大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工控制的淺述

蔣柏康 / 徐州飛虹網(wǎng)架建設(shè)科技有限公司

大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工控制的淺述

蔣柏康 / 徐州飛虹網(wǎng)架建設(shè)科技有限公司

文章結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，先對(duì)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀作了分析，并對(duì)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中要考慮的問(wèn)題作了分析，然后對(duì)于大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及展望進(jìn)行了論述。

大跨度；鋼結(jié)構(gòu)；施工

一、大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著人們需求的不斷增加，各類大型建筑的功能也逐漸豐富，以北京鳥(niǎo)巢為例，不僅要建設(shè)各種類型的比賽場(chǎng)地，還要設(shè)置相應(yīng)的觀眾席、運(yùn)動(dòng)員休息室以及大空間的后勤基地。因此，建筑物的規(guī)模不斷擴(kuò)大，功能日益豐富。從國(guó)內(nèi)大型建筑的發(fā)展現(xiàn)狀看，跨度達(dá) 120mm 以上的超大規(guī)模建筑不在少數(shù)，并且大都采用了新材料和新設(shè)計(jì)技術(shù)，出現(xiàn)了諸如空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、張力結(jié)構(gòu)等富有特色的現(xiàn)代化大跨度建筑。從行業(yè)發(fā)展角度看，大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為近代以來(lái)發(fā)展速度最快的建筑形式之一，并且隨著建筑施工技術(shù)的不斷優(yōu)化，在未來(lái)相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)還有著更為廣泛的應(yīng)用，發(fā)展?jié)摿薮?。大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的優(yōu)劣，在很大程度上成為衡量一個(gè)國(guó)家建筑技術(shù)水平高低的重要因素。

對(duì)于國(guó)內(nèi)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工來(lái)說(shuō)，雖然經(jīng)過(guò)多年的研究積累了較為豐富的理論基礎(chǔ)，但是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相對(duì)缺乏：硬件方面，無(wú)論是在前期鋼結(jié)構(gòu)的規(guī)劃設(shè)計(jì)還是中期的施工操作，都存在部分的瑕疵和疏漏；軟件方面，專業(yè)水平強(qiáng)、綜合能力高的高素質(zhì)人才數(shù)量不足，難以彌補(bǔ)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工人才的缺口，理論和知識(shí)創(chuàng)新能力稍弱，對(duì)國(guó)外施工技術(shù)的依賴性較強(qiáng)。目前，國(guó)外空間鋼結(jié)構(gòu)的最大跨度已達(dá) 200m 左右，給國(guó)內(nèi)建筑單位和科研機(jī)構(gòu)帶來(lái)了更大的壓力，因此，我們必須結(jié)合國(guó)內(nèi)建筑基礎(chǔ)，由“中國(guó)制造”向“中國(guó)創(chuàng)造”轉(zhuǎn)變，研發(fā)獨(dú)具中國(guó)特色的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)。

二、施工中應(yīng)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題

（一）設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，建筑工程設(shè)計(jì)通常也采用計(jì)算機(jī)制圖工具，提高設(shè)計(jì)的科學(xué)性和精準(zhǔn)度。如 CAD 技術(shù)和CAM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)施工建設(shè)中起輔助作用，它的運(yùn)用為建筑提供三維空間和立體感，實(shí)現(xiàn)了圖文之間的轉(zhuǎn)換，減少設(shè)計(jì)的誤差，提高工作效率。

（二）厚板及管結(jié)構(gòu)的全位置焊接技術(shù)

在大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工中，保證鋼材間的高質(zhì)量焊接對(duì)于提升整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定程度有關(guān)鍵性影響，直接決定了空間鋼結(jié)構(gòu)的使用年限?，F(xiàn)代大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為了盡可能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的多樣化，往往采用不同類型、不同尺寸的鋼材，這就給焊接帶來(lái)了較高的難度。除此之外，在大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)，需要面臨來(lái)自外界環(huán)境的多重因素影響，例如溫度變化、風(fēng)速、濕度等，都會(huì)給焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。為了解決上述問(wèn)題，必須有針對(duì)性的采用焊接工藝，確保每個(gè)焊頭的施焊均勻和母材的充分融合。

（三）結(jié)構(gòu)形式多樣化

傳統(tǒng)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)功能單一，因此結(jié)構(gòu)形式就會(huì)受到固化。隨著建筑理論的不斷發(fā)展，大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)形式也多樣化發(fā)展。如以生物仿生學(xué)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)奧運(yùn)會(huì)鳥(niǎo)巢建筑、以泡沫理論為基礎(chǔ)水立方等。將大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念與現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合起來(lái)，不僅使結(jié)構(gòu)外觀豐富多樣，給人以眼前一亮，也滿足了現(xiàn)代人的審美情趣，而且結(jié)構(gòu)形式更加科學(xué)、合理。

