建筑工程大跨度钢结构施工技术分析

陈子龙

(山西五建集团有限公司，山西 太原 030000)

1 大跨度钢结构概述

大跨度钢结构是指建筑结构横向跨度尺寸超过60m以上的结构形式，常见的结构类型包括悬索钢结构、网架钢结构以及壳体钢结构等[1]。大跨度钢结构常见于大型工业建筑或公共建筑中。例如，大型体育场馆、车站候车室等等。钢结构本质上属于柔性建筑构件，具有较高的抗震等级，便于施工，工期相对较短。其对于构件的安装尺寸有着严格要求，施工期间具有较强可控性。近年来，建筑领域对于大跨度钢结构的应用越发频繁，越来越多的大型建筑在设计时选取其为主要结构形式，其应用既能够满足建筑美学要求，也符合建筑工程安全建设标准。

2 建筑工程大跨度钢结构施工主要特点

2.1 结构形式与功能的多样化

现阶段，建筑行业发展迅速，各类新建筑理论被引入推广，大跨度钢结构的施工形式也在持续革新变化。例如，标志性的著名建筑鸟巢，其钢结构设计以生物仿生学为基础，水立方建筑以泡沫理论为基础。在大跨度钢结构施工中，将其施工设计与当代新技术良好融合，不但丰富了其结构外观造型，更使得其钢结构组合形式更加合理。过去的钢结构建筑受到施工技术水平、工程设计理念等各种因素的影响，其结构形式过于单一刻板，且建筑的使用功能也比较局限，例如，钢结构的民用建筑一般主要用于居住，在工业生产中，钢结构厂房建筑往往更为常见。随着多年的发展变革，大跨度钢结构建筑的功能逐渐多样化，可满足更多使用需求。例如著名的鸟巢，不但能够用作各类体育赛事的活动场地，赛事结束后还可用于参观旅游，举办演唱会等[2]。

2.2 钢结构跨度较大，钢材用料要求高

现阶段，建筑领域的相关建设理论在不断更新变化，为满足实际的建设需求，钢结构建筑的空间跨度呈现出不断扩张的趋势。在这种情况下，虽然使得建筑内部空间更加充裕，满足更多空间使用需求，但也同时增加了建筑结构的实际荷载压力。为此，建筑钢结构框架的维稳控制，以及建筑钢结构荷载水平的提升则成为了此类建筑建设中所控制的重点。国家相关部门还对此制定了针对性的建筑结构安全审查规范，规范中要求，大跨度钢结构建筑所用钢材质量必须过关，需应用高质量高强度的钢材，且须通过专业钢结构质检后才能投入使用。

2.3 预应力技术的运用

现阶段，预应力技术在大跨度钢结构建筑施工中被大力推广，其对于建筑钢结构强度及稳定性的提升大有助益，该技术的应用间接提升了大跨度钢结构建筑的安全级别。作为新型技术之一，还使得建筑实际应用年限得以延长。在国家体育馆，以及奥运羽毛球馆等钢结构建筑中，都有采用预应力体系。

2.4 技术含量高，设计难度大

现阶段的大跨度钢结构建筑具有形式多样化及结构类型丰富的特点，但是此类建筑的建设完成需依托现代高新科技，实际施工中如果缺乏高水平技术人才的辅助，也难以圆满完成施工任务。大跨度钢结构建筑的建设工作只依赖建筑设计理念并不能付诸于实践，期间还需要经验丰富的技术人员对重要参数实施精密计算和科学规划，才可顺利安全的开展作业。也正是因为大跨度钢结构对于工程建设技术人员、施工物料以及工艺技术等的高标准要求，工程建设工作实施前，必须做好各准备工作，才可保证项目建设成果[3]。

2.5 钢构件生产难度高

大跨度钢结构建筑的建设体量通常比较大，其施工中所用的钢构件类型也与常规建筑钢构件存在差异，为此建设前需依照工程设计要求进行专门定制。此类建筑的钢构件预制有着较高的精度要求，预制误差必须严格控制。各钢构件焊接处理时都需设置一级焊缝，为保钢构件焊缝质量可达标，焊接前技术人员要先拼装钢构件，然后实施焊接。因钢构件数量较多，所以工作量非常大，存在一定的施工难度。部分大跨度钢结构建筑结构组成奇特新颖，钢构件类型也较为特殊，这也会导致其构件预制难度上升，部分还需引入应用新的工艺技术才可预制完成。

