关于大跨度空间钢结构施工控制的探讨

关于大跨度空间钢结构施工控制的探讨

李树根

中交二公局第三工程有限公司  陕西省西安市 710000

摘要：随着建筑行业的迅速发展，施工项目的质量问题日益突出。在大型展览中心、体育馆和影剧院等建筑工程中，大跨度的钢架建造技术已经得到了广泛的运用。在大跨度的建筑施工中，存在着施工工艺复杂，工序繁琐的问题。所以，施工企业必须全面了解大跨度空间结构每个步骤的施工技术，严格执行好它的施工过程，从而可以切实地提升工程建设的效率，确保工程的质量与安全。最后，从闭环控制，开环控制，以及自适应控制三个层次进行优化，提出了一种新的控制策略，以期为后续的设计与施工奠定理论与技术的理论与实践基础，从而促进大跨度空间钢架技术的健康、快速、平稳的发展。

关键词：钢结构 ；大跨度空间 ；施工控制

在建筑施工工艺日益完善的今天，在大型商场和大型体育馆等建筑物中，新型的施工工艺也在不断地被采用，特别是在一些大型的购物中心、体育场等建筑中，为了提升建筑的美感，更多地运用了现代化的建造技术。但是，在钢结构大跨度空间的施工过程中，也时常会出现一些安全事故，而这些安全事故的产生，主要是因为施工控制的不严格造成的。所以，公司一定要加强对工程的管理，把自己所能掌握的最重要的大跨度钢结构工程建设技术，以提升工程的美观与安全。

1 概述

大跨度空间钢结构的就地建造，即在工厂内对其进行加工和生产，并将其运送到现场后，利用多种施工工艺和方法，将分散的钢构件组装成为符合设计要求的、具备使用功能的最终空间结构的一个过程。在工程建设中，结构由不完全状态逐步过渡到完全状态。在施工全流程中，通常要经过永久支撑结构的建造、临时支撑体系的搭建、临时支撑体系的安装、临时支撑体系的拆除，直到可以使用为止。

从力学角度出发，建筑结构在施工中的受力分析，与真实工程不同，是一个不断变化（构件数目不断增加，其形状是不断变化的），载荷（载荷是不断变化的同时，其自身重量也是不断增大的），边界是不断变化的（永久和临时性的）。因此，在实际应用中，当遇到不完备的情况时，必须采用与以往不同的计算方式。

该工程在施工阶段，由于钢网架结构跨度大，其自身刚度低，稳定性差，需要依靠临时支撑体系的协同工作来保证其刚度与稳定性。而在安装好了主要构件之后，还需要拆卸暂时的支撑体系。什么时候，怎么拆？这是一个技术难题，需要在施工过程中加以解决。为了确保永久性构筑物和临时支承体系的安全和稳定性，必须制定合理的拆除方案。

设计给出的设计图纸都是在结构成形（完整状态）时的线形，在施工时，不完善结构的线形是什么样子，其内力状况是什么样的，在施工的时候，一定要弄清楚，不然，在完成了建筑的时候，就无法达到设计所需要的状态。为此，应采用力学分析方法，对处于施工中期的结构进行合理的优化，以便对其进行预先的调整，使其满足设计要求。由于理论计算是基于对理想情况下的假定，因此，在建筑载荷的大小和位置，结构性能的假设（弹性模量、密度、截面特性），构件连接形式，支座的约束形式等方面，都会与理论分析有不同。这些不同之处，决定了在建筑过程中如何理解中期结构状况。因此，需要借助监控技术来监控结构的运行状况。我们应该采用哪些手段来进行监控，怎样监控，何时监控，都必须对此进行深入的调查。在此基础上，提出了一种新的、科学的、可行的监控方法，以保证施工过程中的安全。

