建筑工程大跨度鋼結構施工技術分析

陳子龍

(山西五建集團有限公司，山西 太原 030000)

1 大跨度鋼結構概述

大跨度鋼結構是指建筑結構橫向跨度尺寸超過60m以上的結構形式，常見的結構類型包括懸索鋼結構、網架鋼結構以及殼體鋼結構等[1]。大跨度鋼結構常見于大型工業建筑或公共建筑中。例如，大型體育場館、車站候車室等等。鋼結構本質上屬于柔性建筑構件，具有較高的抗震等級，便于施工，工期相對較短。其對于構件的安裝尺寸有著嚴格要求，施工期間具有較強可控性。近年來，建筑領域對于大跨度鋼結構的應用越發頻繁，越來越多的大型建筑在設計時選取其為主要結構形式，其應用既能夠滿足建筑美學要求，也符合建筑工程安全建設標準。

2 建筑工程大跨度鋼結構施工主要特點

2.1 結構形式與功能的多樣化

現階段，建筑行業發展迅速，各類新建筑理論被引入推廣，大跨度鋼結構的施工形式也在持續革新變化。例如，標志性的著名建筑鳥巢，其鋼結構設計以生物仿生學為基礎，水立方建筑以泡沫理論為基礎。在大跨度鋼結構施工中，將其施工設計與當代新技術良好融合，不但豐富了其結構外觀造型，更使得其鋼結構組合形式更加合理。過去的鋼結構建筑受到施工技術水平、工程設計理念等各種因素的影響，其結構形式過于單一刻板，且建筑的使用功能也比較局限，例如，鋼結構的民用建筑一般主要用于居住，在工業生產中，鋼結構廠房建筑往往更為常見。隨著多年的發展變革，大跨度鋼結構建筑的功能逐漸多樣化，可滿足更多使用需求。例如著名的鳥巢，不但能夠用作各類體育賽事的活動場地，賽事結束后還可用于參觀旅游，舉辦演唱會等[2]。

2.2 鋼結構跨度較大，鋼材用料要求高

現階段，建筑領域的相關建設理論在不斷更新變化，為滿足實際的建設需求，鋼結構建筑的空間跨度呈現出不斷擴張的趨勢。在這種情況下，雖然使得建筑內部空間更加充裕，滿足更多空間使用需求，但也同時增加了建筑結構的實際荷載壓力。為此，建筑鋼結構框架的維穩控制，以及建筑鋼結構荷載水平的提升則成為了此類建筑建設中所控制的重點。國家相關部門還對此制定了針對性的建筑結構安全審查規范，規范中要求，大跨度鋼結構建筑所用鋼材質量必須過關，需應用高質量高強度的鋼材，且須通過專業鋼結構質檢后才能投入使用。

2.3 預應力技術的運用

現階段，預應力技術在大跨度鋼結構建筑施工中被大力推廣，其對于建筑鋼結構強度及穩定性的提升大有助益，該技術的應用間接提升了大跨度鋼結構建筑的安全級別。作為新型技術之一，還使得建筑實際應用年限得以延長。在國家體育館，以及奧運羽毛球館等鋼結構建筑中，都有采用預應力體系。

2.4 技術含量高，設計難度大

現階段的大跨度鋼結構建筑具有形式多樣化及結構類型豐富的特點，但是此類建筑的建設完成需依托現代高新科技，實際施工中如果缺乏高水平技術人才的輔助，也難以圓滿完成施工任務。大跨度鋼結構建筑的建設工作只依賴建筑設計理念并不能付諸于實踐，期間還需要經驗豐富的技術人員對重要參數實施精密計算和科學規劃，才可順利安全的開展作業。也正是因為大跨度鋼結構對于工程建設技術人員、施工物料以及工藝技術等的高標準要求，工程建設工作實施前，必須做好各準備工作，才可保證項目建設成果[3]。

2.5 鋼構件生產難度高

大跨度鋼結構建筑的建設體量通常比較大，其施工中所用的鋼構件類型也與常規建筑鋼構件存在差異，為此建設前需依照工程設計要求進行專門定制。此類建筑的鋼構件預制有著較高的精度要求，預制誤差必須嚴格控制。各鋼構件焊接處理時都需設置一級焊縫，為保鋼構件焊縫質量可達標，焊接前技術人員要先拼裝鋼構件，然后實施焊接。因鋼構件數量較多，所以工作量非常大，存在一定的施工難度。部分大跨度鋼結構建筑結構組成奇特新穎，鋼構件類型也較為特殊，這也會導致其構件預制難度上升，部分還需引入應用新的工藝技術才可預制完成。

