浅谈大跨度空间钢结构施工技术
【摘要】论文第二、三部分讨论了我国大跨度空间钢结构建筑的类型及目前我国大跨度空间钢结构施工技术的新特点，第四部分以国家体育场、五棵松体育场两个大跨度空间钢结构施工项目阐述了我国在大跨度空间钢结构施工上的技术。
【关键字】大跨度施工；钢结构施工
1 引言
随着经济、文化建设需求的扩大以及人们对建筑欣赏品位的提高，大跨度空间钢结构由于其形式多样化，造型美观，经济性好等特点越来越受到设计师们的青睐。目前大跨度空间结构主要被应用到机场建筑、会展中心、体育场馆、展览馆等大型公共建筑的屋盖结构中。各种类型的大跨度空间钢结构在美、日、欧、澳等发达国家发展很快，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人文景观。
2 大跨度空间钢结构建筑的结构类型
大跨度空间钢结构和形式丰富多彩，最典型的表现就是奥运建筑，综观奥运近50余年的发展历史，奥运建筑为大跨度空间结构技术提供了精美的展示舞台和实践机会，而大跨度空间结构技术对丰富多彩的奥运建筑产生了起到促进作用，例如：奥运历史上著名的罗马大小体育馆（1960年意大利罗马奥运会）采用了装配现浇式钢筋混凝土薄壳结构，莫斯科中央红军之家综合体育馆（1980年莫斯科奥运会）采用了空间桁架网架结构，东京代代木国立体育中心（1964年东京奥运会）采用了张拉结构，巴塞罗那圣乔地体育馆（1992年巴塞罗那奥运会）采用了网壳结构。大跨度结构建筑是指横向跨越30米以上空间的各类结构形式的建筑，其结构类型可以分为以下四类：一、实体结构类--薄壳结构、折板结构；二、网格结构类--网架结构、网壳结构；三、张力结构--悬架结构、薄膜结构；四、其它新型大跨度空间结构-- 可展开折叠式结构、开合屋盖、 张拉整体结构、 张弦结构、 整体张拉预应力拱架结构。几种主要的大跨度空间结构分析：
2.1 网架结构：由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连结而成的空间结构。具有空间受力、重量轻、刚度大、抗震性能好等优点；网架结构广泛用作体育馆、展览馆、俱乐部、影剧院、食堂、会议室、候车厅、飞机库、车间等的屋盖结构。具有工业化程度高、自重轻、稳定性好、外形美观的特点。缺点是汇交于节点上的杆件数量较多，制作安装较平面结构复杂。 如图1、图2所示。
2.2 网壳结构。网壳结构是一种与平板网架类似的空间杆系结构，系以杆件为基础，按一定规律组成网格，按壳体结构布置的空间架构，它兼具杆系和壳体的性质。其传力特点主要是通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力。1989年建成的北京奥林匹克体育中心综合体育馆，平面尺寸为70m X 83.Zm，采用人字形截面双层圆柱面斜拉网壳，为目前国内跨度最大的网壳结构。同年建成的濮阳中原化肥尿素散装库，平面尺寸为58mX135m，采用双层正放四角锥圆柱面网壳，为国内覆盖建筑面积最大的网壳结构，也是第一个采用螺栓球节点的网状筒壳。1967年建成的郑州体育馆，采用肋环形穹顶网壳，平面直径64m，矢高9.14m，为国内跨度最大的单层球面网完。又如1988年建成的北京体院体育馆，采用带斜撑的四块组合型双层扭网壳，平面尺寸为59.2m见方，矢高3.5m,挑檐3.5m，为我国跨度最大的四块组合型扭网壳。
2.3 悬索结构。如图3所示，北京工人体育馆是我国第一座大跨度圆形悬索结构的多功能综合体育馆。悬索结构由柔性受拉索及其边缘构件所形成的承重结构。索的材料可以采用钢丝束、钢丝绳、钢铰线、链条、圆钢，以及其他受拉性能良好的线材。悬索结构能充分利用高强材料的抗拉性能，可以做到跨度大、自重小、材料省、易施工。其应用可以追溯到古代就的竹、藤等材料做成的用来跨越深谷的吊桥、明朝成化年间（1465～1487年）用铁链建成霁虹桥。近代的悬索结构，除了应用于大跨度桥梁工程外，还在体育馆、飞机库、展览馆、仓库等大跨度屋盖结构中应用。
3 目前我国大跨度空间钢结构施工技术的新特点
3.1 大跨度空间结构跨度趋大化，空间结构形式多样化，施工技术复杂化，如“鸟巢”跨度296米，“水立方”跨度177米，广州国际会展中心跨度126.6米，南京奥体中心体育场跨度360米。
3.2 结构形式不再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，如“水立方”采用了基于泡沫理论的多面体空间刚架结构、“鸟巢”采用复杂扭曲空间桁架结构、奥运会羽毛球馆则采用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。