图1 钢结构网架

主要从两个角度展开：1)确保大跨空间钢结构的主梁和临时性支承系统的安全性和稳定性；2）确保主体主体及临时支承结构的安全性和稳定性。3)确保在施工期间，结构的各项工作状况都处于可控制的范围内，并最终实现了结构整体的工作状态，满足了设计的需要。

2 施工控制在大跨钢结构建设中的重要性

当前，伴随着大跨钢结构技术的持续发展，它的结构形式也越来越多，从最初的单层网格、平板网格、平面析架发展到了各种网壳、多层格架、三维析架等，这些形式多样、形式复杂的大跨钢结构形式也将其经济性、合理性和先进性表现得淋漓尽致。

然而，由于其数量众多、形式多样、形式多样，给工程施工带来了很大的困难。按照目前国内对钢结构工程施工控制的情况，尤其是对大跨钢结构的施工控制，与实际情况有很大的不同，导致当前大跨钢结构工程的发展与其施工控制的发展之间存在着很大的不协调。在大跨钢结构工程建设中，由于缺少对其进行有效的管理，致使其在工程建设中频频发生各类质量问题，严重影响了工程建设的正常进行。为此，要对钢结构的性能及设计状况进行全面的认识，选择合理的施工方法，实时监控施工条件，严格检查结构安全性，同时，通过对大跨度钢架的施工过程的监控，可以使大跨度钢架的施工质量得到有效保证。因此，无论是从安全的角度来看，还是从工程的角度来看，在工程的建设过程中，对工程的管理和管理都起着举足轻重的作用。

3 大跨度钢结构施工技术特点

与其他方法比较，大跨度空间钢架的建造方法有很多优越性。

(1)大跨度的空间具有多种形态，主要是与特定的建筑物需要相联系，可以更好地适应不同的建筑物需要。比如，在北京奥运羽毛球场地建设中，就采用了一种大跨的钢架，并在其内部嵌入了一种新型的发泡体，从而体现了其多样化、独特的特点，也体现了其设计理念。

(2)大跨空间钢结构更加牢固，由于对房屋质量的要求越来越高，所以在建造大跨空间钢结构时，一般都会采用比较坚硬的钢板，这样既能提高房屋的稳定性，又能保证房屋的安全。而大跨钢结构由于其结构的复杂性，在施工过程中不可避免地要采用各种不同的构件，从而增加了设计的难度。例如，在大型工程建设中，如体育馆、展览馆等，往往会出现多道工序，增加钢结构的复杂度。

(3)大跨空间钢架是一种高精密的建筑物，在施工时，所采用的构件种类很多，所以，为了确保它能满足工程的需要，就需要对它进行检测。另外，由于大跨钢结构在建造过程中，对材料的焊接、安装等有很高的要求，所以在建造过程中必须保证其精度。

(4)当代大跨度空间钢结构，其节点形态日趋复杂化，当前大多以仿生建造为主体，为了满足建筑物的外观需要，可以采用多种形式的接头，例如：锻压钢板接头、球形铰链接头等。

图2 大跨度空间钢结构

4 大跨度空间钢结构施工控制理论依据

在大跨空间钢结构施工中，施工材料、施工工艺和天气等都会对其施工质量产生很大的影响。因此，在钢筋混凝土框架工程的建设过程中，必须严格按照相关规范进行，并对其进行有效的控制。

4.1  现代控制理论

现代控制理论侧重于对状态空间的分析，通过公式计算，来控制各种形式的系统对象，所以，无论是单输入、单输出，还是多输入、多输出，都不会对其产生多大的影响。所以，若能将其与工程建设情况联系起来，做好状态方程式的编制工作，将会对工程建设有很好的指导作用。并且，该方法在运用时，无需人工判断，可以避免各种错误。为此，将现代的技术方法应用于工程建设中，收到了良好的成效。

4.2  经典控制理论

针对这一情况，文章以“简单方程”为基础，给出了一种新的结构优化方案。传统的控制方法所采用的控制目标比较单一，不能将多种影响因素有效地结合起来，从而增加了工程建设的难度。同时，由于其运作模式相对简单，已无法适应现代社会的建设需求，也正逐步被淘汰。在当前的工程建设中，由于对其他控制理论的不断创新与完善，使其逐渐被人们所忽视。

