空间异型曲面钢结构安装技术及应用分析

空间异型曲面钢结构安装技术及应用分析

发表时间：2018-02-11T14:27:56.370Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第28期作者：李兴锋蔺旭宏张健朱乔磊

[导读] 某工程总建筑面积216094m2。钢结构空间体系南北向长333m，东西向285m，悬挑长度52.5m，最高点标高59.4m。

63926部队北京 100192

摘要：现代建筑随着人们生活质量的不断提高，其造型与结构也向着多元化发展。而空间异型曲面钢结构的出现因其自身结构独特、覆盖面积较大、安全性高、稳定性强等特点备受建筑师们的青睐，从而广泛应用于一些大型体育馆及会展中心等建筑上。这类空间管桁架结构与网壳结构相结合的新型结构设计不仅满足了建筑上的实用性，也使得建筑更趋向于美感化。本文分析了空间异型曲面钢结构安装技术及应用。

关键词：空间异型曲面；钢结构安装技术；应用

某工程总建筑面积216094m2。钢结构空间体系南北向长333m，东西向285m，悬挑长度52.5m，最高点标高59.4m。整个钢结构通过支座、支撑、主桁架、次连接杆件、预应力张弦梁、内环等承力节点进行连接，形成稳定的复杂空间体系。

一、空间异型曲面钢结构安装技术

1.支座预埋件安装。空间钢结构主要通过上下两道竖向支座以及中间一道横向支座提供支撑固定，罩棚钢结构将荷载传递给两道竖向支撑，竖向支撑再将荷载传递给混凝土柱子，最后通过基础将荷载传递到地基。支座预埋件的安装要跟随土建主体结构的施工进行，施工时，钢结构施工单位要派专门的人到现场进行看护，保证预埋件的安装精度，为上部钢结构的安装提供前提条件。

2.竖向桁架柱的安装。根据钢结构特点和现场实际情况，竖向桁架柱系统

安装的主要难点在于Γ型钢管桁架柱和S 型桁架柱的吊装，采用现场将构件拼装成吊装单元后整体吊装。Γ型桁架高度一般不超过15m，现场根据桁架悬挑长度的不同进行吊装单元的分段。对于悬挑段长度不超过6m 的Γ型桁架采用将两榀单片桁架及其联系杆件组成单元体整体吊装就位；对于悬挑段长度超过6m的桁架采取分两段吊装就位。首先在场外拼装平台分别将分段桁架及其联系杆件拼装成竖向吊装单元体和横向吊装单元体，而后进行竖向单元体吊装，就位调整后再进行横向吊装单元体的施工。横向吊装单元体悬挑端头设置临时支撑，临时支撑需在单元体吊装前就安装好。相临两个单元体安装就位调整完成后进行单元体之间联系杆件的安装。防止因受力状态与设计承载力状态不同而导致构件可能产生的变形和损伤，翻身扶直过程中及单片桁架吊装时需采取临时加固措施，拉设三向缆风和搭设临时支撑脚手架，各吊装单元间连接系杆采用单杆散件安装。

3.主花瓣的安装。由于整片主花瓣重量达300t 左右，不可能在场地内一次性拼装完成后吊装，所以需分为8 个单元进行现场拼装和吊装。1 单元重量约33t，8 单元重量约36.1t，2 单元分段重量约45.5t，3 单元分段重量约46t，6 单元分段重量约28t，7单元分段重量约35.4t，采用400t 履带吊；5 单元分段重量约81.4t，采用650t 履带吊。根据吊装单元的结构形式、重心以及拼装形式等合理设置吊点进行吊装。

4.次花瓣的安装。次花瓣分为屋面和立面两种形式，各14 片。屋面次花

瓣为索桁架结构，立面次花瓣为单层网格结构，因结构不同，屋面次花瓣由两种形式的构件组成：索桁架和杆件。先安装索桁架，再散件补装杆件。索桁架在地面拼装成整体，并进行预张拉，采用150t 主副臂履带吊吊装。立面次花瓣似一片倒挂的芭蕉叶，由上下2 个节点支撑。上节点与主花瓣桁架相贯连接，下节点采用铸钢节点与埋件连接，位于主花瓣罩棚的下方，如主花瓣桁架先安装，立面次花瓣后安装时，将没有空间操作，故立面次花瓣的安装要先于主花瓣桁架安装。立面次花瓣安装标高高，结构成倾斜状态，安装时主要通过下部弦杆的连接耳板和上端对称设置的缆风控制稳定。

5.复杂节点的安装。由于局部高温切割对已成型的弯曲管曲率会产生影响，对于弯曲管半相贯节点应先割后弯，还是先弯后割，目前工程界尚无成熟的经验和结论，而如果弯管半相贯切口制作方面出现精度误差，则会给现场安装带来很大的障碍。构件出厂前，在工厂实施单榀桁架整体预拼装。安装时采用全站仪及数字水准仪建立测量控制网，精确控制主立柱的安装精度，并在保证构件制作精度的基础上，达到弯管相贯口的准确性。主桁架立柱、梁均采用法兰连接，考虑到这些构件均为多曲率钢管，在详图设计时，为方便施工，将所有法兰与杆件之间均设计成垂成直相连形式。采用现场法兰后焊接的方法进行连接。具体过程为：在杆件预拼装过程完成后，只焊接接连接节点一侧杆件端法兰，待现场构件安装就位，装好连接螺栓后，再焊接节点另一侧杆件端部法兰，这样既保证了法兰连接节点的安装精度，同时又可以方便后期的结构拆卸。

二、空间异型曲面钢结构的应用

本世纪以来，空间异型曲面钢结构的出现为土建结构领域的发展起到了促进性作用，日常生活中所常用到的空间异型曲面钢结构主要有空间桁架结构、悬索结构和网壳结构膜结构等。因空间异型曲面钢结构作用于空间内，因此它的荷载、内力与变形属于三维状态，是一般二维设计无法与之媲美的。由于以上特点，空间异型曲面钢结构做到了经济、美观与高效，它的问世得到了迅速的发展。管桁架结构利用了钢管自身特有的优越受力性能同时配合美观的外部造型形成独特的结构体系，以此满足了钢结构在设计上的最新观念，以承重与稳定作用的构建组合及材料集中使用来发挥其空间性作用。钢索、边缘构件与下部支承结构共同组成了大跨度屋盖的悬索结构，在一定的静荷载下，要先确定完整的悬索结构在原始的荷载作用之下的原始状态，并计算出荷增量和索支点位移对温度造成的变形。网壳结构可以由多根杆件组成网格后形成曲线形来实现，它可以分为单曲和双曲两种形式。网壳可以与网架结合形成双层形态，这时因节点呈铰接状态，其杆件受力形式为轴向力。网壳由于曲率，做出节点，使杆件能承受附加弯矩或扭矩，也可以做成单层形态。虽然网壳与网架大小不一、形态各异，但其材料与截面基本相同，杆件与节点都是同样类型可以重复使用。这种有利的条件使得许多标准化的网络结构体系得到了很好的开发与应用，而且形成了其专属的工业化生产线。本世纪中期逐步发展起来了一种全新型的建筑形式———膜结构，所用的膜材料则是由涂层和基布这两个部分组成的，而基布所采用的材料主要为玻璃纤维和聚酯纤维；而涂层选用的材料则主要以聚四氟乙烯和聚氯乙烯为主。其作为一种覆盖结构能够承受一定的外荷。

三、控制措施

1.原材料质量控制。自原材料运抵工厂仓库后即开始核对质保书，清点根数计算重量，抽查断面尺寸、口径、壁厚、长宽度、平整