大跨度復雜鋼結構施工過程中的技術問題

徐 勝 中國建筑第五工程局有限公司項目經理，工程師

林祿桐 中國建筑第五工程局有限公司

付宏舉 中國建筑第五工程局有限公司

莊儒輝 中國建筑第五工程局有限公司

對設計人員來說，不僅要保證整個大跨度復雜鋼結構的設計剛度及承載力滿足規范要求，還應對整個項目的成形過程進行相應分析，實現以結構工程有效性為主的相關施工技術平衡思想。對工程技術人員而言，應全面掌握設計現狀，并根據施工技術和程序的規定，按時對相關的安裝結構進行安全檢查，確保工程的總體設計狀況達到最佳。本文結合目前的技術優勢，針對我國大跨度復雜鋼結構工程的特點，對其施工技術的有效性進行了分析，從現代施工技術的要求進行闡述。

1 大跨度復雜鋼結構的特征

1.1 大跨度復雜鋼結構向多元化發展

目前，我國大跨度復雜鋼結構已從傳統的單一化轉向多樣化、復雜化，并提出了許多新型的鋼結構。例如，北京奧林匹克體育館“鳥巢”采用了彎曲的網狀結構，結構更加復雜。

1.2 跨度、等級、厚度與結構的復雜性保持一致

考慮到結構的重要性，大跨度復雜鋼結構的設計長度必須與重力荷載有關，這樣才能保證結構的穩定性，避免結構在承受荷載過高時出現裂縫，特別是一些大型建筑。為了滿足相關要求，鋼結構的跨度需要隨著結構長度及承載力的提升而增大，進而保證其能夠與空間結構承重數據保持一致，以更好地提供支撐。例如，我國在鳥巢體育場施工時，采用的鋼板厚度最小也超過了100 mm，而實際結構的平均跨度都超過290 m，Q420C、Q390C、Q46QE 等鋼結構在鳥巢體育館建設方面應用廣泛，有效提高了基礎結構的承壓能力，使其受力平衡，可與結構空間復雜度相適應[1]。

1.3 大跨度復雜鋼結構節點的多樣化

大跨度復雜鋼結構節點的多樣性運用降低了仿生施工難度，并通過對自然要素的模仿來實現建筑的功能，提高了建筑的使用安全性和舒適性。在這一過程中，對大跨度復雜鋼結構的需求不斷提高，既要能有效地承受各種節點的荷載，又要提高工程的實際使用效益，使鑄鋼節點等不出現質量問題，確保建筑節點多元化應用能夠發揮良好的實際效果。

1.4 構件數量、截面類型與設計困難成正比關系

隨著現代建筑的發展，大跨度復雜鋼結構材料的應用越來越復雜，鋼結構的建造越來越多，不同的截面形式也越來越多，這就導致了鋼結構的應用難度越來越大。如果一個細節上出現了問題，或者是其他的質量問題，都會對整個建筑產生很大的影響。這時，有關技術人員就必須對鋼結構的彎曲和扭轉進行及時研究，以保證結構的準確和質量，從根本上解決設計困難和構件多等問題[2]。

1.5 零件加工困難

在這種情況下，任何一個結構上的錯誤都會導致工程質量的下降，從而在后續的應用中出現安全問題，特別是在鋼結構焊縫上，微小的偏差就會對鋼結構的整體運用效益及承壓能力造成重大影響，對此要根據不同的鋼結構等級作好鋼結構計算，并將鋼結構焊縫數據控制在合理范圍內，從而提高建筑結構整體精度。

1.6 焊接作業繁重

焊接是鋼結構應用中的一項重要工作內容，需要熟練的焊接技術，以有效解決各種結構的焊接問題，提高鋼結構的焊接精度，滿足鋼結構的焊接規范，防止因焊接誤差和施工技術問題造成鋼結構的使用質量問題，進而影響到大跨度復雜鋼結構的高效應用[3]。

2 大跨度復雜鋼結構的施工技術探討

2.1 施工技術的仿真計算

在項目實施期間，施工團隊要對全過程進行跟蹤仿真，使施工過程更安全、高效，同時也能保證其剛度、強度以及穩定性。大跨度復雜鋼結構工程的施工技術復雜，工期長，難以保證在各階段的受力狀態和位移均處于固定狀態，因而變動的概率很大。因此，有必要對其進行實時的跟蹤仿真。“希夷之大理”彩虹橋的鋼結構模型如圖1 所示，將周邊的實際情況和橋梁的情況相協調，因為橋梁的跨度較大，結構較為復雜，所以在設計圖紙上通常用毫米來表示。在橋上的仿真中，也有一些不規則的對象，可以利用仿真技術生成非規則的物體。對于主梁橋面等具有一定截面的結構，可以畫出橋梁的平面圖，然后進行三維建模。方法雖然簡單，但參數的改變很難控制，如果控制得不好，則會影響到整個系統的運轉。

圖1 “希夷之大理”彩虹橋的鋼結構模型

2.2 分段式裝配

分段式裝配主要是將地面上的結構部件分成條狀或塊狀，然后通過起重機吊入高空中的固定位置，接著再將其與其他部件進行連接。該方法既能解決地面上出現的支撐問題，又能根據吊具的承載力將其分割為多個構件，整體的安裝工作較為靈活[4]。

