大跨度空間鋼結構施工的質量控制研究

唐國鋒，羅小斌，田瀲全，張 凡（廣東鼎耀工程技術有限公司，廣東 佛山 528200）

0 引言

在經濟、文化飛速發展和城市化建設進程日益推進的背景下，越來越多的高層、超高層、大跨度建筑在城市中心聳立，而這些高層、超高層、大跨度等大型建筑物的建造技術水平往往是一個國家建筑科學技術水平的重要標志之一。大跨度空間鋼結構工程作為大型公共建筑是城市整體規劃的一部分,也代表了該地區的形象定位及經濟發展，由此突顯出該類建筑的重要性。由于大跨度空間鋼結構公共建筑越來越追求公共安全性和美學觀賞性，出現了外立面復雜、鋼節點變化大、拼裝精度要求高、施工吊裝難度大等一系列建造難題。為此，筆者以廣東省佛山市南海區體育中心（以下簡稱“體育中心”）工程為例，研究分析大跨度空間鋼結構建造過程的質量控制方法，以及對施工安全、工程質量、材料成本和建造工期的影響，以期對研究相類似工程的質量控制方法具有一定的指導意義。

1 大跨度空間鋼結構建筑工程的特點

1.1 鋼結構桿件、節點類型復雜多樣化

體育中心大跨度鋼結構工程由幾萬余件的鋼構件主結構、次結構等桿件組成（見圖 1），桁架桿件、節點類型復雜多樣，鋼柱多為斜柱，柱腳處為向心關節軸承及抗震球支座節點，屋面桁架為曲面結構。由于構造較復雜、投影面積大、施工工序多、鋼結構工程桿件多等，連接處的安裝精度極高，安裝質量難以控制，必須要對極為復雜的桿件和節點進行定位質量控制，并對對接的鋼構桿件進行深化設計。同時，在構件制作、散件運輸和鋼構件安裝時，考慮到材料特性、受力狀態和外界溫度等因素的影響，桿件的加工精度極高，對其加工工效造成嚴重影響。鑒于構件加工精度公差的匹配性和互換性，需要以較高的研究方法來嚴格控制大跨度空間鋼結構的整體質量。

圖1 體育中心部分鋼結構桿件、節點類型示意圖

1.2 現場拼裝焊接難度大、焊接工作量大

在體育中心鋼結構中，大部分桿件相貫線多、桿件夾角小，還有大量的異型構件和彎扭構件，拼裝難度極大；桿件以工廠加工為主，然后散件運輸到施工現場，再由施工單位現場進行組裝焊接，焊接工作量非常大。施工現場組裝焊接主要使用對接焊接和桁架焊接，對接焊接主要有支撐柱的焊接和桁架的焊接，對弦桿與腹桿進行組裝式的焊接。在焊接過程中必須采用平焊、橫焊、立焊、角焊等多種焊縫方式進行綜合作業，才能保證鋼結構桿件的拼裝完整，也因此加重了焊接的難度，增大了焊接的工作量；而且這種全方位的焊接模式容易對鋼結構桿件產生焊接應力，并影響到大跨度空間鋼結構的施工安全和使用壽命。因此，控制焊接應力與焊接變形是該工程的質量控制要點。

1.3 跨度大、重量重，高空作業吊裝安全風險高

體育中心工程主要由 5 道環桁架及交叉桁架組成，東西方向長度為 220 m，南北方向長度約為 380 m。桁架最大懸挑長度為 14 m，單榀桁架最大跨度為 39.2 m，最大安裝高度為 36.9 m。由于桁架高度高、跨度大，在起吊過程中容易受到風荷載等外界環境因素的影響，給施工安全帶來較大的隱患，因而必須采取安全可靠的措施。本工程分段桁架采用分段吊裝的方法進行高空對接安裝，在分段桁架吊裝之前必須分別在分段桁架的兩端各懸掛吊籃，以便工人站在吊籃中進行分段桁架的高空對接工作，因此必須嚴格計算分析各種外界影響因素，在控制吊裝施工過程質量的同時，確保高空作業的穩定性和安全性。

