大跨空間鋼結(jié)構(gòu)整體提升施工技術(shù)

李衛(wèi)永，趙 鵬

（中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100176）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們的生活質(zhì)量和生活水平得到顯著提升，同時(shí)人們對(duì)建筑要求也越來越高。大跨空間鋼結(jié)構(gòu)具有造型美觀、形式多樣等特點(diǎn)，深受廣大設(shè)計(jì)師青睞，并被廣泛應(yīng)用于會(huì)展中心、體育館、機(jī)場(chǎng)建筑及大型公共建筑。

1 大跨空間鋼結(jié)構(gòu)建筑分類

大跨空間鋼結(jié)構(gòu)形式多樣，其中最具代表性的是奧運(yùn)建筑，幾乎所有的奧運(yùn)建筑均采用大跨空間鋼結(jié)構(gòu)建造，同時(shí)奧運(yùn)建筑也為大跨空間鋼結(jié)構(gòu)提供了實(shí)踐機(jī)會(huì)和展示舞臺(tái)，使大跨空間鋼結(jié)構(gòu)得到更好的發(fā)展。例如，1960年，羅馬奧運(yùn)會(huì)的大小體育館均采用大跨空間鋼結(jié)構(gòu)中的裝配現(xiàn)澆式鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)；1964年，東京奧運(yùn)會(huì)場(chǎng)地東京代代木國立體育中心采用大跨空間鋼結(jié)構(gòu)中的張拉結(jié)構(gòu)；1980年，莫斯科奧運(yùn)會(huì)場(chǎng)地莫斯科中央紅軍之家綜合體育館采用大跨度空間桁架網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；1992年，巴塞羅那奧運(yùn)會(huì)場(chǎng)地巴塞羅那圣喬地體育館則采用的是大跨度空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。大跨度結(jié)構(gòu)建筑指的是橫向跨度超過30m的空間建筑，大跨空間鋼結(jié)構(gòu)具體可分為以下4類：①實(shí)體結(jié)構(gòu) 包括折板結(jié)構(gòu)和薄殼結(jié)構(gòu)；②網(wǎng)格結(jié)構(gòu) 包括網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；③張拉結(jié)構(gòu) 包括膜結(jié)構(gòu)和懸架結(jié)構(gòu)；④其他新型大跨空間結(jié)構(gòu) 包括開合屋蓋結(jié)構(gòu)、張弦結(jié)構(gòu)、折疊式結(jié)構(gòu)及整體張拉預(yù)應(yīng)力拱架結(jié)構(gòu)。

1.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是指用多根桿件按照網(wǎng)格形式進(jìn)行連接所形成的空間結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、剛度大、抗震性良好及空間受力等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于俱樂部、會(huì)議廳、候車廳、展覽館和體育館等屋蓋結(jié)構(gòu)[1]。而且網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有外形美觀、工業(yè)化程度高和穩(wěn)定性良好等特點(diǎn)。但也具有桿件數(shù)量較多、安裝較復(fù)雜的缺點(diǎn)。

1.2 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)指的是一種與平板網(wǎng)架較相似的空間桿系結(jié)構(gòu)，主要以桿件為基礎(chǔ)，并按照相關(guān)規(guī)律組成網(wǎng)格，根據(jù)殼體結(jié)構(gòu)所布置而成的空間構(gòu)架，網(wǎng)格具有殼體和桿系的雙重性質(zhì)。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)最主要的特點(diǎn)是能通過殼內(nèi)2個(gè)方向的壓力和拉力逐點(diǎn)傳力[2]。我國北京奧林匹克體育中心綜合體育館于1989年建成，體育館平面尺寸為83m×70m，所采用的是人字形截面雙層圓柱面斜拉網(wǎng)殼，這也是當(dāng)前我國跨度最大的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，1989年，我國還建立了濮陽中原化肥尿素散裝庫，截平面尺寸為153m×85m，所采用的是雙層正放四角錐圓柱面網(wǎng)殼，是當(dāng)前我國覆蓋面積最大的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)建筑。我國鄭州體育館于1967年建成，平面直徑64m，高9.14m，采用內(nèi)環(huán)形穹頂網(wǎng)殼，是我國跨度最大的單層球面網(wǎng)殼。