2.3 動態結構計算機控制技術

隨著社會技術的飛速發展，網絡技術逐漸被引進建筑行業，運用網絡技術進行大規模技術管理、建設新的科技領域、加快建設的進度和水平顯得尤為重要。通過對各種不利因素的計算和分析可以有效探討方案的可行性，革新施工技術，確保施工水平，最大限度地確保方案的安全性和科學性，從而檢驗不利因素對結構的影響程度是否合理，并采取科學的管理措施，以確保工程施工保質保量地完成[5]。

2.4 高空無支托拼裝施工技術

在高空無支架拼裝施工技術中應注意以下幾個要點。一是利用吊裝順序對結構系統進行分段，從而免去支撐平臺的搭設這一環節；二是采用單元群的剛性結構來保證單元的穩定，最后完成整體結構[6]。綜觀我國的大型建筑項目，如廈門國際會展中心是我國迄今最大、最完善的懸臂空間桁架，它采用了高空無支托拼裝施工技術，并取得了良好的效果。通過這種技術可以大大降低工程造價，也可以大大加快工程進度，縮短工期[7]。

3 大跨度復雜鋼結構施工中應注意的問題

大跨度復雜鋼結構的施工技術要求很高，科學、合理的施工技術以及準確的分析是保證結構安全、可靠的前提，同時也是保證工程經濟效益的重要因素。大跨度復雜鋼結構建筑技術突破了傳統的建筑技術，注重科學化設計[8]。

3.1 注重CAD 和CAM 技術

CAD 和CAM 技術的應用是為了使建筑鋼結構的設計更加合理，更好地滿足施工要求，并對相應的基礎設施進行改造。利用計算機輔助設計技術可以有效顯示出建筑物的立體模型，并且可以實現對鋼結構的三維仿真，從而更加直觀地展現鋼結構的設計。

3.2 模擬技術

傳統建筑鋼結構的設計大多是以單體結構為主體的鋼體結構。此類建筑的鋼結構雖然可以保證建筑的穩定，但是在功能性、美觀性以及實用性等方面存在不足，造成的浪費也不少。采用模擬技術可以有效地解決上述問題，保證鋼結構的使用效果，增大了鋼結構的受力區域，使其受力范圍由傳統的單層結構向多點支承過渡，滿足了建筑的基本要求。模擬技術在下列幾種情況的應用效果最好。

首先是大規模的施工模擬，這類建筑一般都需要很高的承載力，通過模擬技術可以提高鋼結構的承壓性能，從而使其在實際應用中起到很好的承壓和支撐作用[9]。其次是在鋼結構的拼接上，采用模擬技術可以有效地解決對接縫的控制問題。連接節點模擬如圖2 所示，在實際支撐點處構造結點，確定其節點的局部坐標，確保其約束方向與梁正交或半徑相吻合，采用彈性接頭（剛體）將支撐結點和主梁結點進行聯結。保證鋼結構連接不會因為外部環境干擾而發生裂縫及壞損等相關狀況，提高鋼結構的使用年限。最后是在鋼結構的安裝中，采用模擬技術可以根據施工要求對其進行預變形，從而有效地控制安裝的精度，從而保證鋼結構的安裝與圖紙的要求相符合。

圖2 模擬連接節點

3.3 安裝方法

大跨度復雜鋼結構的施工和安裝要按照工程的設計與施工需要來進行。經過有關技術人員的調研和分析，確定合理的施工方法，既要保證其安全、可靠，又要兼顧實用性和功能性，以保證大跨度鋼結構使用的實際效果。

傳統的鋼架安裝技術主要用于大跨度復雜鋼結構的安裝，但其施工安全隱患較大。在這方面，可以針對目前鋼材安裝的基本要求，進一步優化和調整網殼的折彎技術，以適應大跨度復雜鋼結構的施工。為了提高大跨度復雜鋼結構的安裝可靠性，可以將模擬技術運用到鋼結構的安裝中，從而使其能夠有效進行理論上的技術分析，并優化不適合大跨度復雜鋼結構的裝配技術，從而提高其安裝的安全性和有效性[10]。

3.4 安全性

進行鋼架起重之前，應做好相關的安全工作，由專業人員進行施工，并對所有的安全設備進行全面的檢查和驗收，通過后方可進行。施工前應先進行檢查，試運轉，確保設備正常，方可投入運行。在每個鋼制框架的上下端均設有一個鋼制的梯形升降機，該升降機的上端和中部分別用安全繩系緊，同時具有安全的作業平臺，當安裝鋼結構時，操作者站立在上面進行作業。在吊裝作業中，操作人員要進行技術交流，嚴禁在井下站立，要做到“十不吊”。而在吊裝過程中，必須采用統一的指令信號，信號要清晰準確，起重機司機要服從命令。此外，圓屋頂鋼架吊裝時，嚴禁在圓頂處進行上下跨線作業，并由專業的人員負責看守，嚴禁非現場作業的人員進出。

4 結語

鋼結構制造技術仍在不斷探索和研究中，隨著技術和建筑理念的不斷更新，其將在建筑中發揮出更加重要的作用。