4.3  智能控制理论

智能控制理论一种可以模拟人的思维方式，是一种近代的思维方式，而且它所运用的思维方式都是从自动控制和其它一些智能领域中衍生出来的。此外，智能控制理论还涵盖了更广泛的控制目标，不管是已开发的工程，还是尚未开发的工程，都可以利用人工智能降低不确定因素的干扰，从而避免出现错误和偏差，从而推动工程建设的顺利进行。

5 大跨度空间钢结构的施工技术分析

5.1  高空散装技术

在大跨度钢架建筑工程中，采用了一种最普遍的方法——高空作业。(1)在预定地点设置一个脚手架或一个暂时设置的托架；(2)使用吊装装置，将钢架上的零散部件吊装到部件的设计位置，然后在支撑上进行组装。通常来说，高海拔组装技术并不需要使用任何的吊装装置就可以实现完整的组装过程，但是因为这种技术主要是在高海拔进行的，所以会有大量的零散零件，从而增加了出现错误的概率。为了降低误差，建筑公司在装配过程中必须遵循一个合理的装配程序，并且在装配过程中要对装配过程中的轴心和高程进行严格的控制。另外，在高海拔下，当支撑数量多时，对支撑结构的刚度、强度和稳定性提出了更高的要求，故必须采用高海拔下的锚固技术。

5.2  分段吊装技术

所谓分段吊装，就是由建筑工人将钢架部件逐个地吊装到空中进行装配，而且在吊装过程中，也要根据起重设备的实际起重能力来进行。在进行分段吊装的时候，还需要建立临时支撑，再利用起重设备将其分块吊到所要安装的地方，并利用高空散装技术进行最终组装。

同时，在施工过程中，部分焊接工作可以在地面上进行，从而降低了工程损失，增加了施工的安全、稳定以及施工的质量。要强调的是，为了加强整个钢架的稳定，块和条状的部件应该具有同样的刚性和稳定性，如果不是这样，就应该用加强的方法来固定。

5.3  整体顶升技术

整体吊装技术是指在地面上进行全部的施工，然后将施工好的施工构件吊装到预定的施工地点，其施工过程是：

(1)按照大楼的具体建设进度，在地上进行结构顶棚的组装；

(2)利用吊车，将组装好的部件吊至指定的位置。全顶板技术由于其作业程序简便、劳动强度小，经常用于大跨空间结构的点式支承（即在站台大厅建造顶部）。然而，若以吊杆体系为基础，则建设单位亦须对其基础结构的稳定性进行检验，以确保所建结构的稳定性及持久性。

5.4  高空滑移技术

高空作业是指将装配好的零件，在空中沿导轨滑行至指定的装配地点。

(1)在预定的高度上，在预定的地点安装组装平台；

(2)把钢架部件划分成几个装配单位，并做好滑动导轨的装配；

(3)将组装好的部件通过导轨滑动到组装台上，进行组装。在高空滑动技术中，不需要安装更大的组装平台和使用更大的吊装装置，仅需要搭建一个简易的支撑体系，从而缩短了在空中进行作业的过程，同时还可以降低施工费用，提高了建设项目的安全和稳定程度。所以，在教堂和剧院等大型建筑中，可以使用高空滑移，但是在建设时，需要对高空滑移进行同步控制，但是，这种同步控制的程序比较繁琐，而且很难实施，从而增加了项目的难度。

6 大跨度空间钢结构的施工方法

在大跨度空间钢结构项目中，存在着多种不确定性，因此，项目应采用科学的管理方法和技术，以避免此类风险。目前在大跨空间钢结构工程建设中所使用的传统的控制方法，其计算依据是基于简明的方程，使用了简明的施工程序；而近代的控制理论以方程式操作为主，其构造更加严谨；智能控制论是一种对人的行为的仿真，其误差概率极低，是当前最先进和最科学的对建筑物进行控制的手段。