1.3 懸索結(jié)構(gòu)

我國懸索結(jié)構(gòu)的典型建筑為北京工人體育館，懸索結(jié)構(gòu)是由柔性拉索和一些邊緣構(gòu)件所組成的承重結(jié)構(gòu)[3]，可運(yùn)用鋼絲繩、鏈、圓鋼、鋼絲束及其他受拉性能良好的材料作為懸索材料。懸索結(jié)構(gòu)能將高強(qiáng)材料的抗拉性能充分發(fā)揮出來，而且具有省材料、施工簡(jiǎn)潔和跨度大等特點(diǎn)。懸索結(jié)構(gòu)的應(yīng)用起源于古代的竹和藤等材料所制作的吊橋。近年來，懸索結(jié)構(gòu)除應(yīng)用于大跨度橋梁工程以外，還會(huì)在展覽館、飛機(jī)場(chǎng)、倉庫和體育館等領(lǐng)域應(yīng)用。

2 大跨空間鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1）大跨空間鋼結(jié)構(gòu)形式多樣，而且施工技術(shù)極其復(fù)雜，例如，廣州國際會(huì)展中心跨度126.6m，國家游泳中心跨度為177m，國家體育場(chǎng)跨度為296m，而南京奧體中心體育場(chǎng)跨度為360m。

2）大跨空間鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式存在一定差異，不再采用單一的結(jié)構(gòu)形式，而是不斷涌現(xiàn)出各種組合和新的結(jié)構(gòu)形式。例如，鳥巢采用極其復(fù)雜的扭曲空間桁架結(jié)構(gòu)，廣州國際會(huì)展中心采用張弦桁架結(jié)構(gòu)。

3）在大跨空間鋼結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力雖然是一種新技術(shù)，但得到廣泛應(yīng)用，這一技術(shù)的應(yīng)用逐漸形成諸多新型結(jié)構(gòu)形式，如索膜結(jié)構(gòu)、張拉整體結(jié)構(gòu)及索穹頂?shù)?。我國國家體育館所采用的就是雙向張弦梁結(jié)構(gòu)，而奧運(yùn)會(huì)羽毛球館所采用的是弦支穹頂結(jié)構(gòu)[4]。將預(yù)應(yīng)力應(yīng)用于大跨空間鋼結(jié)構(gòu)當(dāng)中，不僅能使整體結(jié)構(gòu)更加科學(xué)合理，而且能有效降低成本。應(yīng)用預(yù)應(yīng)力對(duì)大跨空間鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，能降低內(nèi)力峰值，提高結(jié)構(gòu)剛度，同時(shí)能有效提高建筑質(zhì)量和建筑效果。

4）在大跨空間鋼結(jié)構(gòu)中，由于施工難度較大，而且對(duì)精度要求較高，所以這類工程大部分屬于國家重點(diǎn)工程，對(duì)于工程質(zhì)量和效率要求極高。所以需有效提高加工精度，以更好地滿足質(zhì)量要求。很多焊縫需保證一級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)，這給建筑工程施工帶來較大困難，施工量較大，而且技術(shù)難度極高，所以為提高工程質(zhì)量，需對(duì)工程進(jìn)行預(yù)拼裝。

3 大跨空間鋼結(jié)構(gòu)整體施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 高空滑移法

高空滑移法是指網(wǎng)架單元在預(yù)先設(shè)置好的滑軌上進(jìn)行移動(dòng)至設(shè)計(jì)好的位置，最終拼接成一個(gè)整體。此網(wǎng)架單元可事先在地面拼接，然后再用起重機(jī)吊到支架上[5]。如果沒有充足的設(shè)備或受其他因素限制，也可先拼接一些小的散件，然后在空中將其拼成條狀單元。高空支架一般會(huì)設(shè)置在建筑物的一端，在滑移過程中，網(wǎng)架的吊裝單元由一端滑向另一端。高空滑移法可分為單條滑移法和逐條累積滑移法2種。

