大跨度钢结构建筑施工技术研究

■王飞朋，苗 杰 ■运城职业技术学院，山西 运城 044000

近几十年来，大跨度钢结构建筑在西方和日本等国迅速发展，并且随着科技的发展和施工技术的迅速提高，钢结构的跨度和规模都趋于大型化。并且随着钢结构的材料的更新和新技术的应用，大跨度钢结构形式也趋于多样化。世界上许多知名建筑物都是大跨度钢结构的结构形式，外观华丽、结构坚固耐用，成为当地的地标性建筑或者显示人文地理的建筑。比如2000 年悉尼奥运会体育馆、2004 年雅典奥运会体育馆、2008 年北京奥运会鸟巢体育馆等，都给世界带来了震撼，留给后人无数的感叹和深刻的印象［1］。

尽管古代的四大发明是我国发明的，我国的木结构建筑的施工工艺在世界上也是前列，但是钢结构尤其是大跨度钢结构建筑在我国起步较晚，施工工艺和经验都不如西方发达国家。在20 世纪80 年代后期开始，由于我国经济实力的腾飞和社会发展的需要，大跨度钢结构建筑在我国也迅速兴建起来，尤其是我国申奥成功后，北京修建2008 年奥运会体育馆，这不仅给我国提供了一个展示国力和发展的机会，也提供了关于大跨度钢结构建筑的施工经验和挑战［2］。

1 大跨度钢结构的特点

1.1 多样化和复杂化

目前大跨度钢结构建筑已经不能局限于传统的单一结构形式，已经出现新的结构形式和组合形式。我们所知道的“水立方”就是采用了泡沫理论的多面体空间钢结构;而奥运体育主会管“鸟巢”则使用了复杂扭曲空间桁架结构［3］;羽毛球管则使用了全世界跨度最大的弦支穹顶结构;而广州国际会展中心则使用了非常先进的张弦桁架结构。

1.2 大跨度、高等级钢、高厚度钢板

由于实际需要和人们的要求的提高，钢结构的跨度已经趋向于超大跨度，最短的跨度也已经超过一百米的工程也不在少数，如“鸟巢”跨度已经高达296m，南京奥运体育中心体育场的最大跨度达到了360m，由于这些超级跨度的钢结构建筑的存在和需求，因此我国超限专家审查委员会专门编制大跨结构超限审查的规定。上述这些大跨度钢结构都采用了超高强度钢材，如较为少见的Q390C、Q420C 和Q460E等，并且钢板的厚度很多都已经超过10cm。

1.3 预应力技术

在大跨度钢结构工程中也使用到我们普通钢结构工程中使用的预应力技术，并且在大跨度钢结构工程中将预应力技术得到了充分的应用。在这些工程中出现了很多新型结构形式，如索穹顶、张拉整体结构和索膜结构等。奥运羽毛球馆和国家体育馆都采用了这些预应力体系，分别使用的世界跨度最大的弦支穹顶结构和双向张弦梁结构体系。

1.4 节点多样化

由于现代建筑造型的多样化使得过去的钢结构结构形式不能满足现代社会的发展和人们的需求，因为现代的钢结构都采用了仿生态建筑，因此需要改变节点形式来满足不同的建筑造型，如铸钢节点、锻钢节点和球铰节点等。

1.5 施工难度大

由于钢结构建筑都是由一些零散构件拼装而成，一般的大型工程都需要上万个构件，甚至有的超过几十万个构件组成，这些构件都是不同的截面和形状。因此在施工过程中会造成很大困扰，甚至有些构件需要进行专门的试验进行分析和研究才能完成。

1.6 生产构件难度大

由于这些工程都是特大工程，钢结构所需的构件都不是普通钢结构所使用的构件，因此都需要专门定制和生产，并且要求精度高，将构件生产误差降到最低才能满足施工质量要求。构件连接所需焊缝都必须是一级焊缝，并且这些焊缝数量也有上万个，这也给施工带来的很大的困难。并且焊接时为了保证焊缝质量，在焊接时还需先进行拼装，这就又增大了施工量和施工难度。由于这些钢结构跨度大、结构新颖，因此在施工时首先保证安全和经济外，还需使用先进的施工技术才能完成。

2 大跨度钢结构创新施工方法

2.1 现代大空间钢结构的特点

图1 复杂节点

大空间钢结构在我国发展的三十年来，尤其是在2008 年北京奥运会鸟巢体育馆与2010 年上海世博会项目建设为我国的大跨度钢结构发展提供了机遇，之后涌现出更新颖、先进的空间钢结构，这些钢结构主要具有以下特点:(1)结构形式日益多样化和复杂化;(2)大跨度、高等级钢、高厚度钢板;(3)预应力技术;(4)节点多样化，见图1;(5)施工难度大;(6)生产构件难度大等。