6.1  大跨度空间钢结构的开环施工控制

开环控制是工程建设过程中发展最快、发展最快、比较成熟的一种工程建设过程控制方式，因而在工程建设过程中得到了普遍应用。然而，目前的开环系统对工程建设的需求很高，且在工程建设中也有很多不足之处，目前的开环系统主要是基于传统的控制方法，即单纯的泛函方法。采用开环控制法对大跨空间钢结构的施工工艺进行了单一的控制，如果不能很好地将其与工程实践相融合。针对这一问题，在工程建设工程中，应该采取开环的方式。

6.2  大跨度空间钢结构的闭环施工控制

为了更好地适应现代工程建设的需要，同时也为了更好地解决当前工程中存在的开环式控制难以实现的难题，一种全新的闭环控制方法是近年来国内外专家在实践中不断摸索与创新的结果。闭环系统在大型、大跨度和空间钢结构等复杂结构中的应用，由于闭环系统具有逆向运行特性，其应用前景非常显著。

从而可以对正向运行的正确性和精确性进行有效的检验，从而降低了工程中出现的安全隐患，提升了工程质量。另外，本项目提出的闭环控制与反馈机制，可以实现对工程过程的精准调控，提高了施工过程中发生差错的几率，在此基础上，进一步完善了项目的整体建设，保证了项目的整体进度和进度。

6.3  大跨度空间钢结构施工自适应控制

目前，大跨空间结构建造过程中，多数都是通过反复的反复计算，对体系进行高效的“磨合”，从而达到“适应性”。同时，它也可以与工程实践中的工程资料相比较，为钢架的设计提供最优的参数。而由于其具有很低的计算精度，因此在建设单位中受到普遍欢迎，是目前建设单位中最先进、最科学的建设控制方法。在过去的大跨空间钢结构的建造中，由于每一次的计算都是采用一个近似的数值，造成了很大的偏差，该方法能有效地克服上述问题，改善施工质量。

在构造钢结构的过程中，必须对截面宽度和材料的承载力做一定的数学计算，起初，这些误差并不会很显著，但是，当工程进行到一定的阶段时，它们就会逐渐暴露出来，这给项目的建设带来了很大的困难。相较闭环和开环，它具有更高的精度，是一种适用于智能控制的新思路。但是，在实际的施工过程中，公司还应该关注到，在使用这种控制方法时，对整个施工过程中产生的影响，但是因为人工的原因，是因为人工的原因，所以会对计算结果的精度造成一定的影响，所以在施工过程中，应该尽可能地对人工的影响进行量化。

7 结束语

我国的建筑正处在科学技术的快速发展和不断变化的过程中，大跨钢框架结构在我国已经被广泛使用。对于这一技术的运用，有关建设单位应该进行更多的探讨，引入更多的技术人员，提高其施工工艺。与此同时，有关的设计和技术人员应该根据目前的建设情况，对大跨空间钢结构进行深入的研究和分析，本论文主要是针对大跨度空间钢架的施工工艺展开的。我们认为，经过我们的不懈努力，我们的钢架技术将得到进一步的提高，使其在建设中起到更大的作用。

参考文献：

[1]刘文贤.钢结构建筑大跨度空间施工控制措施[J].四川水泥,2020(09):102+104.

[2]丁奇. 大跨度空间钢结构施工全过程监测平台开发与控制应用[D].青岛理工大学,2018.

[3]石俊,朱海锋.钢结构建筑大跨度空间施工控制的探讨[J].建筑技术开发,2018,45(08):16-17.

[4]池小兰.大跨度空间钢结构施工技术与控制的研究[J].四川水泥,2017(06):238+268.

[5]刘常利.关于大跨度空间钢结构施工控制的探讨[J].江西建材,2016(09):63+65.