现代大跨度空间钢结构施工技术分析

辛利强

摘要：随着经济和科技的不断发展，建筑设计理念也被不断更新，建筑行业获得了新的发展，众多的新型建筑开始出现，如会展中心、影剧院、机场、体育馆等。这些大型公共建筑在设计建造过程中均使用了大跨度空间钢结构或是复杂的空间钢结构对屋顶结构体系进行设计，大跨度空间钢结构施工技术在建筑中的应用被受到广泛重视。本文对大跨度空间钢结构施工類型、大跨度空间钢结构重点施工问题、大跨度钢结构在实际施工中的具体运用等问题作了详细的分析和系统的阐述。

关键词：大跨度空间钢结构；施工技术；研究分析

建筑对其功能以及美学的要求，促使着施工技术的不断革新，这些施工技术的革新不仅包括原有施工技术的革新，还包括无支托分段拼装、整体提升、滑移等新型施工技术。施工过程测试、计算机结构动态控制等新型辅助技术在实际工程实践中的具体应用，推动建筑行业的不断发展，使其能够摆脱传统，逐步向高科技、机械化、智能化领域迈进。

一、大跨度空间钢结构施工类型

（一）网壳结构

网壳结构实质上与空间杆结构相似，平板网架型空间杆结构的原理根据规律将杆件组合成网格，结合壳体结构将其布置成具有一定空间结构的架构，因而其不仅具有杆系性质，还具有壳体性质。一般情况下，网壳结构是通过网壳内部两个方向的剪力、压力或者是拉力来进行传力。具体实例有1988年修建的北京体院体育馆，其主要是采用双层扭网壳（四块组合型且带斜撑），其主要参数为挑檐3.5m、矢高3.5m、平面尺寸为59.2m2，是我国跨度最大的双层扭网壳[1]。

（二）悬索结构

悬索结构主要是柔性受拉索及边缘构件等所构成的一种承重结构。柔性受拉索的材料主要为圆钢、链条、钢铰线、钢丝绳、钢丝束等具有较好受拉性能的材料。悬索结构是主要利用具有较高强度和抗拉性能的材料，其结构优势是施工简单、节省材料、自重较小、跨度较大。该结构形式除在我国大型大跨度桥梁中的应用较为广泛外，还被广泛应用于仓库、展览馆、飞机库、体育馆等大跨度屋盖结构当中。

（三）网架结构

网架结构的主要原理是按照一定网格形式将多根杆件利用节点连结的形式组成一种空间结构。该种结构形式具有外形美观、稳定性好、自重轻、工业化程度高等特点，被广泛应用在大型建筑结构体系当中。

二、大跨度空间钢结构重点施工问题

（一）施工技术及计算机技术的合理运用

传统大跨度空间钢结构的施工施工方法有整体吊装法、高空滑移法、分块安装法以及高空散装法等。随着现代技术的发展，科技含量较高的施工技术如滑架法施工技术、网壳结构折叠展开式整体提升技术以及高空曲线滑移技术等被广泛应用在实际施工当中。再者，随着技术的革新和建设的需要，信息化在建筑物主体模型设计中得到了很好的应用。在钢结构的设计中，计算机不仅可以实现三维实体模型的构建，还可实现图层管理以及数据交换、标注尺寸、钢管节点的处理等，对施工具有重要的协助作用[2]。

（二）施工仿真技术的合理运用

大跨度结构工程中，需对多个方面进行系统仿真模拟，一是施工过程模拟，主要是对设备是否就位以及安全运行等方面；二是结构安装、构件变形程度模拟，确定跨度大小是否符合相关设计要求；三是钢结构节点连结模拟，确保实际施工连结方式与方案设计连结方式一致。

三、大跨度钢结构在实际施工中的具体运用（以北京国家游泳中心——水立方为例）

（一）项目简介

2008年国家奥运工程中具有标志性的两大建筑之一——国家游泳中心（水立方）。该游泳中心高度为30.588m，建筑长宽相同，均为176.538m，墙体厚度分为两种：5.876m、3.472m，屋盖厚度为7.211m，该建筑总建筑面积为31 166m2，整个建筑的外部结构呈现方形。图1 、2、3位水立方项目示意图。