1.3 結構受力轉換卸載點多且面廣，同步卸載控制難

卸載鋼結構，不僅卸載鋼結構的臨時支撐，而且逐步轉換鋼結構體系的受力情況。在卸載過程中，鋼構件本身產生的內力和臨時支撐轉換引起的受力變化都會造成鋼構件的不規則應力變化，因而需要制定合理的卸載工藝和卸載順序來控制卸載過程質量。這是工程質量和施工安全的重要保障。體育中心屋蓋屬于大跨度鋼結構，屋蓋鋼管桁架面積較大，需要分區分段卸載，導致卸載點較多且面廣，各分區整體同步卸載難以控制。另外，多片區式的安裝、多樣式的組合焊接順序以及產生的殘余應力，往往會導致實際變形量偏離分析理論值，進而影響結構受力轉換完成后的工程質量。因此，先要考慮鋼結構的實際受力影響，再進行模擬分析與計算，以便對整體質量進行控制。

2 大跨度空間鋼結構施工的質量控制方法與應用

2.1 鋼結構桿件、節點的精度質量控制方法

體育中心工程大跨度空間鋼結構施工的質量控制方法不同于常規的鋼結構質量控制，本項目采用公差分析、仿真模擬、協同作業、以質保安的方式。其桿件及節點質量控制方法為：對鋼結構桁架桿件節點拼裝前進行公差分析，使用蒙地卡羅模擬仿真方法，分別從首尺寸和次尺寸加工公差范圍進行隨機取值，使用 BIM 建模進行n次的仿真模擬，計算出真實分布的目標尺寸值。蒙地卡羅仿真根據每個尺寸的實際分布，在建筑信息模型中生成相應的大量的偽隨機數后可以得到目標尺寸值，繼而生成目標尺寸的分布情況，這是對真實產品進行的一種虛擬裝配，也就是為將來在大跨度空間鋼結構施工中針對桁架桿件、節點等類型復雜多樣的構件可能發生的拼裝作業而進行的模擬拼裝。同時，管桁架跨度大、自重重，構件制作和散件運輸都會產生一定的變形量，構件也會因堆放、二次搬運、焊接過程等而產生誤差并積累一定的變形值。體育場桁架數量多且形狀尺寸多樣，加工時如果針對每榀桁架單獨制定加工對策，加工進度將非常緩慢，要根據正態分布概率適當確認公差零件精度，用以保證在控制桿件的質量同時降低加工成本。在桁架安裝前需對桿件尺寸進行檢驗測量，確認是否達到施工現場整體拼裝的精度要求，再并進行試拼裝，找出影響拼裝質量的各個因素。同時，將這些因素進行分類，有側重點的進行品質管控，從而來保證鋼結構件吊裝就位的準確性和快捷性。

2.2 大跨度空間鋼結構焊接的質量控制方法

在鋼結構施工處理過程中，焊接工序非常關鍵，尤其是大型鋼架構建筑鋼材的焊接，其工藝要求非常嚴格[1]。焊接前應對各桿件的變形進行校正，以保證組裝符合蒙地卡羅仿真公差分析表的要求，校正完成后方可進行焊接。焊接中應實時監測鋼結構的標高、水平度和垂直度，一旦發現有異常情況，應立即暫停作業，并采取糾正措施改變焊接順序，并可對桿件采取加熱校正等特殊處理方法。組裝焊也應根據焊接的累積變形制定合理的焊接工藝，可采取適度的反焊接變形來消除焊接變形。對于焊接中出現的焊接殘余應力，可采用錘擊法加以消除或減小，以滿足焊接過程的質量要求。為了控制焊接的變形量，焊接時要嚴格按照對稱施焊的工藝要求，若鋼柱標高偏差在 1 cm 以內，可通過調整上段鋼構件的焊縫間隙進行糾偏；若鋼構件標高偏差大于 1 cm，應把偏差數值反饋到加工廠，加工廠根據偏差值適當調整上部鋼柱的加工長度。焊縫外觀檢查合格后，至少需要冷卻 24 h，使鋼構件的晶體組織穩定下來，隨后按規范要求采取超聲波等方法對焊縫進行無損檢測，并根據一級焊縫標準進行工藝評定和結果分級，對鋼結構焊接的質量進行整體控制。

