大跨度钢网架结构整体提升施工关键技术及BIM应用研究

贺勃涛 姚志刚

1　网架结构造型的分类

随着近年来社会经济与科技的迅速发展，建筑工程中的网架结构造型也产生了诸多的形式和种类，而且也在不断地研究与创新。由于网架结构稳定性强、刚度大、自重轻以及节省钢材使用量等明显优势，此项技术普遍的应用于文体馆、飞机维修库、加油站等大跨度工程中。通常可以实现实际应用的网架结构有十余种，但对于各个网架的特性和适合工程的综合比选之后，现可将网架结构分为以下三个主类。

1.1　平面桁架系网架

此种网架结构是由平面桁架而演变成型的，组成部分为上下两个弦杆、竖杆和斜杆，其基本网架单元为网片。平面桁架系网架分为下列四种。

（1）两向正交正放网架：两向节间为偶数，支撑平面为斜杆以保证传递水平荷载；

（2）两向正交斜放网架：各个榀桁架刚度各异而形成良好的作用空间；

（3）两向斜交斜放网架：适用于受力欠佳、矩形平面、构造复杂的特殊要求建筑；

（4）三向网架：适用于三角形、圆形和多边形等跨度较大的网架平面，其受力性能好，空间刚度大。

1.2　四角锥体系网架

此种网架结构可分为下列五种。

（1）正放四角锥网架：应用范围最广、受力均匀、空间刚度大；

（2）斜放四角锥网架：应用较为广泛，节点构造简单，弦杆上短下长；

（3）正放抽空四角锥网架：经济效果好、构造简单、杆件数目少，用于较小跨度平面；

（4）棋盘型四角锥网架：弦杆上短下长，刚度较好；

（5）星型四角锥网架：弦杆上短下长，刚度稍差，适用于中小跨度的平面。

1.3　三角锥体系网架

此种网架结构组成部分为弦杆和斜杆，根据三角形的稳定性确定结构造型。所以此种网架结构可以顺置也可以倒置。根据其弦杆的连接方式和基本网架单元的组合方式不同，分为下列三种。

（1）三角锥网架：适用于中大跨度平面，受力均匀、空间刚度大；

（2）抽空三角锥网架：适用于中小跨度平面，整体刚度较差；

（3）蜂窝型三角锥网架：适用于中小跨度的周边支撑网架、多边形、圆形网架平面。

2　网架的结构特点

（1）大跨度网架的空间结构通常都是由各个小构件组成的，而且各个连接点之间与构件都比较单一，所以需要首先完成标准尺寸的单元预制、构件预制和各个零部件以保证高程度的工业化。此项操作完成之后既能缩短工期，又能提高成品的质量。且网架的各个预制构件和单元的尺寸小、重量轻，故而可以提高运输、储存、安装、卸载的方便度。与此同时，网架的单元结构简单，节省了在现场施工安装时的工作量以及所需技术措施，且不需要大型起重设备的运转。

（2）通过综合比选之后确定应用的网架结构，其各个面的受力均匀且刚度较大。即使将其应用于大跨度建设工程时，也能在一定程度上节省钢材料的用量。通过比较网架结构的三向受力与单向受力的平面结构，前者由于重量轻而更能节省钢材料的用量。即使其有着多样曲面的网壳结构，只要有精密的设计方案就能减少其变形、达到受力均匀且合理的目的、节省钢材料的用量。

3　大跨度钢网架结构整体提升施工关键技术分析

3.1　钢网架结构的制作加工

上文已提及，大跨度网架的空间结构通常都是由各个小构件组成的，其采用钢管或者型钢为原材料。但由于网架内外部之间的杆件连接结构数量多且网架结构是封闭式的，因此钢结构件的制作技术相对复杂，且很难矫正已经加工成型却发生变形的杆件。所以必须严格落实大跨度网架结构中的各个钢结构件和各个杆件的安装、制作及其焊接等施工工作，且对于最终的网架拼装结果进行提升，以达到高效、高质、经济、安全的建筑工程。

（1）制作钢管：钢管的制作工艺中，根据钢管杆件不同程度的切割要求，采取的仪器是数控相贯线切割机。此种仪器可以根据切割前的预制样品程序进行自动化切割技术。由此可以得出，钢管制作工艺程序中切割样品程序的编程是尤其重要的。为了达到有效控制与合理提高切割程序质量的目的，可以使用CAD与AUTOCAD结合完成升级与编程。

