大跨度空间钢结构施工技术研究

大跨度空间钢结构施工技术研究周观根,方敏勇(浙江东南网架股份有限公司,浙江杭州　311209)[摘要]首先阐述了大型空间钢结构的特点,以及施工过程中应重点考虑的问题和众多施工方法的合理选用。

然后以国家游泳中心“水立方”、广东科学中心、国家羽毛球馆3个工程为例,阐述施工过程中技术问题的解决方法。

[关键词]大跨度空间钢结构;施工技术;多面体空间刚架;弦支穹顶[中图分类号]T U758111[文献标识码]A [文章编号]100228498(2006)1220082204R esearch on Construction Technology of Long 2span Spatial Steel StructureZHOU Guan 2gen ,FAN G Min 2yong(Zhejiang Southeast Space Frame Co .,Ltd .,Hangzhou ,Zhejiang 311209,China )Abstract :Firstly ,this paper wholly describes the feature of long 2span spatial steel structure ,s ome im portant factors during the construction ,and the principle of selection of construction technology.Secondly ,by introducing three projects of Water 2cube project ,G uangdong Science Central project and 2008Olym pic Badminton Stadium ,this paper describes the s olution of construction technology.K ey w ords :long 2span spatial steel structure ;construction technology ;polyhedron space frame ;suspended 2dome structure[收稿日期]2006209224[作者简介]周观根(1967—),男,浙江萧山人,浙江东南网架股份有限公司总工程师,高级工程师,浙江省杭州市萧山区衙前镇新林周村　311209,电话:(0571)827833181　大跨度空间钢结构的特点近30年来,各种类型的大跨度空间钢结构在美国、日本、欧洲、澳大利亚等发达国家和地区发展很快,其跨度和规模越来越大,新材料和新技术的应用越来越广泛,结构形式越来越丰富。

许多宏伟而富有特色的大跨度建筑已成为当地的象征性或标志性的人文景观。

如2000年的悉尼奥运会、2002年的韩日世界杯、2004年雅典奥运会和2006年的德国世界杯等各种体育场馆给人留下了深刻的印象。

我国大跨度空间钢结构原来的基础比较薄弱,但随着国家经济实力的增强和社会发展的需要,近10余年来也取得了迅猛的发展。

特别是2008奥运场馆建设为我国大跨空间钢结构的发展提供了巨大的机遇,给中国建筑结构技术提供了一个展现机会,涌现出了大量结构新颖、技术先进的建筑,同时也给施工单位带来了巨大的机遇和挑战。

随着国家游泳中心“水立方”、奥运会主体育场“鸟巢”等体育场馆主体结构的相继完工,其所展现出来的磅礴气势令人折服,充分显示了中国人的聪明才智。

纵观这些现代大跨度空间钢结构的设计和施工,其所呈现出的主要特点如下。

111　结构形式日益多样化和复杂化现代大跨度空间钢结构已经不局限于采用传统的单一结构形式,新的结构形式和各种组合结构形式不断涌现。

“水立方”采用了基于泡沫理论的多面体空间刚架结构;“鸟巢”采用了复杂扭曲空间桁架结构;奥运会羽毛球馆则采用了世界跨度最大的弦支穹顶结构;广州国际会展中心采用了张弦桁架结构。

112　结构跨度大、钢材等级高、钢板厚度厚由于建筑功能的需要,现代空间钢结构跨度越来越大,短向跨度超百米已屡见不鲜,如国家体育场“鸟巢”跨度296m ,国家游泳中心跨度177m ,广州国际会议展览中心跨度12616m ,南京奥体中心体育场拱跨度360m 等。

以致国家超限专家审查委员会专门编制了大跨结构超限审查的规定。

这些大跨度空间钢结构采用了大量的高强度级别钢材,如Q390C 、Q420C 、Q460E 等,且钢板厚度都很厚,有的甚至超过100mm 。

113　现代预应力技术的大量应用预应力作为一项新技术,得到了充分应用,涌现了索穹顶、张拉整体结构和索膜结构等新型结构形式。

82　施　工　技　术C ONSTRUCTI ON TECH NO LOGY 2006年12月第35卷　第12期奥运会羽毛球馆(北京工业大学体育馆)采用了世界跨度最大的弦支穹顶结构。

国家体育馆采用了世界跨度最大的双向张弦梁结构。

114　节点形式复杂多样现代空间钢结构大多采用仿生态建筑,为了满足建筑造型,采用了各种各样的节点形式,如铸钢节点、锻钢节点、球铰节点等。

115　构件数量和截面类型多,深化设计难度大一般而言,这类大型工程都由几万个构件,甚至十多万个构件组成,并且这些构件的截面形式、尺寸和长度均不相同。

这样给施工单位放样带来了极大的困难,并且对于有些弯扭构件,需要进行专门的试验和研究才能完成。

116　构件加工难度大,加工精度要求高这类工程都属于国家重点工程,工程质量要求高。

只有提高构件加工精度,才能满足质量要求。

并且大量焊缝要求一级焊缝,给施工带来了极大的难度。

117　现场焊接工作量大,施工技术难度高为了保证施工精度,这些工程都需要进行预拼装,并且现场焊接工作量特别大。

由于结构新、跨度大,为了保证经济、安全,都必须采用先进的施工技术才能顺利完成。

2　大跨度空间钢结构施工中应重点考虑的问题大型空间钢结构建造过程中施工技术是至关重要的,合理的施工方案和科学的施工过程分析才能保证结构的安全、经济。

目前一些大型空间钢结构的施工,已突破传统意义上的施工方法,向多学科、综合化、高科技领域迈进,给传统施工技术带来了前所未有的难度和挑战。

因此需要广大的科研、设计、施工单位共同研究、开发、创造出新的更加科学的施工技术,来满足不断发展的需要。

在研究、开发、创造科学的施工技术时,应着重考虑以下几方面问题:211　C AD设计与C AM制造技术随着计算机技术、信息化技术和先进数控设备的应用,空间钢结构产品需要信息技术、设计技术、制造技术、管理技术的综合应用,提高生产效率和实现定制化目标,从而提高空间钢结构产品的创新能力和管理水平。