2.3 大跨度空間鋼結構吊裝的質量控制方法

由于體育中心平面桁架的跨度過大，且結構形式復雜多變，變形往往發生在吊裝過程中。為了減小桁架吊裝過程中的變形，桁架吊裝時應采取多點吊裝方式，并采用平衡梁轉換受力方向，以保證桁架在吊裝過程中受力均勻，不會發生彎曲、扭曲等變形。臨時支撐應主要布置在交叉主桁架、鋼柱支撐及內側懸挑區域下方，以保證安裝質量和施工安全。吊裝前，應進行施工模擬分析，驗算構件在逐步吊裝過程中因重力作用而產生的內力和變形，總結位移量和應力值的變化規律，檢查構件是否在逐步施工過程中因內力較大而產生的，分析構件在工作條件的內部強度有關的累積因素是否會造成較大的安全風險。鑒于鋼結構有不可避免的垂直壓縮變形差異，必須進行質量仿真模擬來選擇相應的施工順序，并在每個施工階段對結構的不同高度位置保持不同的后期變形余量值進行質量控制。同時，需要優化因垂直變形差對構件施加的附加荷載，使其最小化；施工中對結構變形進行監測，并對模擬分析值和結構變形值進行校核，確定兩者是否相符，通過達到可預控、可調整的效果來控制吊裝質量。

2.4 大跨度空間鋼結構受力轉換卸載的質量控制方法

根據本工程鋼結構的特點，施工中要對鋼結構實施隨時吊裝、隨時支撐，屋面鋼結構桁架組裝后要逐步分級分段卸載。臨時支撐的卸載過程也是鋼結構體系受力狀態逐步轉換的過程。在卸載過程中，鋼構件的內部強度和臨時支撐的受力情況也會發生變化。臨時支撐和卸載要采用“現場監測、同步控制、分段分區，逐步卸荷”的方法，當臨時支撐卸載時，結構剛度發生變化，內力重新分配。為此，要對卸載過程進行有限元仿真模擬，按照施工設定的卸載順序，分析其在卸載過程中的變形與應力變化，通過控制其過程質量來保證結構的安全。施工現場要監測實際變形和理論分析值，在整個卸載過程中，結構總位移最大值為 46 mm，出現體育場北側端部大跨度區域，由于桁架最大跨度為 39.6 m，即便變形較大，其位移也能夠滿足設計要求跨度的 1/200，撓度也能夠滿足設計要求。在質量控制過程中，大跨度空間鋼結構臨時支撐體系被視為一個整體研究對象，采用BIM進行建模仿真模擬大跨度鋼結構工程的受力轉換卸載變形量和補償值調整，提高鋼結構整體的安裝質量，以保證施工過程的穩定性和安全性。以理論計算為依據，以變形和結構內力控制為核心，以測量控制為手段，以平穩過渡為目標，對臨時支撐卸載的方法進行質量控制；采取分區同步卸載和分段對稱卸載，并對卸載的過程進行仿真模擬和實時監控，從而達到施工安全性和穩定性的目的。

3 結語

綜上所述，本文以體育中心大跨度鋼結構工程為例，簡述了大跨度空間鋼結構施工的質量控制研究與應用，不僅有效地提升了大跨度空間鋼結構建筑的工程質量、施工安全、施工效率并產生了一定的經濟效益，而且對類似的工程質量控制方法提供了良好的工程經驗。在大跨度空間鋼結構的施工過程中，由于結構模式的多樣性和桿件的復雜性，項目的關鍵質量控制點并不完全相同。為了保證大跨度空間鋼結構的工程質量和施工安全，工程技術人員應當結合現場施工情況進行分析和總結，并結合云計算、大數據、無人機、VR 技術等新的科技手段進一步深入研究，從而為促進大跨度空間鋼結構建筑業的長遠發展做出應有的貢獻。