空间钢网架结构施工误差分析及控制

徐志武?王崇强?任杰?孙永明?刘建宏?崔孝显

摘要：钢网架结构拼装及吊装施工过程中，会因各种原因产生各种误差，导致产生杆件弯曲、单元偏位、就位困难等质量问题。现结合本工程网架结构施工中产生的质量问题进行分析。

关键词： 网架结构;高空吊装;原因分析;质量控制

网架是由许多杆件按照一定规律组成的网状结构。网架结构可分为平板网架和曲面网架。平板网架采用较多，它是一种平板型的，由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连接而形成的空间结构，属于空间铰接杆系。它改变了平面桁架的受力状态，是高次超静定的空间结构。其优点是：空间受力体系，杆件主要承受轴向力，受力合理，节约材料（如上海体育馆，直径110m，用钢量仅49kg/㎡），整体性能好，刚度大，抗震性能好。杆件类型较少，适于工业化生产。

构成网架的基本单元包括三角锥、三棱体、正方体、截头四角锥等，由这些基本单元可组合成平面桁架系网架，四面锥体系网架，三角锥体系网架等不同网架形式;根据网架連接节点形式不同，一般可以分为焊接球节点，螺栓球节点，钢板节点三大类。

网架的形式较多。按结构组成，通常分为双层或三层网架;按支承情况分，有周边支承、点支承、周边支承和点支承混合、三边支承一边开口等形式;按照网架组成情况，可分为由两向或三向平面桁架组成的交叉桁架体系、由三角锥体或四角锥体组成的空间桁架角锥体系等。

我国于1964年建成第一个平板网架（上海师范学院球类房），在20世纪80年代后期北京为迎接1990年亚运会兴建的一批体育建筑中大部分皆采用平板网架结构。空间网架结构在我国的应用已经非常成熟，被广泛用作体育馆、展览馆、俱乐部、影剧院、食堂、会议室、候车厅、飞机库、车间等的屋盖结构。

1 网架结构特点分析

1.1 网架结构的整体性能好，刚度大，抗震性能好

网架结构是由很多杆件从两个或几个方向有规律地组成的高次超静定空间结构，由于杆件之间的相互支持作用，它改变了平面桁架受力体系，能承受来自各方的荷载，其刚度大、整体性好、抗震能力强。而且能够承受由于地基不均匀沉降所带来的不利影响，自动调节杆件内力，从而保持结构安全。

1.2 网架结构的自重轻，节约钢材

钢管网架用钢量一般为20kg/㎡左右，而跨度在100m左右的网架用钢量为 65kg/㎡。随着选材的不同，百米跨度的网架结构用料量也可以大幅度降。

1.3 网架结构适应于各种平面形式的建筑

网架结构的适应性大，既适用于中小跨度的建筑 ，也适用于大跨度的房屋，从建筑物平面形式来说，它适于矩形 、圆形、扇形及各种多边形的平面建筑形式。

1.4 网架结构取材方便

网架结构一般取材于Q235或Q345钢，杆件截面形式多采用钢管或型钢，有钢板节点网架、螺杆球节点网架、支座节点网架 、焊接球节点网架多种节点网架形式，取材方便，方便施工。

1.5 网架结构适宜于工厂化生产

由于网架结构的杆件或部件规格划一，适应工厂化生产，从而为加快工程进度提供了有利条件和保证。

2 网架结构的安装方法

网架结构的安装方法应该在满足工程质量、安全、进度和经济效果的要求下，结合当地的施工技术条件，充分考虑网架不同类型和受力，构造特点等影响因素综合确定。安装方法包括：

2.1 高空散装法：适用于全支架拼装的各种类型的空间网格结构，尤其适用于螺栓连接、销轴连接等非焊接连接的结构。

2.2 分条或分块安装法：适用于分割后刚度和受力状况改变较小的网架，如两向正交正放四角锥、正向抽空四角锥等网架。

2.3 滑移法：适用于能设置平行滑轨的各种空间网格结构，尤其适用于必须跨越施工（不允许搭设支架）或场地狭窄、起重运输不便等情况。

2.4 整体吊装法：适用于中小型网架，吊装时可在高空平移或旋转就位。

2.5 整体提升法：适用于各种类型的网架，结构在地面整体拼装完毕后用提升设备提升至设计标高、就位。

2.6 整体顶升法：适用于支点较少的多点支承网架。

3 工程实例及BIM应用

本工程为青岛市崂山区张村河小学改扩建工程风雨操场屋盖网架，采用螺栓球节点连接形式。网架杆件为二力杆，所有荷载需通过预留M20螺栓作用在球节点上，禁止与节点球焊接。网架结构布置图见图3.1。