钢结构C AD设计与C AM制造技术属于钢结构辅助制造技术范畴,包括整体三维实体建模,杆件和板材的优化下料,钢管相贯节点和各类异型节点的设计、分析、制造等。

212　安装施工仿真技术以往人们都比较重视结构使用状态下的受力情况,而忽视了结构施工阶段的受力情况。

随着工程的不断大型化,结构施工阶段的安全问题日益突出。

实际上,有些工程在结构施工过程中的受力状况完全不同于使用阶段,甚至有些工程的结构最不利的受力阶段,出现在施工阶段。

钢结构施工安装仿真技术主要包括以下5个方面:①大型构件的吊装过程仿真;②施工过程各阶段各工况仿真模拟;③结构安装的预变形技术,包括构件的起拱与预变位;④结构构件的预拼装模拟;⑤卸载过程模拟。

通过仿真计算分析能预先充分发现施工过程中的薄弱环节和重点控制部位,能直观实现对结构整个施工过程的控制并最终保证正确的形状尺寸。

213　安装方法的合理选用所谓选用合理的安装方法,就是在安全、经济、适用三方面找到一个最佳平衡点。

传统空间钢结构的施工方法一般有:高空散装法、分条或分块安装法、高空滑移法、整体吊装法、整体提升法、整体顶升法等。

现代空间钢结构跨度大、体型复杂,无固定的安装模式,并且使用大量新材料、新技术,若不对这些单一传统安装方法进行革新或创造,就不能顺利完成任务,有时甚至很难完成任务。

通过大量的工程实践,涌现出了许多具有创新性的施工技术,如高空曲线滑移技术、网壳结构折叠展开式整体提升技术、滑架法施工技术等。

现代空间钢结构的安装方法往往是几种基本方法的巧妙组合或者再创造。

同时由于机械设备、计算理论和计算机技术的快速发展,为钢结构安装方法的创新提供了有力支持。

3　工程实践311　国家游泳中心钢结构施工技术国家游泳中心———“水立方”工程,是2008年国家奥运工程中的两大标志性建筑之一(见图1)。

该建筑长宽均为1761538m,高度为301588m,屋盖厚度为71211m,墙体厚度为31472m及51876m两种,总建筑面积31166m2,整个建筑外型成方形。

31111　工程特点和难点1)构件数量多,种类多,空间位置复杂,外形要求高　该结构构件之间纵横交错,呈现出一种随机无序状态,杆件空间定位相当困难。

该工程基本构件总计达29979个,其中共有焊接方矩形钢管9199根,圆钢管11471根;焊接球节点9309个,其中整球4281个,异型球5028个;相贯节点1441个。

2)所有节点均为刚性连接,焊缝质量要求高　为了确保工程质量,该工程所有焊缝全部为一级焊缝。

经计算,该工程结构构件约由30多万个板件通过近10多万延米的一级焊缝组合而成。

3)材料等级高,节点构造复杂　该工程中大量使用Q420C级钢材,该级别的钢材对焊接工艺的要求较2006N o.12周观根等:大跨度空间钢结构施工技术研究83　图1　国家游泳中心———“水立方”高。

为了满足抗震需要,在应力比大于017的杆端、节点区及拼接焊缝处进行加强处理,节点构造复杂。

31112　安装方案国家游泳中心的结构形式不同于任何一种传统的结构形式,具有较强的空间性、关联性,任何一个构件安装位置的不准确,将导致其它构件难以安装,该结构构造特点决定了其安装方法也不同于传统结构形式,为此,采用了“以组合为辅,散装为主”的安装方法;安装前,根据构件间的相互关系及起吊设备的最大起吊能力,在地面最大限度地进行组合,以减少高空焊接量。

实际应用中,组合形式最多的是一根矩形钢管与一个相连空心球组合,组合后的形状如同一根“棒棒糖”;另外,还有大量种类繁多的异型组合如图2所示(种类较多,仅举一个例子)。

图2　异型组合之一高空安装时,以一个焊接空心球节点为中心,将与该球相连的下部杆件全部吊装到位,形成“多杆顶球”的状态,此时各构件的位置基本接近设计位置。

然后用全站仪进行空间精确定位,定位时仍然以焊接空心球球心作为定位目标,球体位置准确后,只要相连杆件四周与球体吻合相贯,那么杆件的轴线必将穿过球体中心。

但球体的球心是一个虚拟的空间点且在球的内部,直接测量球心位置非常困难,在实际应用中,采用了如下方法:在工厂加工空心球时,在球体的一个对称轴与球面交点处各钻一个小孔(孔的直径及深度均为3mm ),测量时,只需测量球的两个小孔位置,若这两个小孔的空间位置准确,则球心位置也近似准确。