3 建筑工程大跨度鋼結構施工技術

3.1 高空原位散裝及單元安裝施工技術

高空原位散裝施工技術是指，依照工程設計標記的位置，對鋼結構各部位桿件和連接節點實施安裝。應用此種技術進行鋼結構施工時，不需要使用大型起重裝置來輔助作業，適用性很強，可用于各種類型的大跨度鋼結構施工作業中。但是此種施工技術應用過程中，如果現場施工規模較大，將涉及大量的高空作業，所用鋼材數量較多，需占用大面積的施工場地，還要應用較多支撐材料，建設工期也比較長。因此，在一些工期要求相對寬松，且規模中等的大跨度鋼結構施工中，更適合應用該技術。其技術應用關鍵點就是對于各鋼結構安裝節點坐標參數的控制。

高空原位單元安裝技術，是在高空原位散裝施工技術的基礎上升級改造發展而來，其技術原理相近，主要的區別在于，該技術進行鋼結構拼接安裝和焊接作業的時候，都是在地面完成操作，亦或是在構件加工廠中完成。實際施工中，技術人員在地面部位進行鋼結構構件的拼裝連接，將其劃分拼裝成為條狀單元模塊，或者塊狀的單元模塊之后，再組裝拼接成為整體鋼結構。該技術應用期間高空作業的工作量明顯減少，安裝期間無需過多支撐支架結構，施工成本更低，工期也相對縮短，且無論是安全等級還是安裝質量上都明顯進步。該技術應用關鍵點主要在于鋼結構構件單元的合理劃分，施工中對于不同結構類型的鋼結構構件有著不同的單元劃分方式。

3.2 滑移安裝施工技術

滑移安裝施工技術分成兩種施工形式，一種為結構滑移式施工，一種為支承滑移式施工。

首先，在應用結構滑移式施工技術進行施工時，先將鋼結構在預裝施工現場進行局部拼裝，或者整體拼裝，待其拼裝成型之后，使用滑移系統進行構件運輸，將已經拼裝完成的構件滑移傳送到指定安裝點位進行施工，拼裝連接成為整體鋼結構。此種施工技術應用期間不會與其他專業的施工產生沖突，可開展同步平行作業模式。其施工過程中只需在固定場地實施構件拼裝作業即可，無需搭設復雜支撐結構和操作平臺，可節省施工成本。施工期間不需要使用大型的起重裝置，所用設備工具簡單，無需花費過多精力進行場地處理，材料設備及施工現場便于管理。尤其適用于場地面積不大，大型設備無法入場的建筑工程。施工期間有幾個關鍵控制點需注意。1)鋼構件滑移期間容易造成機械磨損，嚴重甚至會導致滑移單元被損壞，為此滑移期間要采取措施盡量降低滑移摩擦阻力；2)如果鋼構件滑移施工中采用了多個牽引點，則容易導致滑移單元扭轉。為此，操作時各牽引點需保持同步，技術人員還應實施臨時加固，以免不慎扭轉[4]。

其次，支承滑移施工需要在鋼結構各安裝節點部位進行支承支架的搭設，為后續構件安裝提供可操作的平臺支撐結構，鋼構件安裝完成后，支撐架將與其自動分離，繼續滑移完成后續的鋼構件安裝施工直至安裝結束。此種技術又可細分成逐榀滑移技術和累計滑移技術。逐榀滑移技術是指，將由一榀或者多榀組成的鋼構件滑移單元，滑移到指定安裝地點，各單元滑移操作完成后，彼此連接安裝形成整體鋼結構。累計滑移技術是指，將滑移單元滑動既定距離之后，與其所處地點的下一單元進行組裝連接，隨后二者共同滑移，到達下一地點后與第三個單元組裝拼接在一起，以此類推，直至最后所有單元的鋼構件都拼裝連接成一個整體。支承滑移施工時，需要占用鋼結構的跨內施工場地，因此更適用于現場周邊不能夠進行鋼結構拼裝處理的建筑工程。操作期間務必保證支承結構的穩固安全，對其滑移支架滑移運行以及停止時的水平慣力也要科學控制，必要時，為優化其支撐結構的抗側強度，需要增加適量斜撐結構。

3.3 整體提升、整體吊裝與整體頂升施工技術

整體提升施工技術是指，在地面拼裝鋼結構后，再將起重裝置設置在鋼結構安裝節點上方，將拼裝完成的鋼結構整體提升至安裝點位。應用此種技術進行施工時，涉及的高空作業比較少，借助起重機設備實施操作安全級別更高。此種施工方式并非是對鋼結構在安裝原位實施焊接拼裝，而是整體提升式作業，施工效率較高。大跨度鋼結構建筑采用整體提升技術施工的時候，對其鋼結構構件強度及其穩定性的計算分析非常關鍵，對于較為薄弱的部位，需采取針對性加固策略，防止整體提升施工期間鋼結構出現變形等問題。施工期間現場技術人員還要密切關注其鋼結構位移變化和其構件所受應力的變化情況，及時反饋問題，及時處理問題。

