大跨度及空间钢结构施工技术应用

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当前，我国社会发展需要和经济实力的进一步增强，大跨度及空间钢结构领域得到迅猛发展。随着国内基础设施建设、工业化、城镇化建设的需要，尤其是2008 年北京奥运会、2010年广州亚运会及2011年深圳世界大学生运动会的举办，大量场馆的建设为我国大跨度及空间钢结构的发展提供了机遇。

从建筑造型看，为了迎合人们审美要求的提高，钢结构建筑的造型日趋多变。从结构形式看，大跨钢结构从比较单一的网架、网壳逐渐发展至各式组合杂交体系，甚至很多其他领域(如桥梁)的结构形式也移植到大跨钢结构中来(如深圳万科中心采用的斜拉桥概念)，结构体系呈现出变化多端、不断创新的格局，这都得益于钢材质量均匀的特点。在有限元技术不断进步的今天，钢结构建筑的性能可比较准地进行分析控制，建筑师天马行空般的概念设计能得以彻底的实现。与此同时，大跨度及空间钢结构的施工技术也得到跨越式发展，先进、创新的施工方法层出不穷，不少技术方案及措施思路巧妙，令人赞叹。以下具有地标性且结构形式新颖的钢结构建筑：深圳龙岗区体育新城、贵阳奥林匹克体育中心体育场、深圳滨海休闲区的“深圳湾体育中心”、广州番禺区的“广州亚运城综合体育馆”、武汉市青山区的 “武汉新火车站”、深圳宝安区的深圳机场航站区T3航站楼、北京朝阳区的中央电视台新台址等都是近年来建筑钢结构工程成功范例。

通过这些特点鲜明的建筑钢结构的工程实践，在大跨钢结构领域，积累了一系列的施工经验，笔者将这些施工技术作简略的汇总，一方面是对以往工程实践的总结，另一方面也为今后的类似工程提供借鉴，希望起到抛砖引玉的作用。

大跨度钢结构的施工技术，一般主要包含安装技术及卸载技术(若有临时支承)，这里主要谈谈安装技术，对于卸载技术只结合具体工程(深圳湾体育中心)作简要探讨。根据结构受力和构造特点(包括结构形式、刚度分布、支承形式等)，在满足质量、安全、进度及经济效益的前提下，应结合现场施工条件和设备机具等资源落实情况等因素综合确定安装方案。常用的安装方法主要有：高空原位单元安装法、整体提升法、滑移安装法、大悬挑钢结构无支承安装法等。

当然，从近年的发展看，钢结构工程将日趋大型化、复杂化，单一的安装方法可能不再适应工程的需要，一个工程中往往采用多种不同的安装技术，安装方法在朝集成化的方向发展。正在施工的深圳机场T3航站楼指廊钢结构，就采用了“高空原位单元安装法”及“胎架滑移安装法”;深圳湾体育中心(春茧)则综合了“高空原位单元安装法”及“整体提升法”。可见，具体实践中，应结合不同部位的结构形式及施工条件等因素，通过不同安装技术合理的组合应用，去成功完成超大型、超大跨度钢结构的安装。以下先简要说明上述四种常用安装方法的适用条件及技术要点，再联系工程实例介绍这些安装方法的具体应用。

高空原位单元安装法：是由“高空原位散装法”演变而来。所谓“散装法”一般是指将构(杆)件直接在设计位置进行安装的一种方法。采用该法安装时，需搭设满堂支承，以提供构件高空搁置及工人的操作平台。由于单件的重量较轻，此法可有效降低起重设备的起重要求。原则上，“散装法”可用于任意大跨度钢结构的安装，但大规模的支承体系需用大量支承材料，且支承搭设时间长，高空作业多，工期跨度大，占用大量建筑物内场地。因此“散装法”多应用在跨度不大、工期要求不紧的网架、网壳等空间结构。

单元安装法则是把结构进行合理分块，然后将这些分块单元吊装至设计位置安装，与“散装法”相比，“单元安装法”虽然也是将结构在原位进行安装，但大部分的焊接和拼接工作在工厂或地面完成，有利于提高工程质量，减少高空作业量，加快施工进度，并且所需临时支承相对较少，措施成本也得到降低。

单元安装法的重点是吊装单元的合理划分，一般应把握以下要点：单元的大小视选用的起重机能力和结构形式而定。比如对于大跨度钢桁架结构，分块位置不宜在桁架跨中(此处弯矩最大，不宜设置焊缝);对于梁柱结构，设计一般建议净分段位置设在反弯点位置;对于网架及网壳结构，一般可采用分块或分条的方案;单元必须自成体系，有足够的稳定性、刚度及强度，要求有足够的刚度是确保将单元吊装至设计位置后，吊装单元能与相邻构件顺利对接;要求有足够的强度，是确保单元在吊装过程中不产生不可逆的塑性变形;为保证现场单元的顺利拼接，宜先将若干单元在工厂预拼接。

当结构特点不允许或场地条件的限制，难以使用更高效的滑移或整体提升等安装方法时，可选用“单元安装”。如广州歌剧院、深圳大运会主体育场及深圳湾体育中心等钢结构工程均采用了这种工法。