（二）工程特点及难点

首先是工程构建种类及数量较多，且外形要求高，空间位置极为复杂。该建筑结构构件极为复杂，构件之间纵横交错，多呈现出无序状态，因而对杆件实现空间定位比较困难。该工程项目总计基本构件数目达29 979个，共有11 471根焊接圆钢管，9 199根方矩形钢管。其中焊接整球4 281个，焊接球节点9 309个，异型球5 028个，总贯穿1 441个节点。

其次是由于所有节点均进行刚性连接，因而对其焊缝质量的要求较高。在实际施工中，为了确保工程的质量，对该工程所有的焊缝均采用一级焊接。相关设计人员对该建筑的结构构件进行计算之后得出该工程结构构件约为30多万个板件，板件之间均通过一级焊接进行接缝连接。

最后是对材料的等级要求较高，建筑节点构造较为复杂。该工程项目中使用的钢材大部分为Q420C级，该级别钢材在实际应用时对焊接工艺有着较高的要求。为了满足充分满足抗震需要，需加强对应力比超过0.7的节点区、杆端以及拼接焊缝进行处理。

（三）具体安装施工方案

水立方较其他的传统结构形式不同，其结构形式具有较强的关联性和空间性，倘若施工中某个构件安装位置不准确，将会对整个构件安装产生严重的影响。该建筑结构构件的特点对其安装施工方法产生了一定的影响，决定其施工方法有别于传统结构形式。该建筑在安装施工时采用了散装为主，组合为辅的安装施工策略。安装开始前，施工人员应根据起吊设备最大起吊力以及构件间相互关系等进行最优的组合，通过组合方案的设计减少高空焊接量。在实际施工中，应用最多的一种组合形式是相连空心球与矩形钢管之间的组合方式，按照该方式进行组合后，其形状酷似“棒棒糖”。除此之外，类似该种的异型组合的种类还有很多。在进行高空安装时，通常情况下，选择一个焊接空心球节点作为整个施工的中心，以此中心为基准点将与该空心球节点相连的杆件全部进行吊装，待吊装到位后可形成一种“多杆顶球”状态，该种状态下各构件位置能够基本满足施工设计的相关要求。上述施工结束后，使用全站仪对空间位置进行精确定位。在进行定位时仍然需要选用焊接空心球节点作为整体的定位目标，待球体位置确定后，将球体与相连杆件四周进行贯穿，以此将杆件轴线贯穿于球体中心。想要对球体的中心位置进行直接测量比较困难，因为球心在球的内部且是虚拟空间点，因而在实际测量中通常采用以下方法进行测量：在空心球加工时，可在球体的球面交点以及对称轴位置各钻一个深度及孔径均为3mm的小孔。因而在以后测量时，只需对两个小孔位置进行测量即可确定空间位置是否准确[3]。

结语：

随着现代建筑技术的不断发展，大跨度空间钢结构在我国工程建筑施工中的应用也越来越广泛，且其在具体的施工中获得了较好的应用效果。作为新时期一项节能、绿色的重要施工技术，其不仅能够加快我国建筑行业以及建筑技术发展，有力的迎合了国家可持续发展的目标，其对我国经济的发展及社会的进步做出了重要的贡献。在未来的建筑技术发展中，大跨度空间钢结构将会更广泛的应用在实际的施工当中，其会凭借便捷的安装技术、良好的经济功能以及轻巧的外表成为我国工程施工的发展趋势，以更好的为我国建筑行业营造发展空间。

参考文献：

[1]刘宝宽.现代大跨度空间钢结构施工技术[J].门窗，2014，03：153.

[2]梁岳峰.浅析大跨度空间钢结构的现代施工技术[J].门窗，2014，06：151-152.

[3]叶杭锋.关于现代大跨度空间钢结构施工技术的研究[J].中国水运（下半月），2013，04：287-288.