3.3 预应力作为一项新技术，得到充分应用，涌现了索穹顶、张拉整体结构和索膜结构等新型结构形式，如奥运会羽毛球馆(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。在大跨度空间结构中引入现代预应力技术，不仅使结构体形更为丰富而且也使其先进性、合理性、经济性得到充分展示。通过适当配置拉索，使结构获得新的中间弹性支点或使结构产生与外载作用反向的内力和挠度而卸载，前者即为斜拉结构体系，后者则为预应力结构体系。这一类“杂交”结构体系改善了原结构的受力状态，降低内力峰值，增强结构刚度，技术经济效果明显提高。
3.4 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，结构复杂、设计难度越来越大，如铸钢节点、锻钢节点、球铰节点等。构件数量和截面类型越来越多，深化设计难度越来越大。一般而言，这类大型工程都由几万个构件，甚至逾10万个构件组成，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极大困难，对于有些弯扭构件，还需进行专门试验和研究才能完成。
3.5 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，工程质量要求相当高。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标准，给施工带来极大难度。现场焊接工作量大，施工技术难度高。为保证施工精度，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。
4 大跨度空间钢结构建设项目及新技术
大跨度空间钢结构施工技术的新特点，给大跨度空间钢结构施工带来了机遇与挑战，促进了施工技术的革新。近年来我国多项重点建设项目工程中，研究和实施了许多新的施工技术和方法，填补了国内外大跨度空间钢结构施工工艺的空白，推动了我国此类大跨度空间结构形式的应用和推广，带动了我国相关行业国民经济建设的发展。下面将通过几个重点建设项目来分析其中的大跨度空间钢结构施工技术：
4.1 国家体育场大跨度空间钢结构施工工程。国家体育场，钢结构总重4.2万吨，最大跨度343米，是一个大跨度的曲线结构，体育场建筑屋面为马鞍形双曲面，整体结构按照主次分为主结构(包括桁架柱，桁架梁)，立面次结构和楼梯，肩部次结构和顶面次结构。主结构构件相互支撑，形成网格状，次结构构件采用与主构件相同的外形尺寸，不规则地分布于主结构的外表面，从而形成体育场独特的“鸟巢”造型。主、次结构构件均为大尺寸焊接薄壁箱形截面，在肩部大量采用空间扭曲箱形构件。多根箱形构件空间交汇形成节点，其构造及其复杂。
该工程的实际施工不仅面临着支撑塔架设置、特大型构件吊装、空间异型构件安装、安装精度控制、铸钢件与高强钢焊接、厚板与低温焊接、冬季施工、结构合拢等方面的技术问题，还面临着主结构安装完成后的支撑塔架卸载与拆除方案、防腐涂装方案及安全措施设置等问题，施工难度相当大。针对这一系列技术上的问题，施工方组织了大跨度空间钢结构技术研究，在吸收以往工程经验的基础上，形成了系列特大型空间异型钢结构工程施工技术：（1）特大型、空间异型钢结构安装综合技术；（2）多功能可拆卸式支承塔架的研发和使用；（3）计算机动态吊装模拟，包括吊装现场平面模拟、巨型钢桁架吊装分段的重心和吊点位置确定及巨型钢桁架吊装全过程工况模拟分析；（4）热电偶自动温度监测系统在合拢温度监测中的应用；（5）分区分级等比例液压同步卸载技术。
4.2 五棵松体育馆大跨度空间钢结构施工工程。五棵松体育场馆主体结构为多层混凝土框架，屋架结构为双向正交鱼腹式空间钢桁架体系，它的比赛场馆的屋顶的轴线跨度为120*120米，屋顶结构支撑于沿建筑物周边布置的二十棵柱子上。钢桁架间距12米，共有26榀。桁架截面共有7种形式，支座处高位6.3米，跨中高6.3米到9.3米，工程特点是：施工时结构受力体系改变大、结构跨度大、结构双向布置、其桁架下弦存在空间关系、单件体型大，构件重、钢结构加工、安装焊接技术难度较大等。在该工程中，施工方根据工程的实际特点，采用整体累积滑移技术进行钢桁架的安装。滑移采用了三滑到施工方法，应用油缸行程自动控制结核榕栅位移传感器闭环检测、人工测量印证的同步控制方法来控制滑移同步，应力应变检测来确保施工期间屋面桁架钢结构及滑道钢结构在滑移及卸载过程中的安全。
5 结束语
近二十余年来，建筑物的跨度和规模越来越大，目前，尺度达150m以上的超大规模建筑已非个别，采用了许多新材料和新技术，发展了许多新的空间结构形式。相信随着理论研究的深入和工程实践的大量增加，我国科技人员必将进一步研制开发出适应我国大跨空间钢结构需要的新体系、新技术、新材料，更充分地体现大跨度空间结构的先进性、经济性与合理性，促使我国大跨空间钢结构更积极、健康发展，更好地为我国经济建设服务。
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