空間鋼網架結構施工誤差分析及控制

徐志武?王崇強?任杰?孫永明?劉建宏?崔孝顯

摘要：鋼網架結構拼裝及吊裝施工過程中，會因各種原因產生各種誤差，導致產生桿件彎曲、單元偏位、就位困難等質量問題。現結合本工程網架結構施工中產生的質量問題進行分析。

關鍵詞： 網架結構;高空吊裝;原因分析;質量控制

網架是由許多桿件按照一定規律組成的網狀結構。網架結構可分為平板網架和曲面網架。平板網架采用較多，它是一種平板型的，由多根桿件按照一定的網格形式通過節點連接而形成的空間結構，屬于空間鉸接桿系。它改變了平面桁架的受力狀態，是高次超靜定的空間結構。其優點是：空間受力體系，桿件主要承受軸向力，受力合理，節約材料（如上海體育館，直徑110m，用鋼量僅49kg/㎡），整體性能好，剛度大，抗震性能好。桿件類型較少，適于工業化生產。

構成網架的基本單元包括三角錐、三棱體、正方體、截頭四角錐等，由這些基本單元可組合成平面桁架系網架，四面錐體系網架，三角錐體系網架等不同網架形式;根據網架連接節點形式不同，一般可以分為焊接球節點，螺栓球節點，鋼板節點三大類。

網架的形式較多。按結構組成，通常分為雙層或三層網架;按支承情況分，有周邊支承、點支承、周邊支承和點支承混合、三邊支承一邊開口等形式;按照網架組成情況，可分為由兩向或三向平面桁架組成的交叉桁架體系、由三角錐體或四角錐體組成的空間桁架角錐體系等。

我國于1964年建成第一個平板網架（上海師范學院球類房），在20世紀80年代后期北京為迎接1990年亞運會興建的一批體育建筑中大部分皆采用平板網架結構。空間網架結構在我國的應用已經非常成熟，被廣泛用作體育館、展覽館、俱樂部、影劇院、食堂、會議室、候車廳、飛機庫、車間等的屋蓋結構。

1 網架結構特點分析

1.1 網架結構的整體性能好，剛度大，抗震性能好

網架結構是由很多桿件從兩個或幾個方向有規律地組成的高次超靜定空間結構，由于桿件之間的相互支持作用，它改變了平面桁架受力體系，能承受來自各方的荷載，其剛度大、整體性好、抗震能力強。而且能夠承受由于地基不均勻沉降所帶來的不利影響，自動調節桿件內力，從而保持結構安全。

1.2 網架結構的自重輕，節約鋼材

鋼管網架用鋼量一般為20kg/㎡左右，而跨度在100m左右的網架用鋼量為 65kg/㎡。隨著選材的不同，百米跨度的網架結構用料量也可以大幅度降。

1.3 網架結構適應于各種平面形式的建筑

網架結構的適應性大，既適用于中小跨度的建筑 ，也適用于大跨度的房屋，從建筑物平面形式來說，它適于矩形 、圓形、扇形及各種多邊形的平面建筑形式。

1.4 網架結構取材方便

網架結構一般取材于Q235或Q345鋼，桿件截面形式多采用鋼管或型鋼，有鋼板節點網架、螺桿球節點網架、支座節點網架 、焊接球節點網架多種節點網架形式，取材方便，方便施工。

1.5 網架結構適宜于工廠化生產

由于網架結構的桿件或部件規格劃一，適應工廠化生產，從而為加快工程進度提供了有利條件和保證。

2 網架結構的安裝方法

網架結構的安裝方法應該在滿足工程質量、安全、進度和經濟效果的要求下，結合當地的施工技術條件，充分考慮網架不同類型和受力，構造特點等影響因素綜合確定。安裝方法包括：

2.1 高空散裝法：適用于全支架拼裝的各種類型的空間網格結構，尤其適用于螺栓連接、銷軸連接等非焊接連接的結構。

2.2 分條或分塊安裝法：適用于分割后剛度和受力狀況改變較小的網架，如兩向正交正放四角錐、正向抽空四角錐等網架。

2.3 滑移法：適用于能設置平行滑軌的各種空間網格結構，尤其適用于必須跨越施工（不允許搭設支架）或場地狹窄、起重運輸不便等情況。

2.4 整體吊裝法：適用于中小型網架，吊裝時可在高空平移或旋轉就位。

2.5 整體提升法：適用于各種類型的網架，結構在地面整體拼裝完畢后用提升設備提升至設計標高、就位。

2.6 整體頂升法：適用于支點較少的多點支承網架。

3 工程實例及BIM應用

本工程為青島市嶗山區張村河小學改擴建工程風雨操場屋蓋網架，采用螺栓球節點連接形式。網架桿件為二力桿，所有荷載需通過預留M20螺栓作用在球節點上，禁止與節點球焊接。網架結構布置圖見圖3.1。

