结构工程师一级结构工程师辅导：大跨度空间钢结构

 

　　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，具有以下几个主要特点。

 

　　结构形式日益多样化和复杂化现代大跨度空间钢结构已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。

 

　　钢板厚度越来越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"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。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高强度级别钢材如Q390C、Q420C、Q460E等高强度厚钢板，板厚甚至超过100毫米。

 

　　现代预应力技术的大量应用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。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。

 

　　结构复杂、设计难度越来越大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。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。

 

　　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。

 

　　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至关重要，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，而是向多学科、综合化、高科技领域迈进，给传统施工技术带来前所未有的难度和挑战，需要科研、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。研究、开发、创造科学的施工技术时，应着重考虑以下方面问题。

 

　　CAD设计与CAM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CAD设计与CAM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。

 

　　安装施工仿真技术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受力阶段出现在施工期间。钢结构施工安装仿真技术主要包括五个方面：a.大型构件的吊装过程仿真；b.施工过程各阶段各工况仿真模拟；c.结构安装的预变形技术，包括构件的起拱与预变位；最终实现结构安装完成后的正确几何位置；d.结构构件的预拼装模拟；e.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实现正确的形状尺寸。

 

　　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。