从建筑造型看,为了迎合人们宙美要求的提高,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。有限元模拟技术不断进步,为钢结构建筑的性能分析控制提供基础,建筑师天马行空般的概念设计也得以实现。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。
改革开放以来,我国已建成投入使用,效果良好的大跨度空间结构已有100多项,主要是体育场馆、会展中心、剧院、航空港、火车站、码头、飞机库等,结构体系多为网架、网壳、张弦梁、穹顶、空间管结构、预应力拉索结构、索膜结构等。
大跨度空间结构是国家建筑科学技术发展水平的重要标志之一,近年来我国大跨度空间结构发展迅速,以北京奥运场馆为代表的大跨度空间结构展示了我国建筑科学技术水平在世界上都是领先的,将成为我国空间结构发展的里程碑。大跨度空间结构享誉中外的建筑如:国家体育场长轴340m,短轴292m,空间门式桁架结构耗钢量(710~880)kg/m2。
北京国家速滑馆,速滑馆屋面南北向长跨约 198 米,东西向短跨约 124 米。屋面的双曲面建筑形式符合索网体系的受力特点,因此采用单层正交双向马鞍形索网系。承重索沿东西向短跨,垂跨比 1/15;稳定索沿南北向,拱跨比约 1/28。网格间4米,平行双索,采用高钒封闭索,直径 64-74mm。索网端部连接在环形桁架上。
大跨度钢结构的施工技术主要包含安装技术及卸载技术(若有临时支撑),这里主要谈谈安装技术,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大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。深圳机场 T3 航站楼指廊钢结构,采用了高空原位单元安装法及胎架滑移安装法:中国爱乐乐团音乐厅及排练配套设施屋面桁架钢结构综合采用了高空原位单元安装法及整体提升法。因此,具体工程应结合不同部位的结构形式及施工条件等因素,通过对不同安装技术合理组合应用,完成超大型、超大跨度钢结构的安装。以下就具体工程实例介绍这些安装方法的适用条件及技术要点。
2 高空原位单元安装法
2.1 定义及适用范围
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。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,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。下面以国家会议中心二期项目配套部分 B23地块裙房采光顶钢结构安装为例,介绍高空原位单元安装法的安装工艺。
2.2 案例说明
2.2.1 项目概况
该项目位于北京市朝阳区奥林匹克公园中心区,科荟南路南侧,天辰西路东侧。本工程建筑用地面积26256m2,总建筑面积217602m2,其中地上建筑面积131284 2地下建筑面积 86318m,包括 A、B、C、D、E 五座塔楼、商业裙房及地下室。其中办公 A、B、C 座为地上 12 层,建筑高度 59.10m;办公 D、E 座为地上11层,建筑高度 54.60m;商业裙房地上2层,建筑高度 12.00m;地下室均为4层,建筑地面标高-17.80m。国家会议中心二期项目配套部分 B23地块裙房钢结构分布在地上二层,结构标高+11.900m,结构矢高9m。
2.2.2 安装工艺
裙房采光顶钢结构采用地面小拼,临时支撑高空原位对接的施工方法,支撑体系采用满堂红脚手架,支撑高度分别为 21m、26m。双壳安装流程如下,
2.3 控制要点
(1)确定合理的高空拼接顺序
安装顺序应根据结构形式、支承类型、结构受力特征、杆件小拼单元,临时稳定的边界条件,施工机械设备的性能和施工场地情况等诸多因素综合确定。选定的高空拼装顺序应能保证拼装的精度,减少积累误差。
(2)严格控制基准轴线位置、标高及垂直偏差,并应及时纠正
1)安装前应对建筑物的定位轴线(即基准轴线)、支座轴线和支承面标高,预埋螺栓(锚栓)位置等进行检查,作出检查记录,办理交接验收手续。
2)建筑物的定位轴线(即安装的基准轴线)要求用精确的角度交汇法放线定位,并用长度交汇法进行复测,其允许偏差不超过L/10000(L 为短边长度,mm)。
3)安装轴线标志(包括安装辅助轴线标志)和标高基准点标志应准确、齐全、醒目、牢固,并要经常进行复测,以防变动。
4)结构支承面、预埋螺栓(锚栓)的允许偏差应符合《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205)的规定。
5)安装过程中应对安装单元的支座轴线、支承面标高,结构屋脊线、檐口线位置和标高进行跟踪控制,发现误差积累应及时纠偏。纠偏方法可用千斤顶、倒链、钢丝绳、经纬仪、水准仪、钢尺等工具进行。
6)采用网片和小拼单元进行拼装时,要严格控制网片和小拼单元的定位线和垂直度。其允许偏差:定位线 5mm;垂直度 h/500(h为网片或小拼单元高度)。
7)各杆件与节点连接时中心线应汇交于一点,螺栓球、焊接球应汇交于球心,焊接钢板节点,应与设计图符合,其偏差值不得超过1mm。
(3)严格按技术标准和安全规程设置拼装支架
拼装支架是保证拼装精度、减少积累误差、防止结构下沉,实现安全生产的重要技术措施。因此,拼装支架的设计、选材、搭设、验收、使用和维护等技术环节要严格把关。
拼装支架应采用扣件式钢管脚手架搭设,其施工层作业面用脚手板铺设,也可用大型活动操作平台代替脚手板。搭设拼装支架时,支架上的支撑点的位置应设在下弦节点处或支座处。支架应验算承载力和稳定性,必要时可进行试压,以确保安全可靠。拼装支架设置应有计算确定,计算方法可采用“铰接”理论或“无侧移刚架”理论计算,计算时还要考虑风荷载及架子自重对支架稳定性的影响。