為保證整個結構的工藝實現，本工程在施工前運用BIM技術進行鋼結構深化設計，利用AutoRevit、Tekla等設計軟件1：1建立與工程實際完全相符的鋼結構3D全真模型，在鋼結構建模過程中綜合考慮制作、運輸、安裝以及和其它專業的要求與聯系，最后生成滿足鋼結構施工的深化圖紙。

鋼結構BIM技術進行深化設計的過程，其本質就是進行電腦預拼裝、實現“所見即所得”的過程。首先，所有的桿件、節點連接、螺栓焊縫、混凝土梁柱等信息都通過三維實體建模進入整體模型，該三維實體模型與以后實際建造的建筑完全一致;其次，所有加工詳圖（包括布置圖、構件圖、零件圖等）均是利用三視圖原理投影生成，圖紙中所有尺寸，包括桿件長度、斷面尺寸、桿件相交角度等均是從三維實體模型上直接投影產生的。

第一階段，根據結構施工圖建立軸線布置和搭建桿件實體模型。導入AutoCAD中的單線布置，并進行相應的校合和檢查，保證兩套軟件設計出來的構件數據理論上完全吻合，從而確保了構件定位和拼裝的精度。創建軸線系統及創建、選定工程中所要用到的截面類型、幾何參數。

第二階段，根據設計院圖紙對模型中的桿件連接節點、構造、加工和安裝工藝細節進行安裝和處理。在整體模型建立后，需要對每個節點進行裝配，結合工廠制作條件、運輸條件，考慮現場拼裝、安裝方案及土建條件。

第三階段，對搭建的模型進行“碰撞校核”，并由審核人員進行整體校核、審查。所有連接節點裝配完成之后，運用“碰撞校核”功能進行所有細微的碰撞校核，以檢查出設計人員在建模過程中的誤差，這一功能執行后能自動列出所有結構上存在碰撞的情況，以便設計人員去核實更正，通過多次執行，最終消除一切詳圖設計誤差。

第四階段，基于3D實體模型的設計出圖。運用建模軟件的圖紙功能自動產生圖紙，并對圖紙進行必要的調整，同時產生供加工和安裝的輔助數據（如材料清單、構件清單、油漆面積等）。節點裝配完成之后，根據設計準則中編號原則對構件及節點進行編號。編號后就可以產生布置圖、構件圖、零件圖等，并根據設計準則修改圖紙類別、圖幅大小、出圖比例等。

本工程BIM深化設計模型圖見圖3.2。

由于網架跨度較大，且場地有限，無法在地面拼裝成整體后吊裝到位。本工程網架施工采用高空散裝法，在樓面搭建臨時支撐平臺，采用平移的方法、分段組對、安裝及就位（高空拼裝的方式）。

所有網架拼裝完畢后，采用六臺千斤頂，支撐在球體受力點，將網架抬高至一定高度后，放置預制完畢的網架受力支座。使網架的重量均勻的分布在基礎結構上。尺寸核對完畢后進行最終的焊接連接。

在屋面網架施工過程中，出現了支座節點位移、桿件變形、網架撓度過大等問題，導致單元網架安裝時就位困難或無法就位，影響施工質量及進度。

分析本工程網架施工時產生的問題，原因有以下幾點：

3.1 施工質量控制較差、測量工作不細致、測量精度不高，導致網架結構預埋件位置偏差過大;

3.2 鋼結構生產單位加工時，桿件下料尺寸不準;鋼結構安裝單位在單元拼裝時未對各個桿件進行檢查修正，導致引起網架變形難以精準就位。

3.3 網架拼裝產生偏差，導致累積誤差過大;

3.4 網架吊裝時未對吊點、撓度等進行檢查驗算，導致吊裝后部分網架桿件產生彎曲變形。

4 誤差分析及控制措施

鋼網架結構雖是高次超靜定結構，整體性好、安全度高，但是設計、制造和安裝中的許多復雜的技術問題還沒有被深刻地認識到。例如一般結構的次效應較小，而網架結構的次效應很大，甚至起控制作用。網架結構對設計人員、安裝人員的素質要求很高。稍有疏忽，鋼網架結構極易發生質量事故，甚至整體倒塌。