2.2 创新施工方法

大跨度钢结构的传统施工方法有:吊装法、分块安装法和高空散装法，而随着钢结构向大型化、复杂化发展，因此对安装技术要求也越来越高。为适应大跨度钢结构的发展已经涌现出如下新型施工方法:折叠式展开式整体提升技术，见图2、累积滑移技术、整体提升技术等。

图2 折叠式展开式整体提升技术

3 大跨度钢结构建筑施工中考虑的问题

大跨度钢结构建筑施工应与设计、科研单位共同合作，共同研究、开发，解决施工过程中可能遇到的问题，因为施工过程是所有方面中最难解决的问题，选择合理的施工方案和可以应用到实践的设计理念才能保证钢结构的安全、经济可行。目前，绝大多数的大跨度钢结构的施工技术已经打破了传统施工方法，已经向着复杂化、综合化、高科技化发展，这对现代施工技术来讲既是改革又是挑战。

3.1 CAD 设计和CAM 制造技术

从上世纪中期计算机的发明到后期计算机的普及应用，给建筑行业也带来了曙光，CAD 的开发和应用使设计行业不再徒手画图而是使用先进的技术和精确的比例，这给现代大跨度钢结构建筑的产生带来了希望。大跨度钢结构建筑需要大量的信息技术和设计技术、制造技术、管理技术等，需要高效的生产效率和工作效率，从而提高大跨度钢结构建筑产品的创新能力和管理水平。CAD 设计和CAM 制造技术都是大跨度钢结构建筑的辅助技术，包括整体三维实体模型，构件和板材的优化施工，钢管、异形构件和各种节点的设计、分析和制造等［4］。

3.2 施工仿真技术

设计分析时都是考虑结构在使用过程中的受力分析，而忽视了施工过程中的受力分析。由于大跨度钢结构建筑自重大，构件尺寸和自重均较大，因此在施工过程中遇到的安全问题也不容忽视，并且这些问题日益显著。结构在施工过程中，其中局部构件受力情况明显高于正常使用阶段，很有可能这些局部构件处于最不利受力阶段。大跨度钢结构建筑中施工技术仿真技术主要包括以下4 个方面:(1)吊装仿真;(2)各阶段工况仿真;(3)构件安装过程中的变形仿真;(4)构件拼装模拟。通过仿真技术可以提前预料到施工过程中可能遇到的问题和麻烦，可以在施工过程中避开承载力较小的构件，减小施工过程中的不安全因素，保证施工完成后构件的初始形状。

3.3 合理的安装方法

选用一种既经济又安全、适用的安装方法是现代大跨度钢结构施工必备技术。传统的空间安装方法是采用高空散装法、分条安装法、分块安装法、高空滑移法、整体吊装法等。但是由于现在的大跨大钢结构体系跨度大、结构复杂，并没有固定的安装方法，因此传统的空间安装方法并不适用于现在的大跨大钢结构体系，不能满足现在钢结构的施工需求，需要寻找一种新型的安装方法进行安装。将过去的空间安装方法进行改进和再创造才能满足空间安装方面的需求。通过我国奥运体育会主馆的施工经验得到了很多具有创新性的施工技术和安装技术，如高空曲线滑移技术、网壳结构折叠展开式整体提升技术和其他划架法施工技术［5］。从中可以发现，现代大跨度钢结构的施工技术和安装技术都是过去的施工技术和安装技术的组合拼装和再创造而形成的。并且由于信息科技、机械科技和计算机技术的发展，才能使得这些大跨度钢结构建筑能够顺利完成，并且为以后我国建设更加复杂的大跨度钢结构体系而服务。

4 结论

随着我国大跨度钢结构体系的迅速发展，遇到的最严重的问题就是施工难度大，过去的施工技术不能满足当代发展的需求，需要创造出更加新颖的施工技术、安装技术。施工技术一门包罗万象的学科，它的发展和创造、应用需要与理论和实际相结合才能形成，需要大量的科技工作者进行研究和论证。

［1］范重，刘先明，范学伟.国家体育场大跨度钢结构设计与研究［J］.建筑结构学报，2007(02):1 -16.

［2］王元清，石永久，陈宏.现代轻钢结构建筑及其在我国的应用［J］.建筑结构学报，2002(01):2 -8.

［3］葛家琪，王树，梁海彤等.2008 奥运会羽毛球馆新型弦支穹顶预应力大跨度钢结构设计研究［J］.建筑结构学报，2007(06):10 -22.

［4］葛家琪，张爱林，杨维国等.基于性能的大跨度钢结构设计研究［J］.建筑结构学报，2011(12):3 -10.

［5］郭彦林，崔晓强.大跨度复杂钢结构施工过程中的若干技术问题及探讨［J］.工业建筑，2004(12):1 -6.