對V形段和直線段相交的正下方位置搭設了臨時支撐措施，在進行了相應調整后再完成吊裝工作。在開始時，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驗中認識到，在吊裝時必須根據場地的實際情況來選擇與之相匹配的吊裝機械，吊裝機械符合要求可以有效保證整體拼裝的精準度。

3.4 整體提升法

整體提升法，實施流程是先把起重裝置放在主體構件的上方，在完成主體構件裝配任務后再借助吊桿把裝配好的主體構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，先利用較小的機械群體安裝一個較大的構件框架。不僅能夠合理減少整體吊裝成本，還能夠把主體結構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、通風設備等。鋼結構網架整體提升裝置如圖1所示。

圖1 一種鋼結構網架整體提升裝置

4 大跨度鋼結構施工要點

4.1 焊接階段施工要點

鋼結構焊接階段需要注意以下幾點：（1）在開始焊接之前，首先要立足實際需求來確定使用的材料，對焊接電壓和電流進行調整。（2）焊接過程中要對鋼結構變形情況予以高度關注，同時保證焊接處的清潔程度，為焊件的應用性能提供保障。（3）裝配和檢驗過程中要確保鋼結構的精密度。

4.2 吊裝階段施工要點

一般情況下跨度如果超過20m，首選方式是整體吊裝，即用整體吊裝來安裝大跨度的鋼結構。在實施吊裝應用到的具體技術中，三點吊裝方式應用頻率最高，三點吊裝方式以鋼結構的廠房屋面作為支點，對于組成的構件實施整體吊裝。在完成以軸為核心的屋架吊裝任務后，還需要用同樣的方式進行二次屋架安裝，在此過程中，要對屋架的傾斜和側彎狀況予以高度關注并進行嚴格控制。在實際施工過程中，為了進一步保證和提高整體穩定性能，通常會應用螺栓對鋼柱和鋼屋架進行連接。在吊裝任務完成之后，檢驗工序必不可少，在檢測中需要重點關注幾點內容，諸如安裝位置、螺栓固定情況，特別要檢驗螺栓對相鄰屋架是否起到了支撐作用。

4.3 精準掌控裝配工藝尺寸

大跨度鋼結構的裝配過程中，需要依據生產需求精準掌控裝配的工藝尺寸，使誤差達到最小化。依據相關的裝配流程與圖紙要求進行施工與設計，確定裝配的工藝尺寸。在放樣時，施工方需要結合實際建設需求來控制屋架形式預留的收縮量，再將放樣的連接板與實施平臺進行連接，通過鐵檔的方式進行定位，保證施工尺寸大小的準確性，以前一個屋架的底模為標準進行裝配與焊接，保證焊接部位的清潔程度[8]。

4.4 充分應用模擬技術

在當今社會發展形勢下，鋼結構的廣泛應用和快速發展與現代化計算機網絡技術以及監控設施的虛擬建設功能等因素具有緊密的關聯。現在的鋼結構施工在虛擬實驗以及結構模型的助力下，成功解決了之前施工中存在的構件偏差問題，同時有效解除了很多安全隱患。如：在施工過程中，構件吊裝或者安裝不到位等因素干擾發生偏移的情況，在很大程度上影響了整個工程的受力結構，而模擬技術的應用有效解決了這些問題。

4.5 提高施工技術水平

縱觀當前我國大跨度鋼結構建筑工程的實際情況，參與大跨度鋼結構建筑工程設計與實施任務的設計師團隊、工程師隊伍以及施工隊伍等都是同領域的優秀人才。從人才應用角度來看，現階段大跨度鋼結構建設工程是當前最高端的建造模式之一。因此，要想進一步保證大跨度鋼結構建筑工程的質量，必須高度關注建造團隊以及技術人才的綜合實力，全力打造更具專業度、綜合實力更強的建造隊伍，與此同時，要進一步加強設計以及施工過程的管理機制。

5 結論

綜上所述，大跨度鋼結構施工技術已經在建筑領域得到了廣泛應用，在不同的建筑工程中，其所采用的大跨度鋼結構施工技術也不盡相同。每一種施工技術都有著自身的適用范圍，也有著各自的優勢與不足。施工主體需要秉承一切從實際出發的原則，充分考量實際工程施工需求，精準選擇出合適的大跨度鋼結構施工技術，并在施工過程中隨時結合具體情況來及時予以調整和優化。