4.1 主要原因

4.1.1 制作原因

4.1.1.1 材料驗收及管理混亂，不同鋼號、規格材料混雜使用，特別是混用了可焊性差的高碳鋼，鋼管管徑與壁厚有較大的負偏差，安裝前桿件有初彎曲而不調直。

4.1.1.2 桿件下料尺寸不準，特別是壓桿超長，拉桿超短。

4.1.1.3 球體或螺栓的機加工有缺陷，球孔角度偏差過大。

4.1.2 拼裝及吊裝原因

4.1.2.1 進行網架拼裝，使小拼單元、中拼單元產生偏差，最后導致整個網架的累積誤差很大。

4.1.2.2 桿件或單元或整個網架拼裝后有較大的偏差而不修正，強行就位，造成桿件彎曲或產生很大的次應力。

4.1.2.3 對網架施工階段的吊點反力、桿件內力、撓度等不進行驗算，也不采取必要的加固措施。

4.1.2.4 施工方案選擇錯誤，不采取正確的臨時加固措施，使局部網架成為幾何可變體系。

4.1.2.5 網架整體吊裝時，各吊點起升或下降時不同步，使部分桿件彎曲。

4.1.2.6 支座預埋鋼板、錨栓位置偏差較大，造成網架就位困難，強迫就位或預埋板與支座底板焊死，改變了支承的約束條件。

4.1.3 使用及其他原因

4.1.3.1 看圖有誤或粗心，導致桿件位置放錯。

4.1.3.2 使用環境的變化（包括溫度、濕度、腐蝕性介質的變化），以及使用用途的改變。

4.2 應對措施

4.2.1 鋼網架安裝質量控制措施

4.2.1.1 鋼構件組裝

對鋼構件的焊接接縫間距和構件拼接長度進行檢查;按施工方案的要求對鋼結構組裝程序進行檢查;按規范要求對拼裝后鋼結構的軸線交點、對角線等進行檢查;構件長度和構件垂直度應滿足設計及規范要求;對鋼構件拼裝完成后的孔位、截面尺寸進行檢查，要求偏差滿足設計及規范要求。

4.2.1.2 鋼結構焊接

鋼材進場前，對鋼材的型號、強度等級進行檢查，對需要復驗的材料進行復驗。經檢查及復驗合格后方可進場使用;檢查焊接材料是否滿足設計要求，是否與母材相匹配，存放條件是否滿足相關要求;焊工需取得操作證，并在規定范圍內進行施焊作業;焊接施工前，對焊接工藝進行評定，正式施焊時，根據焊接工藝評定報告的實驗結果進行作業。

4.2.1.3 緊固件連接

對進場的高強螺栓、普通螺栓、連接板等進行檢查，應滿足設計要求，對有復驗要求的緊固件，進行復驗，復驗合格后方可使用;按設計及更規范要求對自攻釘、射釘、連接板等斷面尺寸、螺栓開孔大小、螺栓孔間距等進行檢驗;對高強螺栓進行連接施工時，應滿足設計及規范要求，使用電動扳手進行施工時，應進行標志和校驗，確保偏差在控制范圍內;高強螺栓緊固后，外螺絲扣數量、邊接板接縫應滿足設計及規范要求。

4.2.2 吊裝應對措施

4.2.2.1 采用吊裝的安裝方法，其吊點的位置和數量的選擇，應考慮下列因素：a.宜與網架結構使用時的受力狀況相接近;b.吊點的最大反力不應大于起重設備的負荷能力;c.各起重設備的負荷宜接近。

4.2.2.2 安裝方法選定后，應分別對網架施工階段的吊點反力、撓度、桿件內力、提升或頂升時支承柱的穩定性和風載下網架的水平推力等項進行驗算，必要時應采取加固措施。

4.2.2.3 無論采用何種施工方法 ，在正式施工前均應進行試拼裝及試安裝，當確有把握時方可進行正式施工。

4.2.3 安裝精度控制措施

測量儀器應選擇精度高的，編制相應的測量施工方案，確保鋼結構精準就位;吊裝前對建筑物的軸線標高進行復核;吊裝前對預埋件及鋼構件的位置、外形尺寸等進行檢查;鋼構件進場前應檢查鋼構件相關質量證明文件及合格證，外觀有無明顯的質量缺陷;鋼構件的幾何尺寸偏差應符合相關的鋼結構質量驗收規范的規定;對主要的受壓及受彎構件的垂直度和彎曲矢量情況進行檢查;對鋼構件的整體變形和撓度進行檢查和控制。

4.3 鋼網架的檢測

4.3.1 對鋼管桿件的要求：鋼管桿件成品長度，允許偏差±1mm;桿件軸線不平直度L/1000，且不大于5mm。

4.3.2 鋼網架的總拼與安裝要求

4.3.2.1 小拼單元允許偏差

4.3.2.2 中拼單元的允許偏差

4.3.2.3 鋼網架結構安裝的允許偏差

4.3.2.4 網架撓度

鋼網架結構總拼完成后的屋面工程完成后應分別測量其撓度值，所測值要小于相應的設計值的1.15倍。

檢查數量：跨度在24m及以下鋼網架結構，測量下弦中央一點;跨度在24m以上鋼網架結構測量下弦中央一點及各向下弦跨度的四等分點。

5 結語

鋼網架結構安裝工程，必須從設計計算，加工制作，施工安裝各個環節嚴格把關，才能預防或減少質量事故的發生。

參考文獻：

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