为保证整个结构的工艺实现，本工程在施工前运用BIM技术进行钢结构深化设计，利用AutoRevit、Tekla等设计软件1：1建立与工程实际完全相符的钢结构3D全真模型，在钢结构建模过程中综合考虑制作、运输、安装以及和其它专业的要求与联系，最后生成满足钢结构施工的深化图纸。

钢结构BIM技术进行深化设计的过程，其本质就是进行电脑预拼装、实现“所见即所得”的过程。首先，所有的杆件、节点连接、螺栓焊缝、混凝土梁柱等信息都通过三维实体建模进入整体模型，该三维实体模型与以后实际建造的建筑完全一致;其次，所有加工详图（包括布置图、构件图、零件图等）均是利用三视图原理投影生成，图纸中所有尺寸，包括杆件长度、断面尺寸、杆件相交角度等均是从三维实体模型上直接投影产生的。

第一阶段，根据结构施工图建立轴线布置和搭建杆件实体模型。导入AutoCAD中的单线布置，并进行相应的校合和检查，保证两套软件设计出来的构件数据理论上完全吻合，从而确保了构件定位和拼装的精度。创建轴线系统及创建、选定工程中所要用到的截面类型、几何参数。

第二阶段，根据设计院图纸对模型中的杆件连接节点、构造、加工和安装工艺细节进行安装和处理。在整体模型建立后，需要对每个节点进行装配，结合工厂制作条件、运输条件，考虑现场拼装、安装方案及土建条件。

第三阶段，对搭建的模型进行“碰撞校核”，并由审核人员进行整体校核、审查。所有连接节点装配完成之后，运用“碰撞校核”功能进行所有细微的碰撞校核，以检查出设计人员在建模过程中的误差，这一功能执行后能自动列出所有结构上存在碰撞的情况，以便设计人员去核实更正，通过多次执行，最终消除一切详图设计误差。

第四阶段，基于3D实体模型的设计出图。运用建模软件的图纸功能自动产生图纸，并对图纸进行必要的调整，同时产生供加工和安装的辅助数据（如材料清单、构件清单、油漆面积等）。节点装配完成之后，根据设计准则中编号原则对构件及节点进行编号。编号后就可以产生布置图、构件图、零件图等，并根据设计准则修改图纸类别、图幅大小、出图比例等。

本工程BIM深化设计模型图见图3.2。

由于网架跨度较大，且场地有限，无法在地面拼装成整体后吊装到位。本工程网架施工采用高空散装法，在楼面搭建临时支撑平台，采用平移的方法、分段组对、安装及就位（高空拼装的方式）。

所有网架拼装完毕后，采用六台千斤顶，支撑在球体受力点，将网架抬高至一定高度后，放置预制完毕的网架受力支座。使网架的重量均匀的分布在基础结构上。尺寸核对完毕后进行最终的焊接连接。

在屋面网架施工过程中，出现了支座节点位移、杆件变形、网架挠度過大等问题，导致单元网架安装时就位困难或无法就位，影响施工质量及进度。

分析本工程网架施工时产生的问题，原因有以下几点：

3.1 施工质量控制较差、测量工作不细致、测量精度不高，导致网架结构预埋件位置偏差过大;

3.2 钢结构生产单位加工时，杆件下料尺寸不准;钢结构安装单位在单元拼装时未对各个杆件进行检查修正，导致引起网架变形难以精准就位。

3.3 网架拼装产生偏差，导致累积误差过大;

3.4 网架吊装时未对吊点、挠度等进行检查验算，导致吊装后部分网架杆件产生弯曲变形。

4 误差分析及控制措施

钢网架结构虽是高次超静定结构，整体性好、安全度高，但是设计、制造和安装中的许多复杂的技术问题还没有被深刻地认识到。例如一般结构的次效应较小，而网架结构的次效应很大，甚至起控制作用。网架结构对设计人员、安装人员的素质要求很高。稍有疏忽，钢网架结构极易发生质量事故，甚至整体倒塌。