（2）制作网架结构中的焊接球结构：制作网架焊接球的第一步就是要对半球进行下料。首先要根据加工的构件坡口和焊接目标的直径完成下料半球尺寸的计算。再由之前得到的计算结果进行切割程序，严格控制误差的范围在1mm左右，并且产生的切割切口不能出现大雨3mm的凹陷或2mm的熔深。制作网架焊接球的第二步为压制半球。首先需严格控制温度范围在1000～1100℃之间（脱模温度保持650℃以上），半球充分煅烧之后，利用液压机（350～630T）对半球进行施压并待其成型，再脱模并自然冷却。制作网架焊接球的第三步为连接半球成为焊接球。焊接时采用的专业仪器是需二氧化碳气体对其进行保护的空心球自动焊接机。

3.2　地面组装

网架地面组装技术操作过程中，应先在地面组装好网架结构的主体部分再进行起吊。其中拼装场地的严谨与否决定了网架结构的整体质量，例如拼装场地需满足绝对平整以达到高效率的拼装、网架安装之前则需要勘探场地以达到高精准的坐标数据。

3.3　液压提升

由图1可以看出液压提升技术的特点如下。

图1　液压控制系统技术体系分析

（1）可以通过设备的提升进行不断组合，由此结构整体提升不再受重量、跨度、面积等因素的限制；

（2）承重体系采用柔性钢绞线，合理的承重点至关重要，如果承重点的选择合理客观，则整体提升的幅度和高度就不受限制；

（3）提升油缸锚可以实现逆向运动自我锁定，既保证了液压提升操作过程的安全，又可以长期可靠地在任意位置实现锁定各个构件的目的；

（4）液压提升设备承载能力大、体积小、重量轻。

3.4　同步控制

某屋盖项目中，计算机同步控制技术的高效实施得到了各行各界的一致认可和高度评价。先提出此项技术应满足以下要求。

（1）需保持各个吊点提升时的同步性，且控制误差范围在-10～10mm之间；

（2）需保证每一台液压提升设备的受载均匀。

4　BIM的应用

工程施工人员对于工程设计图纸的转换理解能力，是二维表达在建筑工程的传统工作模式中的重要决定因素。诸如上文提及的文体馆、飞机维修库、加油站等大跨度工程，应用到BIM技术可更直观地处理信息模型和分析工程的参数化，以此保证高效率地完成施工任务。

4.1　建立三维模型

Tekla Structure软件主要用于实现网架主体结构构件的三维建模，其特性是该软件允许同一模型多人同时建模。其主要工艺流程为：首先键入某工程所需要的全部信息于BIM模型中；再经过综合管线完成布设复核之后得到项目工程的BIM模型。

图2　生成BIM的综合模型流程图

4.2　模拟构件

建筑工程的传统平面工作模式中工作难度大，是由于其网架构件的结构复杂、构件数量多等因素影响。而由BIM构建出的三维模型能精确地完成结构复杂的施工任务，其主要工作原理为：简单化地呈现结构复杂的网架空间形态以及降低现场安装工程的误差和错误率。除此之外，BIM还真实的将倒角、螺栓、孔距等构件反映在了三维模型当中，简单、高效地完成了构件的模拟。

4.3　模拟施工

这一工艺的主要目的在于复核设计方案是否完全可行以及进行施工方案的完善。传统施工方式中，很难实现精准地控制钢网架结构对接点的坐标，也就很难实现实际安装工作的准备。故而施工模拟这一工艺提高了整个工程工作的管理和控制效率。

4.4　BIM技术的优点

（1）作业流程具有同时性、高效性；

（2）模拟工艺具有精确性、直观性；

（3）施工结果具有节约性、高质性。

5　结束语

随着我国社会经济的快速发展，各种建筑工程的施工量也会大幅度增加，大跨度钢网架结构整体提升施工技术的应用也会越来越普遍。由于大跨度钢网架结构造型的装卸有着很大的难度，所以掌握其整体提升施工的关键技术是保证建筑物的安全性与稳定性的先决条件。现阶段通过大量大跨度钢网架结构整体提升施工的最终结果表明，这一技术在现场施工过程中存在的问题越来越少，其施工方式和工艺在进一步地发展、完善、创新并逐渐成熟。

[1]曾强.空间钢结构计算机控制液化整体提升技术[J].施工技术，2014：15～17.

[2]陈冬冬.大跨度网架结构整体提升技术研究与应用[J].重庆大学，2013：24～25.