大跨度體育場館鋼結構施工技術的研究

賈興強　史軍　趙燕　李錳　劉凱

摘? 要：當前的建筑形式整體呈現出多樣化的發展趨勢，現代鋼結構也正朝著高、大方向不斷發展，各種復雜大跨度式的建筑越來越多，使得其施工技術受到了普遍關注。但在實際建設過程中，為將設計師理念和建筑美學體現出來，往往會以個性化的變異設計為主，并不設置統一標準，所以不同工程情況、不同場地條件以及不同結構形式，所采用的施工技術也會有所差異。所以，這就需要圍繞實際案例中探討其施工技術。

關鍵詞：鋼結構;施工技術;大跨度;支撐塔架

如今大跨度鋼結構已經被廣泛應用在展覽館、體育館、劇場、機場與火車站等候廳等大型公共建筑當中，以獲得巨大的無內柱空間，滿足空間功能要求。尤其是在整體規模的不斷提升下，各項新技術和新材料日益完善，給其進一步發展提供了有利條件。在這類大跨度空間結構中，最常見的施工技術主要有高空吊裝、構件拼裝、就位組裝等，但為滿足具體的建設使用功能要求，保證施工過程的安全性，還必須根據實際情況對其進行合理選擇。

一、案例介紹

（一）工程概況

國家體育場占地20.42公頃，總建筑面積約25萬平方米，地下一層，地上七層，共計三層看臺。其鋼結構頂面為馬鞍型，長軸332.3m，短軸297.3m，最高點高度達68.5m，最低點高度為40.1m，同時屋蓋中間的開洞長達185.3m，寬127.5m，主桁架和頂面、立面相互交織在一起組成“鳥巢”造型。大跨度的空間鋼屋蓋支撐在24根桁架柱之上，使荷載被有效傳遞到基礎層。

（二）施工難點

1.結構復雜，造型奇特

國家體育場整體造型十分特殊，這就導致主結構和次結構之間存在多桿空間交匯現象;同時，次結構的規律性較少，更使得結構節點構造難度增加[1]。實際安裝時，時常會發生多個管口同時對接的現象。再加上大跨度空間結構本身構件長度極易受到溫度變化的影響，所以難以把握安裝精度。

2.構件較大，外形怪異

在國家體育場中，其桁架柱最大斷面有25m20m，高度達67m;主桁架高度達12m，整體構件體型極為龐大，重量重，再加上桁架柱和立面次結構的形體十分怪異，這就在很大程度上增加了吊裝難度。

3.溫差過大，合攏困難

該場館其結構形成和使用過程存在較大溫差，導致在結構中極易出現比較大的溫度變形以及溫度應力。再加上工程龐大，合攏口數量較多，為此要設計合理的合攏溫度則困難重重。

4.結構復雜，卸載困難

國家體育場在建設時，依照施工方案，在結構安裝過程中屋蓋設定了80個支撐架，這些臨時支撐在主結構安裝完成后必須進行卸載和拆除。然而，整個卸載過程，其結構體系是漸漸變化的，結構自身以及支撐塔架受力也都會產生一定變化，且卸載的具體順序、工藝都會給其帶來影響。因此，面對如此復雜的結構體系，同步卸載控制則面臨巨大困難。

（三）施工方案

該體育館整體鋼結構規模大、形式復雜、工期緊迫、交叉作業較多，因此屋蓋鋼結構安裝采用了散裝方案，也就是先將全部構件分成吊裝單元，實施分段安裝，同時下設支撐塔架，進行高空對接，在結構形成之后再卸載[2]。在這之中，主結構總共劃分出了230個安裝單元，桁架最大吊裝單元重量達到360t，最大吊裝長度達45m。主結構安裝順序共計6個步驟。

二、大跨度鋼結構施工技術分析

（一）支撐塔架

實際施工時，為了使屋蓋結構安裝與施工更加便捷，依照鋼結構的具體特點、吊裝分段形式等，給主桁架下弦交叉節點共設置了80個規格為3m3m的支撐塔架。同時為強化塔架的穩定性和剛度，給其頂部還設置了桁架式水平支撐體系，底部設置了6m6m的承臺。另外，基于主結構安裝方案，把支撐塔架劃分成四部分，長軸與短軸各兩個，相互之間連為一個整體。為強化支撐塔架柱的抗扭強度，給每個標準段兩頭與中間都設置了鋼交叉橫隔;同時為給主桁架安裝和塔架卸載帶來便利，還給頂部設置了十字形的箱型梁以及H型的支頂裝置。

（二）吊裝技術

實際吊裝時，主要是就近拼裝，分段吊裝。為使吊裝過程保持平衡，下柱應用三點法，上柱應用四點法。其中前者，主要給內柱設置專門的主吊點和吊耳，以便鋼絲繩轉動;外柱設置副吊點和吊耳，便于控制平衡[3]。后者吊點直接設置在外柱彎扭部分的頂面，主吊繩直接應用走通的形式;為使受力保持平衡，還給副吊繩上設置了滑輪組，以實現對吊繩長度的有效調節。另外在安裝主桁架時，給對接口設置了專門的卡馬，自由端設置了穩定風繩，在對第一個主桁架進行吊裝時，為保證安全，先做好所有固定措施，最后慢慢松鉤。

（三）合攏技術

國家體育場整體鋼結構工程量極大，結構安裝耗費時間較長，為使安裝過程中的變形問題得到有效控制，降低實際使用時的溫度應力和變形，則應用了分塊安裝的形式對主桁架進行安裝，也就是先把各段的在高空拼接成均勻分布的對稱性的獨立板塊，再將其連為整體。為確保安全性，當合攏段完全就位之后，除了不焊接設計要求的合攏口，其他都要及時進行焊接。為減少溫度給合攏口帶來的影響，則直接應用卡馬進行連接。

（四）卸載技術

屋蓋中的80個支撐塔架均為主桁架安裝的臨時支撐，安裝工作結束之后必須進行卸載。因此，整體卸載點數眾多、分布較廣、總噸位較大，為保證安全性，必須確保各點都能同步下降。所以，在本工程中主要使用了液壓同步控制系統實施卸載。實際工作時，先把要控制的78個點劃分為10和區域，分別使用10個控制器實施集中監控。一般這類大跨度的鋼結構，支撐體系卸載順序會給塔架受力變化以及結構自身的受力轉換帶來影響，因此必須確保塔架受力不超過設定要求，且結構成形保持穩定。在該工程中，主要以從外向內為總順序。

三、結語

對于大跨度鋼結構建筑形式而言，其施工技術需依照實際的結構形式設計、現場條件以及工期約定等進行合理選擇。比如，對于作業區域過大且場館不規則的情況，在條件允許的前提下，應優先使用分段吊裝的形式，并下設支撐塔架，當結構完全形成之后再整體卸載，以使技術優勢能得到充分發揮。

參考文獻：

[1]李燁，張濤，湯涵，李曉玉，王俊.天水體育中心鋼結構分析與設計[J].建筑結構，2020，50（17）：27-33.DOI：10.19701/j.jzjg.2020.17.005.

[2]王健青，徐旭，鄭超.體育館超大跨度鋼結構管桁架施工質量控制[J].建筑技術，2020，51（02）：132-134.

[3]賈尚瑞，鄒航，蔡柳鶴，張宏達.河北奧林匹克體育中心鋼結構工程施工技術[J].施工技術，2016，45（02）：5-8+17.