4.1 主要原因

4.1.1 制作原因

4.1.1.1 材料验收及管理混乱，不同钢号、规格材料混杂使用，特别是混用了可焊性差的高碳钢，钢管管径与壁厚有较大的负偏差，安装前杆件有初弯曲而不调直。

4.1.1.2 杆件下料尺寸不准，特别是压杆超长，拉杆超短。

4.1.1.3 球体或螺栓的机加工有缺陷，球孔角度偏差过大。

4.1.2 拼装及吊装原因

4.1.2.1 进行网架拼装，使小拼单元、中拼单元产生偏差，最后导致整个网架的累积误差很大。

4.1.2.2 杆件或单元或整个网架拼装后有较大的偏差而不修正，强行就位，造成杆件弯曲或产生很大的次应力。

4.1.2.3 对网架施工阶段的吊点反力、杆件内力、挠度等不进行验算，也不采取必要的加固措施。

4.1.2.4 施工方案选择错误，不采取正确的临时加固措施，使局部网架成为几何可变体系。

4.1.2.5 网架整体吊装时，各吊点起升或下降时不同步，使部分杆件弯曲。

4.1.2.6 支座预埋钢板、锚栓位置偏差较大，造成网架就位困难，强迫就位或预埋板与支座底板焊死，改变了支承的约束条件。

4.1.3 使用及其他原因

4.1.3.1 看图有误或粗心，导致杆件位置放错。

4.1.3.2 使用环境的变化（包括温度、湿度、腐蚀性介质的变化），以及使用用途的改变。

4.2 应对措施

4.2.1 钢网架安装质量控制措施

4.2.1.1 钢构件组装

对钢构件的焊接接缝间距和构件拼接长度进行检查;按施工方案的要求对钢结构组装程序进行检查;按规范要求对拼装后钢结构的轴线交点、对角线等进行检查;构件长度和构件垂直度应满足设计及规范要求;对钢构件拼装完成后的孔位、截面尺寸进行检查，要求偏差满足设计及规范要求。

4.2.1.2 钢结构焊接

钢材进场前，对钢材的型号、强度等级进行检查，对需要复验的材料进行复验。经检查及复验合格后方可进场使用;检查焊接材料是否满足设计要求，是否与母材相匹配，存放条件是否满足相关要求;焊工需取得操作证，并在规定范围内进行施焊作业;焊接施工前，对焊接工艺进行评定，正式施焊时，根据焊接工艺评定报告的实验结果进行作业。

4.2.1.3 紧固件连接

对进场的高强螺栓、普通螺栓、连接板等进行检查，应满足设计要求，对有复验要求的紧固件，进行复验，复验合格后方可使用;按设计及更规范要求对自攻钉、射钉、连接板等断面尺寸、螺栓开孔大小、螺栓孔间距等进行检验;对高强螺栓进行连接施工时，应满足设计及规范要求，使用电动扳手进行施工时，应进行标志和校验，确保偏差在控制范围内;高强螺栓紧固后，外螺丝扣数量、边接板接缝应满足设计及规范要求。

4.2.2 吊装应对措施

4.2.2.1 采用吊装的安装方法，其吊点的位置和数量的选择，应考虑下列因素：a.宜与网架结构使用时的受力状况相接近;b.吊点的最大反力不应大于起重设备的负荷能力;c.各起重设备的负荷宜接近。

4.2.2.2 安装方法选定后，应分别对网架施工阶段的吊点反力、挠度、杆件内力、提升或顶升时支承柱的稳定性和风载下网架的水平推力等项进行验算，必要时应采取加固措施。

4.2.2.3 无论采用何种施工方法 ，在正式施工前均应进行试拼装及试安装，当确有把握时方可进行正式施工。

4.2.3 安装精度控制措施

测量仪器应选择精度高的，编制相应的测量施工方案，确保钢结构精准就位;吊装前对建筑物的轴线标高进行复核;吊装前对预埋件及钢构件的位置、外形尺寸等进行检查;钢构件进场前应检查钢构件相关质量证明文件及合格证，外观有无明显的质量缺陷;钢构件的几何尺寸偏差应符合相关的钢结构质量验收规范的规定;对主要的受压及受弯构件的垂直度和弯曲矢量情况进行检查;对钢构件的整体变形和挠度进行检查和控制。

4.3 钢网架的检测

4.3.1 对钢管杆件的要求：钢管杆件成品长度，允许偏差±1mm;杆件轴线不平直度L/1000，且不大于5mm。

4.3.2 钢网架的总拼与安装要求

4.3.2.1 小拼单元允许偏差

4.3.2.2 中拼单元的允许偏差

4.3.2.3 钢网架结构安装的允许偏差

4.3.2.4 网架挠度

钢网架结构总拼完成后的屋面工程完成后应分别测量其挠度值，所测值要小于相应的设计值的1.15倍。

检查数量：跨度在24m及以下钢网架结构，测量下弦中央一点;跨度在24m以上钢网架结构测量下弦中央一点及各向下弦跨度的四等分点。

5 结语

钢网架结构安装工程，必须从设计计算，加工制作，施工安装各个环节严格把关，才能预防或减少质量事故的发生。

参考文献：

[1]GB50205-2002，钢结构工程施工质量验收规范[S]，2002.

[2]高强，浅谈建筑钢结构施工质量控制要点[J]，智能城市，2018

[3]朱宏滨，建筑工程钢结构施工技术要点分析[J]，建材与装饰，2018

[4]GB50017-2017，钢结构设计标准规范[S]，中国建筑工业出版社，2017.