3 建筑工程大跨度钢结构施工技术

3.1 高空原位散装及单元安装施工技术

高空原位散装施工技术是指，依照工程设计标记的位置，对钢结构各部位杆件和连接节点实施安装。应用此种技术进行钢结构施工时，不需要使用大型起重装置来辅助作业，适用性很强，可用于各种类型的大跨度钢结构施工作业中。但是此种施工技术应用过程中，如果现场施工规模较大，将涉及大量的高空作业，所用钢材数量较多，需占用大面积的施工场地，还要应用较多支撑材料，建设工期也比较长。因此，在一些工期要求相对宽松，且规模中等的大跨度钢结构施工中，更适合应用该技术。其技术应用关键点就是对于各钢结构安装节点坐标参数的控制。

高空原位单元安装技术，是在高空原位散装施工技术的基础上升级改造发展而来，其技术原理相近，主要的区别在于，该技术进行钢结构拼接安装和焊接作业的时候，都是在地面完成操作，亦或是在构件加工厂中完成。实际施工中，技术人员在地面部位进行钢结构构件的拼装连接，将其划分拼装成为条状单元模块，或者块状的单元模块之后，再组装拼接成为整体钢结构。该技术应用期间高空作业的工作量明显减少，安装期间无需过多支撑支架结构，施工成本更低，工期也相对缩短，且无论是安全等级还是安装质量上都明显进步。该技术应用关键点主要在于钢结构构件单元的合理划分，施工中对于不同结构类型的钢结构构件有着不同的单元划分方式。

3.2 滑移安装施工技术

滑移安装施工技术分成两种施工形式，一种为结构滑移式施工，一种为支承滑移式施工。

首先，在应用结构滑移式施工技术进行施工时，先将钢结构在预装施工现场进行局部拼装，或者整体拼装，待其拼装成型之后，使用滑移系统进行构件运输，将已经拼装完成的构件滑移传送到指定安装点位进行施工，拼装连接成为整体钢结构。此种施工技术应用期间不会与其他专业的施工产生冲突，可开展同步平行作业模式。其施工过程中只需在固定场地实施构件拼装作业即可，无需搭设复杂支撑结构和操作平台，可节省施工成本。施工期间不需要使用大型的起重装置，所用设备工具简单，无需花费过多精力进行场地处理，材料设备及施工现场便于管理。尤其适用于场地面积不大，大型设备无法入场的建筑工程。施工期间有几个关键控制点需注意。1)钢构件滑移期间容易造成机械磨损，严重甚至会导致滑移单元被损坏，为此滑移期间要采取措施尽量降低滑移摩擦阻力；2)如果钢构件滑移施工中采用了多个牵引点，则容易导致滑移单元扭转。为此，操作时各牵引点需保持同步，技术人员还应实施临时加固，以免不慎扭转[4]。

其次，支承滑移施工需要在钢结构各安装节点部位进行支承支架的搭设，为后续构件安装提供可操作的平台支撑结构，钢构件安装完成后，支撑架将与其自动分离，继续滑移完成后续的钢构件安装施工直至安装结束。此种技术又可细分成逐榀滑移技术和累计滑移技术。逐榀滑移技术是指，将由一榀或者多榀组成的钢构件滑移单元，滑移到指定安装地点，各单元滑移操作完成后，彼此连接安装形成整体钢结构。累计滑移技术是指，将滑移单元滑动既定距离之后，与其所处地点的下一单元进行组装连接，随后二者共同滑移，到达下一地点后与第三个单元组装拼接在一起，以此类推，直至最后所有单元的钢构件都拼装连接成一个整体。支承滑移施工时，需要占用钢结构的跨内施工场地，因此更适用于现场周边不能够进行钢结构拼装处理的建筑工程。操作期间务必保证支承结构的稳固安全，对其滑移支架滑移运行以及停止时的水平惯力也要科学控制，必要时，为优化其支撑结构的抗侧强度，需要增加适量斜撑结构。

3.3 整体提升、整体吊装与整体顶升施工技术

整体提升施工技术是指，在地面拼装钢结构后，再将起重装置设置在钢结构安装节点上方，将拼装完成的钢结构整体提升至安装点位。应用此种技术进行施工时，涉及的高空作业比较少，借助起重机设备实施操作安全级别更高。此种施工方式并非是对钢结构在安装原位实施焊接拼装，而是整体提升式作业，施工效率较高。大跨度钢结构建筑采用整体提升技术施工的时候，对其钢结构构件强度及其稳定性的计算分析非常关键，对于较为薄弱的部位，需采取针对性加固策略，防止整体提升施工期间钢结构出现变形等问题。施工期间现场技术人员还要密切关注其钢结构位移变化和其构件所受应力的变化情况，及时反馈问题，及时处理问题。