（四）空間鋼結(jié)構(gòu)的跨度大，鋼材等級(jí)要求高

在科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不斷推動(dòng)下，建筑行業(yè)建筑理論不斷更新，為了滿足人們對(duì)于建筑的需求，建筑空間鋼結(jié)構(gòu)跨度向更大范圍擴(kuò)展開(kāi)來(lái)。雖然建筑空間橫向擴(kuò)展會(huì)使建筑內(nèi)部功能豐富，但由此帶來(lái)建筑壓力也會(huì)不斷增加，在這樣的情況下，保證建筑空間框架安全、提高鋼結(jié)構(gòu)荷載能力成了保證建筑質(zhì)量的關(guān)鍵所在。因此，相關(guān)審查委員會(huì)制定嚴(yán)格建筑安全審查標(biāo)準(zhǔn)，要求大跨度建筑要選擇高強(qiáng)度、高質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)鋼材，并且定期要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)問(wèn)題及時(shí)解決，起到防患于未然的作用。

三、大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

（一）張拉整體結(jié)構(gòu)

張拉整體結(jié)構(gòu)大致為三棱柱或四棱柱構(gòu)成的基本單元，如果把所有基本單元的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)接，則能夠構(gòu)成雙層張拉整體結(jié)構(gòu)，這一自應(yīng)力網(wǎng)格體系大多是通過(guò)被連接的棱柱體單元具備的單獨(dú)受壓剛性桿以及持續(xù)張拉的柔性索而構(gòu)成，其中敷設(shè)的膜材可選用遮光擋雨的類別，總體剛度以單元間的自平衡預(yù)應(yīng)力為根本。

（二）弦支彎頂結(jié)構(gòu)

把以上張拉整體結(jié)構(gòu)上層柔性索變成具備剛性的單層球面網(wǎng)殼，在彈性的支撐方面能夠提升單層網(wǎng)殼的穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)剛度，因?yàn)樯蠈訉儆趧傂?，能夠把膜材取消運(yùn)用常規(guī)的夾芯板進(jìn)行取代，在提升建筑物室內(nèi)保溫性能以及隔熱性能的狀態(tài)下，可以大面積節(jié)約工程造價(jià)的成本。

（三）預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

在工作中，透過(guò)技術(shù)人員把當(dāng)前預(yù)應(yīng)力技術(shù)與空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)相融合，則能夠打造出預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。通常狀態(tài)下，在空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力的方式有以下兩類:首先，在空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)四周設(shè)定相關(guān)的預(yù)應(yīng)力索或在下弦平面中設(shè)定預(yù)應(yīng)力索，如此則可以結(jié)合為預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu);其次，在空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)創(chuàng)建當(dāng)中施加預(yù)應(yīng)力，透過(guò)適宜的協(xié)調(diào)而變?yōu)轭A(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

（四）預(yù)應(yīng)力張弦梁與弦析架結(jié)構(gòu)

張弦梁結(jié)構(gòu)屬于上弦抗彎受壓構(gòu)件與下弦受拉鋼索而構(gòu)成，在工程內(nèi)體現(xiàn)出受壓撐桿相互銜接的自平衡結(jié)構(gòu)體。弦析架結(jié)構(gòu)屬于受壓撐桿持續(xù)上端抗彎受壓拱式析架與下端構(gòu)成，在工程內(nèi)體現(xiàn)為受拉鋼索而構(gòu)成的自平衡結(jié)構(gòu)體。這兩類結(jié)構(gòu)的用鋼量有所增加，施工難度有所提升。

（五）對(duì)角線布索體外預(yù)應(yīng)力平板型網(wǎng)架

對(duì)角線布索體外預(yù)應(yīng)力平板型網(wǎng)架最初使用在前蘇聯(lián)，通過(guò)前蘇聯(lián)的建筑舉例，在1977年的福爾日思科的某一商業(yè)中心，建筑面積在72mx17m。我國(guó)某空間結(jié)構(gòu)廠在1993年運(yùn)用同等原理以及布索形式創(chuàng)建對(duì)角線布索體外預(yù)應(yīng)力平板型網(wǎng)架，以此展現(xiàn)出對(duì)角線布索體外預(yù)應(yīng)力平板型網(wǎng)架的優(yōu)勢(shì)，而不足之處則為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系并不完善，構(gòu)造十分艱難。

四、預(yù)應(yīng)力大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的展望

(l)最大的跨度可以為400一500m，跨度在200一300m之間尤為普遍;(2)當(dāng)前應(yīng)當(dāng)持續(xù)完善并提升應(yīng)用斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力乃至弓式預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)以及張弦梁結(jié)構(gòu);(3)應(yīng)當(dāng)結(jié)合承建單位的力量，一同研發(fā)并推廣索彎頂結(jié)構(gòu)，在短時(shí)間內(nèi)尤其應(yīng)當(dāng)爭(zhēng)取創(chuàng)建我國(guó)首幢索彎頂;(4)探索預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)全新的材質(zhì)、工藝、結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)，極力進(jìn)行創(chuàng)新;(5)處理并未解決的預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)控制等方面的問(wèn)題;(6)由于普遍運(yùn)用在公共性窗口建筑的預(yù)應(yīng)力大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)，能體現(xiàn)出一個(gè)地區(qū)乃至國(guó)家的建筑水平。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，工程師與建筑師對(duì)于工程項(xiàng)目的創(chuàng)建當(dāng)中，需要有效結(jié)合，將各類先進(jìn)技術(shù)運(yùn)用其中，如此才可打造出全新的預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)，以便符合當(dāng)前社會(huì)的發(fā)展所需，加快建筑行業(yè)的健康化發(fā)展，使社會(huì)經(jīng)濟(jì)能夠可持續(xù)運(yùn)行。

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