整體吊裝施工技術是將鋼結構構件在地面施工區域拼裝成一個整體之后，使用起重機設備，將其吊裝到安裝點位，然后進行加固。該技術原理類似于整體提升技術，但是區別在于，其通常用來吊裝中等寬度的桁架鋼結構施工，而對于大屋頂類的大跨度鋼結構工程，則更適合應用整體提升技術。該技術應用時，對于起重設備要求較高，必須使用重載型起重機，施工期間容易與土建作業產生沖突，不可同步作業。起重機停機點區域的地面強度必須達標。

整體頂升施工技術是在大跨度鋼結構各關鍵支點下方裝設千斤頂裝置，將柱結構作為滑道，逐步完成鋼結構的頂升處理，直到其到達預設位置。與整體提升技術相比，在于借助的工具存在區別，設備作用位置也有所不同，二者對于鋼結構的作用原理是相反的。

3.4 折疊式展開式整體提升技術

該技術是一種全新改良型的技術類型，適用于大跨度網殼型鋼結構與建筑工程的施工技術。應用該技術施工時，先將部分環向桿從網殼鋼結構當中抽出，然后將其整體結構劃分成多個區域，將網殼鋼結構原本的靜定狀態轉變，變成一個可運動可折疊的結構形式。在靠近地面的位置完成鋼結構安裝施工之后，運用液壓提升裝置，或者氣壓提升的方式，將鋼結構提升到原定安裝點位，安裝后補充之前抽離的桿件，完成最終施工，令鋼結構重新恢復到原有的穩固狀態。簡單來說，就是將鋼結構由靜態變為動態再變為最終穩固安全的承力結構。該結構與傳統鋼結構施工作業模式相比優勢較為突出，應用此種新型技術對鋼結構提升的過程中，只要能夠采取措施有效克服其鋼結構自重的影響，就可令鋼結構的可動范圍增加，便于更加靈活的實施調整，與此同時也不會大幅度改變鋼結構內部的實際受力情況。設計人員只要科學設計結構的承重支點，就能夠實現工程大跨度鋼結構的長距離超高度提升安裝作業。此種作業方式在矢跨相對較大的網殼鋼結構施工中較為適用，無需高空作業，可保障參建人員人身安全，也不用搭設腳手架，經濟效益及社會效益顯著。該技術應用期間，其鋼結構提升瞬間各吊點部位水平位移的變化，吊索以及桿件所受內力變化情況都是控制的要點[5]。

3.5 整體曲線滑移施工技術

該技術是以傳統滑移鋼結構施工技術基礎而延伸創新后產生的新型技術，具體來說，其是針對鋼結構胎架及桁架的整體曲線滑移施工技術。實際施工中，將鋼結構桁架在地面施工區域完成整榀拼接安裝之后，再將其構件分段運輸到曲線滑移的位置，在高空中進行拼接組裝，隨后將拼裝好的構件滑移到既定點位。該技術施工中涉及的主要環節是地面部分的構件分段拼接安裝，高空中的分組拼裝，以及后續的胎架與桁架結構的整體曲線滑移作業。該技術既融合了傳統鋼結構滑移作業的優勢，還可在塔吊裝置附近集中完成拼接安裝作業，其構件滑移所用軌道以及塔架，都能夠重復使用。但是應用該技術進行施工的時候，由于是曲線滑移，所以構件的滑移必須要借助專用的曲線牽拉裝置才能完成。施工中對于滑移所用塔架裝置的結構剛度也有較高的要求，其塔架搭設成本較高。施工期間需要控制的關鍵點在于，不同滑移軌道上面，其鋼結構構件的曲線滑移要保持同步。這是由于鋼構件滑移期間，胎架和桁架等構件的滑移，為曲線運動軌跡，二者需要以同角速度運行滑移，這就要求各牽引點要以不同的線速度滑移運行，最終滿足同一角速度的同步滑移要求。為此施工期間，技術人員需要隨時對滑軌上的滾輪裝置實施調整，以確保各構件處于同一角速度滑移。

4 結語

綜上所述，大跨度鋼結構現階段在建筑工程中較為常見，隨著建筑工程建設水平的提升，越來越多的大跨度鋼結構建筑項目也得以建成。大跨度鋼結構施工相對普通鋼結構施工存在更大的技術難度，施工技術類型多樣化，流程也更加繁瑣，面對當下各類大型建筑項目的建設需求，單一的施工技術無法滿足建設標準，而是應引進各類新型大跨度鋼結構施工技術，結合實際情況組合搭配應用，使得工程施工得以安全、高效及高質量建設，以確保大跨度鋼結構最終的施工效果。