大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)催生技術(shù)創(chuàng)新

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隨著建筑理念的不斷更新，許多新型結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)主要有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等，用作體育館、展覽館、候車廳、飛機庫、車間等的屋蓋結(jié)構(gòu)。建筑的美學要求和功能多樣化引發(fā)了施工技術(shù)的變革。這種變革催生了新的施工技術(shù)。鋼構(gòu)件的制造技術(shù)、曲線滑移、非對稱整體提升等施工技術(shù)，使建筑業(yè)超越傳統(tǒng)、向更高水平邁進。
　　大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)越來越復雜
　　現(xiàn)代大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)已不局限于采用傳統(tǒng)的單一結(jié)構(gòu)形式，新的結(jié)構(gòu)形式和各種組合結(jié)構(gòu)形式不斷涌現(xiàn)。結(jié)構(gòu)形式越來越復雜。“鳥巢”采用復雜扭曲空間桁架結(jié)構(gòu)，“水立方”采用了基于泡沫理論的多面體空間剛架結(jié)構(gòu)，奧運會羽毛球館則采用世界跨度最大的弦支穹頂結(jié)構(gòu)，廣州國際會展中心采用了張弦桁架結(jié)構(gòu)。
　　像“鳥巢”、“水立方”這樣的大跨度空間建筑，建造難度非常大，因為它是三維形體、空間受力的結(jié)構(gòu)體系。“鳥巢”是雙曲面馬鞍型，最高點68.5米，最低點40.1米，平面呈橢圓形，長軸332.3米，短軸297.3米。它是由復雜的箱型扭曲構(gòu)件組成的主桁架和大量次結(jié)構(gòu)在空間上縱橫交織而成，用了4.2萬噸鋼，通過300公里長焊縫連接。“水立方”結(jié)構(gòu)形式是基于泡沫理論，從14面體和12面體組合切割而成的多面體鋼架結(jié)構(gòu)，邊長177米，高度30米，屋蓋厚度7.2米，墻體厚度3.5米和5.9米，整個結(jié)構(gòu)由29979根構(gòu)件和9309個節(jié)點組成，用鋼量約7000噸，通過100公里長焊縫連接起來。
　　施工過程體現(xiàn)“時空”變化
　　對一個大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)而言，往往有多種可供選擇的施工方法，每一種施工方法都有其自身的特點和不同的適用范圍，施工方法選擇的合理與否將直接影響到工程質(zhì)量、施工進度、施工成本等技術(shù)經(jīng)濟指標。
　　近年來，通過大量工程實踐和磨煉，我國大跨度空間結(jié)構(gòu)施工技術(shù)有了巨大進步。“折疊展開”施工技術(shù)是一項充分體現(xiàn)大跨度空間結(jié)構(gòu)建造過程“時空”變化的建造方法。它是把大型結(jié)構(gòu)變成一種可以運動的機構(gòu)，首先在接近地面位置上“折疊”組裝，然后提升并逐漸展開，施工中外形不斷地發(fā)生改變，直至達到設計要求的形狀。這種方法類似人們使用的折疊傘打開的過程。“累積滑移”施工技術(shù)在許多大型工程中得到應用，雙向張弦梁結(jié)構(gòu)的國家體育館就采用了“帶索累積滑移、雙向預應力對稱張拉”的技術(shù)方案。120米跨度雙向魚腹式空間鋼桁架的五棵松體育館也采用了高空累積滑移技術(shù)。“水立方”則采取以組合為輔、散裝為主的安裝方法，構(gòu)件與空心球組合成形如一根“棒棒糖”，再以空心球為中心，將與該球相連的下部桿件吊裝到位，形成“多桿頂球”的狀態(tài)，焊接組成一個個多面體，這些多面體則是外面“充氣枕”膜的支撐骨架。“鳥巢”的構(gòu)件大且重，桁架柱采用“臥拼法”，主桁架采用“平拼法”，大噸位單元的吊裝和“翻身”、扭曲構(gòu)件高空精確對接和焊接均是巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。大跨度空間結(jié)構(gòu)安裝中具有很強的空間性、關(guān)聯(lián)性，任何一個構(gòu)件安裝位置的不準確，將導致其他構(gòu)件難以安裝。
　　信息化技術(shù)需要創(chuàng)新
　　隨著計算機技術(shù)、信息化技術(shù)和先進數(shù)控設備的應用，空間鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品需要信息技術(shù)、設計技術(shù)、制造技術(shù)、管理技術(shù)的綜合應用，提高生產(chǎn)效率和實現(xiàn)定制化目標，從而提高空間鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的創(chuàng)新能力和管理水平。鋼結(jié)構(gòu)CAD設計與CAM制造技術(shù)屬于計算機輔助制造技術(shù)范疇，包括整體三維實體建模，桿件和板材的優(yōu)化下料，鋼管相貫節(jié)點和各類異型節(jié)點的設計、分析、制造等。
　　工程的不斷大型化，使結(jié)構(gòu)施工階段的安全問題日益突出。有些工程在結(jié)構(gòu)施工過程中的受力狀況完全不同于使用階段，甚至有些工程的結(jié)構(gòu)最不利受力階段出現(xiàn)在施工期間。鋼結(jié)構(gòu)施工安裝仿真技術(shù)主要包括五個方面：大型構(gòu)件的吊裝過程仿真；施工過程各階段各工況仿真模擬；結(jié)構(gòu)安裝的預變形技術(shù)，包括構(gòu)件的起拱與預變位；最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)安裝完成后的正確幾何位置；結(jié)構(gòu)構(gòu)件的預拼裝模擬；卸載過程模擬。通過仿真計算分析，能預先充分發(fā)現(xiàn)施工過程中的薄弱環(huán)節(jié)和重點控制部位，能直觀實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)整個施工過程的控制并最終實現(xiàn)正確的形狀尺寸。
　　隨著工程實踐的大量增加，我們的科技人員必將進一步研制開發(fā)出適應我國大跨空間鋼結(jié)構(gòu)需要的新體系、新技術(shù)、新材料，更充分地體現(xiàn)大跨度空間結(jié)構(gòu)的先進性、經(jīng)濟性與合理性，促使我國大跨空間鋼結(jié)構(gòu)積極、健康發(fā)展。