3.2 高空散裝法

高空散裝法是指將全部節(jié)點(diǎn)和桿件在空中拼裝成一個(gè)整體。高空散裝法分為懸挑法和全支架法，懸挑法多用于高空總拼，全支架法一般應(yīng)用于散件拼接。這種施工模式較簡(jiǎn)單，雖然工作效率較低，但安全性極高。高空散裝法適用于非焊接的各種網(wǎng)架屋蓋，不需要應(yīng)用較大的起重設(shè)備，同時(shí)能確保工程質(zhì)量。

3.3 分條分塊安裝法

分條分塊安裝法是指將網(wǎng)架呈現(xiàn)塊狀單元或條狀單元，再分別由起重機(jī)將其擱置于高空中所設(shè)計(jì)的位置，然后進(jìn)行拼接[6]。這一方法中的拼裝和焊接工作大部分在地面進(jìn)行，能有效提高工程效率和質(zhì)量，還可節(jié)省較多的拼裝支架。而且由于分條單元或分塊單元的重量和起重機(jī)設(shè)備相適應(yīng)，所以可運(yùn)用起重機(jī)設(shè)備吊裝網(wǎng)架，能有效節(jié)省成本。這種方法適用于中小型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，但仍有一定的高空作業(yè)量。

3.4 整體提升法

整體提升法是指在結(jié)構(gòu)柱上對(duì)提升設(shè)備和提升網(wǎng)架進(jìn)行安裝。整體提升法可分為滑模提升法和單獨(dú)提升法等，整體提升法屬于一種新型的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)方法，而且更適用于小型設(shè)備安裝。

3.5 整體頂升法

整體頂升法是指在結(jié)構(gòu)點(diǎn)下安裝千斤頂，安裝結(jié)束后逐漸將結(jié)構(gòu)頂升到相應(yīng)的位置上。整體頂升法和整體提升法存在一定的相似之處，二者最大的區(qū)別在于提升設(shè)備和位置不同，整體頂升法的支點(diǎn)在下面，而整體提升法的支點(diǎn)在上面，二者之間的作用原理相反。采用整體提升法時(shí)，只需將提升設(shè)備垂直安裝就能有效將網(wǎng)架上升。在應(yīng)用整體頂升法時(shí)，如果沒有導(dǎo)向措施，則有可能發(fā)生偏轉(zhuǎn)情況。二者的共同特點(diǎn)是在安裝過程中無法移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.6 整體吊裝法

整體吊裝法是指在地面上將網(wǎng)架拼成整體，再用相應(yīng)的起重設(shè)備將鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件提升到設(shè)計(jì)位置。在采用整體吊裝法安裝空間鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，可在場(chǎng)外進(jìn)行總拼或在柱錯(cuò)位處進(jìn)行總拼，這種方法更適用于焊接連接網(wǎng)架，這樣能使焊接質(zhì)量得到有效提升，還能確保焊接位置的準(zhǔn)確性。這方法最大的缺點(diǎn)就是需要較大的起重設(shè)施，而且對(duì)停機(jī)點(diǎn)有一定要求，這會(huì)使整個(gè)工程受到一定影響，更適用于小跨度或中跨度的空間結(jié)構(gòu)。

3.7 移動(dòng)支架安裝法

移動(dòng)支架安裝法是指在可移動(dòng)的支架上進(jìn)行安裝，對(duì)已安裝好的結(jié)構(gòu)部分可設(shè)置固定的臨時(shí)支撐以控制變位，在結(jié)構(gòu)安裝結(jié)束后再將臨時(shí)支撐撤去。雖然移動(dòng)支架安裝的穩(wěn)定性要低于固定支架，但移動(dòng)支架使用較少的支撐腳手架，能在很大程度上節(jié)約勞動(dòng)力，同時(shí)能加快施工進(jìn)度，而且不需要大型起重機(jī)，施工方法較為簡(jiǎn)單，可有效降低施工成本。

4 結(jié)語

近些年，我國建筑的規(guī)模和跨度逐漸增加，并采取了諸多新技術(shù)和新材料，也研發(fā)出更多的空間結(jié)構(gòu)形式。相信隨著對(duì)施工技術(shù)的進(jìn)一步研究和實(shí)踐，我國相關(guān)科研人員能夠研發(fā)出更適合我國大跨空間鋼結(jié)構(gòu)所需要的新技術(shù)、新體系和新材料，從而有效促進(jìn)我國建筑業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。