大跨度鋼結構建筑施工技術研究

■王飛朋，苗 杰 ■運城職業技術學院，山西 運城 044000

近幾十年來，大跨度鋼結構建筑在西方和日本等國迅速發展，并且隨著科技的發展和施工技術的迅速提高，鋼結構的跨度和規模都趨于大型化。并且隨著鋼結構的材料的更新和新技術的應用，大跨度鋼結構形式也趨于多樣化。世界上許多知名建筑物都是大跨度鋼結構的結構形式，外觀華麗、結構堅固耐用，成為當地的地標性建筑或者顯示人文地理的建筑。比如2000 年悉尼奧運會體育館、2004 年雅典奧運會體育館、2008 年北京奧運會鳥巢體育館等，都給世界帶來了震撼，留給后人無數的感嘆和深刻的印象［1］。

盡管古代的四大發明是我國發明的，我國的木結構建筑的施工工藝在世界上也是前列，但是鋼結構尤其是大跨度鋼結構建筑在我國起步較晚，施工工藝和經驗都不如西方發達國家。在20 世紀80 年代后期開始，由于我國經濟實力的騰飛和社會發展的需要，大跨度鋼結構建筑在我國也迅速興建起來，尤其是我國申奧成功后，北京修建2008 年奧運會體育館，這不僅給我國提供了一個展示國力和發展的機會，也提供了關于大跨度鋼結構建筑的施工經驗和挑戰［2］。

1 大跨度鋼結構的特點

1.1 多樣化和復雜化

目前大跨度鋼結構建筑已經不能局限于傳統的單一結構形式，已經出現新的結構形式和組合形式。我們所知道的“水立方”就是采用了泡沫理論的多面體空間鋼結構;而奧運體育主會管“鳥巢”則使用了復雜扭曲空間桁架結構［3］;羽毛球管則使用了全世界跨度最大的弦支穹頂結構;而廣州國際會展中心則使用了非常先進的張弦桁架結構。

1.2 大跨度、高等級鋼、高厚度鋼板

由于實際需要和人們的要求的提高，鋼結構的跨度已經趨向于超大跨度，最短的跨度也已經超過一百米的工程也不在少數，如“鳥巢”跨度已經高達296m，南京奧運體育中心體育場的最大跨度達到了360m，由于這些超級跨度的鋼結構建筑的存在和需求，因此我國超限專家審查委員會專門編制大跨結構超限審查的規定。上述這些大跨度鋼結構都采用了超高強度鋼材，如較為少見的Q390C、Q420C 和Q460E等，并且鋼板的厚度很多都已經超過10cm。

1.3 預應力技術

在大跨度鋼結構工程中也使用到我們普通鋼結構工程中使用的預應力技術，并且在大跨度鋼結構工程中將預應力技術得到了充分的應用。在這些工程中出現了很多新型結構形式，如索穹頂、張拉整體結構和索膜結構等。奧運羽毛球館和國家體育館都采用了這些預應力體系，分別使用的世界跨度最大的弦支穹頂結構和雙向張弦梁結構體系。

1.4 節點多樣化

由于現代建筑造型的多樣化使得過去的鋼結構結構形式不能滿足現代社會的發展和人們的需求，因為現代的鋼結構都采用了仿生態建筑，因此需要改變節點形式來滿足不同的建筑造型，如鑄鋼節點、鍛鋼節點和球鉸節點等。

1.5 施工難度大

由于鋼結構建筑都是由一些零散構件拼裝而成，一般的大型工程都需要上萬個構件，甚至有的超過幾十萬個構件組成，這些構件都是不同的截面和形狀。因此在施工過程中會造成很大困擾，甚至有些構件需要進行專門的試驗進行分析和研究才能完成。

1.6 生產構件難度大

由于這些工程都是特大工程，鋼結構所需的構件都不是普通鋼結構所使用的構件，因此都需要專門定制和生產，并且要求精度高，將構件生產誤差降到最低才能滿足施工質量要求。構件連接所需焊縫都必須是一級焊縫，并且這些焊縫數量也有上萬個，這也給施工帶來的很大的困難。并且焊接時為了保證焊縫質量，在焊接時還需先進行拼裝，這就又增大了施工量和施工難度。由于這些鋼結構跨度大、結構新穎，因此在施工時首先保證安全和經濟外，還需使用先進的施工技術才能完成。

2 大跨度鋼結構創新施工方法

2.1 現代大空間鋼結構的特點

圖1 復雜節點

大空間鋼結構在我國發展的三十年來，尤其是在2008 年北京奧運會鳥巢體育館與2010 年上海世博會項目建設為我國的大跨度鋼結構發展提供了機遇，之后涌現出更新穎、先進的空間鋼結構，這些鋼結構主要具有以下特點:(1)結構形式日益多樣化和復雜化;(2)大跨度、高等級鋼、高厚度鋼板;(3)預應力技術;(4)節點多樣化，見圖1;(5)施工難度大;(6)生產構件難度大等。