滑移安装法一般又可分两种：结构滑移法、支承滑移法。以下分别介绍两种方法的施工特点。

结构滑移法：其基本思路是将结构整体(或局部)先在具备拼装条件的场地组装成型，再利用滑移系统整体移位至设计位置的一种安装方法。采用这种安装技术，拼装场地和组装用机械设备可集中于一块相对固定的场地，与原位安装法相比，可减少临时支承与操作平台的措施用量，节约场地处理和管理成本。先用结构滑移法，其关键的考虑是结构直接在设计位置施工有难度，例如场外周边施工场地有限，跨内不能满足吊装设备的正常行走。这一工法的基本构成要素只是将“整体提升工法”中的地面组装、反力支承、整体提升置换为“横向移动”，所以本质上与提升工法相同。

同时，采用此法至少应注意几个要点：结构支承处有利于铺设滑移轨道，滑移路线长，效率越高;滑移单元应为几何不变体系，滑移过程中有足够的刚度和稳定性，尽可能减少滑移时的抵抗力。当采用多点牵引来实现滑移时，为避免结构在滑移过程中发生扭转，牵引的同步性须得到控制，若难以保证，则应充分计算评估因牵引不同步给滑移单元造成的影响，必要时可为滑移单元进行临时加固。滑移单元在最后固定之前，结构在移动方向与其正交方向存在着“容易滑移”的趋势，因为与设计支承条件不同，要防止设计外(即滑移平面外)的变形，有必要采取防止“滑落”的对策，比如在两侧支承附近设置自平衡的刚性拉杆或柔性拉索。

此外，结构滑移法还包括两种不同的工艺：逐榀滑移、累积滑移。以桁架结构为例，简单说明两种工艺的区别。

逐榀滑移：将一榀或由若干榀组成的滑移单元从一端至设计位置，各滑移单元之间分别在高空进行连接，直接形成整体结构。

累积滑移：即将滑移单元在滑轨上只滑移一段(暂不移至设计位置)，待连接好下一单元后再滑移一段距离，如此反复，逐榀积累，直至将各榀单元推至设计位置。

总的来说，在大跨度及空间钢结构的安装方法中，当无法设置临时支承或使用安装吊车的条件不好，即直接在建筑物位置施工有问题时，结构滑移工法可作为解决方案之一。

支承滑移法：支承滑移法是在结构的设计集团搭设支承架，以给结构在原位安装提供支承和操作平台，待该部分结构安装完成后，支承滑移即与已装毕的结构脱离。这样即为相邻结构的原位安装创造了条件，如此循环，直至结构完成整体安装。由此，与结构滑移法不同，支承滑移法可总结为“结构不滑而支承机构滑”，而结构滑移法则是“结构滑而支承机构不滑”。采用支承滑移法时，支承构架的设计除满足常规的整体及局部稳定外，还要考虑水平动荷载(启动及刹车作用引起的水平惯性力)，必要时可增设大斜撑以提高其抗侧刚度。总结起来，由于此法需占用结构跨内场地，故当周边环境难以提供结构拼接场地时，支承滑移法可作为解决方案之一。值得注意的是，无论结构滑移还是支承滑移法，其滑移轨迹除了常规的直线平移外，曲线滑移也屡见不鲜，频频应用在工程实践中。

整体提升安装法：整体提升安装法是将待安装的结构在地面或适宜的楼层投影位置组装成型，再利用“提升系统”将成型结构整体向上提升至设计标高的一种安装方法。当大跨度钢结构高度较高，不利于搭设支承胎架，提升钢结构形状规则时，整体提升的施工方法可作为选择方案之一。

大跨度悬挑钢结构无支承安装法：所谓大跨度悬挑钢结构无支承安装法，即是在不搭设支承机构的条件下，以悬挑钢结构本体的刚度为依托，利用吊装机械进行高空散件安装，采用逐步延伸、阶段安装的方式进行施工。相对高空原位安装法而言，虽然该工法也是在高空原位附近实施安装，但因为完全不设临时支承机构，施工措施少，施工工艺简单(无卸载)。适用于结构本体刚度大、稳定性好，高度较高的悬挑钢结构。采用该工法，受自重影响，悬挑段一定会下挠，由此带来的困扰是构件的安装坐标未知，当遇到对安装位形有要求或存在合龙情形时，施工过程中结构的位形控制是最大的技术难题之一，这直接关系到竣工时的结构位形能否满足要求，以及悬挑段能否顺利合龙。

对于大跨度钢结构建筑，高空原空单元安装法、滑移安装法、整体提升法及大跨度悬挑无支承安装法是目前几种典型且常见的施工方法，但必须把握其适用条件和关键技术要点，在工程实践中合理选用。特别是近几年来，多数工程具有独特的建筑造型，给施工特别是安装工作带来许多难点。深刻理解这些工程的结构组成，明了其荷载传递路径，熟悉工程所在地域的周围环境条件和工程的特定要求，以及可利用的施工资源和企业自身掌握的专有技术，因地制宜地设计出最适宜的、推陈出新的安装方案，正是施工技术追求的最高境界。