整体吊装施工技术是将钢结构构件在地面施工区域拼装成一个整体之后，使用起重机设备，将其吊装到安装点位，然后进行加固。该技术原理类似于整体提升技术，但是区别在于，其通常用来吊装中等宽度的桁架钢结构施工，而对于大屋顶类的大跨度钢结构工程，则更适合应用整体提升技术。该技术应用时，对于起重设备要求较高，必须使用重载型起重机，施工期间容易与土建作业产生冲突，不可同步作业。起重机停机点区域的地面强度必须达标。

整体顶升施工技术是在大跨度钢结构各关键支点下方装设千斤顶装置，将柱结构作为滑道，逐步完成钢结构的顶升处理，直到其到达预设位置。与整体提升技术相比，在于借助的工具存在区别，设备作用位置也有所不同，二者对于钢结构的作用原理是相反的。

3.4 折叠式展开式整体提升技术

该技术是一种全新改良型的技术类型，适用于大跨度网壳型钢结构与建筑工程的施工技术。应用该技术施工时，先将部分环向杆从网壳钢结构当中抽出，然后将其整体结构划分成多个区域，将网壳钢结构原本的静定状态转变，变成一个可运动可折叠的结构形式。在靠近地面的位置完成钢结构安装施工之后，运用液压提升装置，或者气压提升的方式，将钢结构提升到原定安装点位，安装后补充之前抽离的杆件，完成最终施工，令钢结构重新恢复到原有的稳固状态。简单来说，就是将钢结构由静态变为动态再变为最终稳固安全的承力结构。该结构与传统钢结构施工作业模式相比优势较为突出，应用此种新型技术对钢结构提升的过程中，只要能够采取措施有效克服其钢结构自重的影响，就可令钢结构的可动范围增加，便于更加灵活的实施调整，与此同时也不会大幅度改变钢结构内部的实际受力情况。设计人员只要科学设计结构的承重支点，就能够实现工程大跨度钢结构的长距离超高度提升安装作业。此种作业方式在矢跨相对较大的网壳钢结构施工中较为适用，无需高空作业，可保障参建人员人身安全，也不用搭设脚手架，经济效益及社会效益显著。该技术应用期间，其钢结构提升瞬间各吊点部位水平位移的变化，吊索以及杆件所受内力变化情况都是控制的要点[5]。

3.5 整体曲线滑移施工技术

该技术是以传统滑移钢结构施工技术基础而延伸创新后产生的新型技术，具体来说，其是针对钢结构胎架及桁架的整体曲线滑移施工技术。实际施工中，将钢结构桁架在地面施工区域完成整榀拼接安装之后，再将其构件分段运输到曲线滑移的位置，在高空中进行拼接组装，随后将拼装好的构件滑移到既定点位。该技术施工中涉及的主要环节是地面部分的构件分段拼接安装，高空中的分组拼装，以及后续的胎架与桁架结构的整体曲线滑移作业。该技术既融合了传统钢结构滑移作业的优势，还可在塔吊装置附近集中完成拼接安装作业，其构件滑移所用轨道以及塔架，都能够重复使用。但是应用该技术进行施工的时候，由于是曲线滑移，所以构件的滑移必须要借助专用的曲线牵拉装置才能完成。施工中对于滑移所用塔架装置的结构刚度也有较高的要求，其塔架搭设成本较高。施工期间需要控制的关键点在于，不同滑移轨道上面，其钢结构构件的曲线滑移要保持同步。这是由于钢构件滑移期间，胎架和桁架等构件的滑移，为曲线运动轨迹，二者需要以同角速度运行滑移，这就要求各牵引点要以不同的线速度滑移运行，最终满足同一角速度的同步滑移要求。为此施工期间，技术人员需要随时对滑轨上的滚轮装置实施调整，以确保各构件处于同一角速度滑移。

4 结语

综上所述，大跨度钢结构现阶段在建筑工程中较为常见，随着建筑工程建设水平的提升，越来越多的大跨度钢结构建筑项目也得以建成。大跨度钢结构施工相对普通钢结构施工存在更大的技术难度，施工技术类型多样化，流程也更加繁琐，面对当下各类大型建筑项目的建设需求，单一的施工技术无法满足建设标准，而是应引进各类新型大跨度钢结构施工技术，结合实际情况组合搭配应用，使得工程施工得以安全、高效及高质量建设，以确保大跨度钢结构最终的施工效果。