2.2 創新施工方法

大跨度鋼結構的傳統施工方法有:吊裝法、分塊安裝法和高空散裝法，而隨著鋼結構向大型化、復雜化發展，因此對安裝技術要求也越來越高。為適應大跨度鋼結構的發展已經涌現出如下新型施工方法:折疊式展開式整體提升技術，見圖2、累積滑移技術、整體提升技術等。

圖2 折疊式展開式整體提升技術

3 大跨度鋼結構建筑施工中考慮的問題

大跨度鋼結構建筑施工應與設計、科研單位共同合作，共同研究、開發，解決施工過程中可能遇到的問題，因為施工過程是所有方面中最難解決的問題，選擇合理的施工方案和可以應用到實踐的設計理念才能保證鋼結構的安全、經濟可行。目前，絕大多數的大跨度鋼結構的施工技術已經打破了傳統施工方法，已經向著復雜化、綜合化、高科技化發展，這對現代施工技術來講既是改革又是挑戰。

3.1 CAD 設計和CAM 制造技術

從上世紀中期計算機的發明到后期計算機的普及應用，給建筑行業也帶來了曙光，CAD 的開發和應用使設計行業不再徒手畫圖而是使用先進的技術和精確的比例，這給現代大跨度鋼結構建筑的產生帶來了希望。大跨度鋼結構建筑需要大量的信息技術和設計技術、制造技術、管理技術等，需要高效的生產效率和工作效率，從而提高大跨度鋼結構建筑產品的創新能力和管理水平。CAD 設計和CAM 制造技術都是大跨度鋼結構建筑的輔助技術，包括整體三維實體模型，構件和板材的優化施工，鋼管、異形構件和各種節點的設計、分析和制造等［4］。

3.2 施工仿真技術

設計分析時都是考慮結構在使用過程中的受力分析，而忽視了施工過程中的受力分析。由于大跨度鋼結構建筑自重大，構件尺寸和自重均較大，因此在施工過程中遇到的安全問題也不容忽視，并且這些問題日益顯著。結構在施工過程中，其中局部構件受力情況明顯高于正常使用階段，很有可能這些局部構件處于最不利受力階段。大跨度鋼結構建筑中施工技術仿真技術主要包括以下4 個方面:(1)吊裝仿真;(2)各階段工況仿真;(3)構件安裝過程中的變形仿真;(4)構件拼裝模擬。通過仿真技術可以提前預料到施工過程中可能遇到的問題和麻煩，可以在施工過程中避開承載力較小的構件，減小施工過程中的不安全因素，保證施工完成后構件的初始形狀。

3.3 合理的安裝方法

選用一種既經濟又安全、適用的安裝方法是現代大跨度鋼結構施工必備技術。傳統的空間安裝方法是采用高空散裝法、分條安裝法、分塊安裝法、高空滑移法、整體吊裝法等。但是由于現在的大跨大鋼結構體系跨度大、結構復雜，并沒有固定的安裝方法，因此傳統的空間安裝方法并不適用于現在的大跨大鋼結構體系，不能滿足現在鋼結構的施工需求，需要尋找一種新型的安裝方法進行安裝。將過去的空間安裝方法進行改進和再創造才能滿足空間安裝方面的需求。通過我國奧運體育會主館的施工經驗得到了很多具有創新性的施工技術和安裝技術，如高空曲線滑移技術、網殼結構折疊展開式整體提升技術和其他劃架法施工技術［5］。從中可以發現，現代大跨度鋼結構的施工技術和安裝技術都是過去的施工技術和安裝技術的組合拼裝和再創造而形成的。并且由于信息科技、機械科技和計算機技術的發展，才能使得這些大跨度鋼結構建筑能夠順利完成，并且為以后我國建設更加復雜的大跨度鋼結構體系而服務。

4 結論

隨著我國大跨度鋼結構體系的迅速發展，遇到的最嚴重的問題就是施工難度大，過去的施工技術不能滿足當代發展的需求，需要創造出更加新穎的施工技術、安裝技術。施工技術一門包羅萬象的學科，它的發展和創造、應用需要與理論和實際相結合才能形成，需要大量的科技工作者進行研究和論證。

［1］范重，劉先明，范學偉.國家體育場大跨度鋼結構設計與研究［J］.建筑結構學報，2007(02):1 -16.

［2］王元清，石永久，陳宏.現代輕鋼結構建筑及其在我國的應用［J］.建筑結構學報，2002(01):2 -8.

［3］葛家琪，王樹，梁海彤等.2008 奧運會羽毛球館新型弦支穹頂預應力大跨度鋼結構設計研究［J］.建筑結構學報，2007(06):10 -22.

［4］葛家琪，張愛林，楊維國等.基于性能的大跨度鋼結構設計研究［J］.建筑結構學報，2011(12):3 -10.

［5］郭彥林，崔曉強.大跨度復雜鋼結構施工過程中的若干技術問題及探討［J］.工業建筑，2004(12):1 -6.