大跨度空間結構主要形式及施工方法概述

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摘要：本文闡述了大跨度空間結構的主要結構形式及其特點，包括網架結構、網殼結構、懸索結構、膜結構、薄殼結構五大主要結構形式，并介紹大跨度空間結構主要的施工方法和技術特點。

關鍵字：大跨度，空間結構，施工工藝

1 引言

隨著科技與經濟的發(fā)展，人們對結構有了越來越高的要求，結構的規(guī)模越來越大，形式也越來越復雜。大跨度空間結構是一類結構受力合理、剛度大、重量輕、桿件單一、制作安裝方便的空間結構體系,它具有良好受力性能、形體優(yōu)美，具有大空間的跨越能力，其良好的經濟性、安全性和實用性，使其成為我國發(fā)展最快的結構形式之一，近年來在大跨度、大柱網的公共和工業(yè)建筑中得到了廣泛應用。

2 主要結構形式

2.1 網架結構

由多根桿件按照某種規(guī)律的幾何圖形通過節(jié)點連接起來的空間結構稱之為網格結構,其中雙層或多層平板形網格結構稱為網架結構或網架。它通常是采用鋼管或型鋼材料制作而成。主要形式包括：（1）平面桁架系組成的網架結構；(2) 四角錐體組成的網架結構；(3) 三角錐組成的網架結構；(4) 六角錐體組成的網架結構。

網架結構的主要特點是空間工作,傳力途徑簡捷；重量輕、剛度大、抗震性能好；施工安裝簡便；網架桿件和節(jié)點便于定型化、商品化、可在工廠中成批生產,有利于提高生產效率；網架的平面布置靈活,屋蓋平整,有利于吊頂、安裝管道和設備；網架的建筑造型輕巧、美觀、大方,便于建筑處理和裝飾。

2.2 網殼結構

曲面形網格結構稱為網殼結構,有單層網殼和雙層網殼之分。網殼的用材主要有鋼網殼、木網殼、鋼筋混凝土網殼等。結構形式主要有球面網殼、雙曲面網殼、圓柱面網殼、雙曲拋物面網殼等。

網殼結構兼有桿系結構和薄殼結構的主要特性，桿件比較單一,受力比較合理；結構的剛度大、跨越能力大；可以用小型構件組裝成大型空間,小型構件和連接節(jié)點可以在工廠預制；安裝簡便,不需大型機具設備,綜合經濟指標較好；造型豐富多彩,不論是建筑平面還是空間曲面外形,都可根據創(chuàng)作要求任意選取。

2.3 膜結構

薄膜結構也稱為織物結構,是20 世紀中葉發(fā)展起來的一種新型大跨度空間結構形式。它以性能優(yōu)良的柔軟織物為材料,由膜內空氣壓力支承膜面,或利用柔性鋼索或剛性支承結構使膜產生一定的預張力,從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大空間的結構體系。主要結構形式有空氣支承膜結構、張拉式膜結構、骨架支承膜結構等。

膜結構主要特點是自重輕、跨度大；建筑造型自由豐富；施工方便；具有良好的經濟性和較高的安全性；透光性和自結性好；耐久性較差。

2.4 懸索結構

懸索結構是以能受拉的索作為基本承重構件,并將索按照一定規(guī)律布置所構成的一類結構體系,懸索屋蓋結構通常由懸索系統(tǒng),屋面系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)三個部分構成。結構形式主要包括：單向單層懸索結構、輻射式單層懸索結構、雙向單層懸索結構、單向雙層預應力懸索結構、輻射式預應力懸索結構、雙向雙層預應力懸索結構、預應力索網結構等。

懸索結構的受力特點是僅通過索的軸向拉伸來抵抗外荷載的作用,結構中不出現彎距和剪力效應,可充分利用鋼材的強度；懸索結構形式多樣,布置靈活,并能適應多種建筑平面；由于鋼索的自重很小,屋蓋結構較輕,安裝不需要大型起重設備,但懸索結構的分析設計理論與常規(guī)結構相比,比較復雜,限制了它的廣泛應用。

2.5 薄殼結構

建筑工程中的殼體結構多屬薄殼結構(學術上把滿足t/R≤1/20的殼體定義為薄殼)。薄殼結構按曲面形成可分為旋轉殼與移動殼；按建造材料分為鋼筋混凝土薄殼、磚薄殼、鋼薄殼和復合材料薄殼等。

殼體結構具有十分良好的承載性能,能以很小的厚度承受相當大的荷載。殼體結構的強度和剛度主要是利用了其幾何形狀的合理性,以材料直接受壓來代替彎曲內力,從而充分發(fā)揮材料的潛力。因此殼體結構是一種強度高、剛度大、材料省的即經濟又合理的結構形式。

3 大跨空間結構施工的常用方法

3.1 高空原位拼裝法

高空原位拼裝法是指把桿件和節(jié)點在結構設計位置直接進行拼裝，為了保證大跨度空間結構的安全性，結構往往要設置臨時支撐來改善結構的受力性能，等結構安裝完成以后再把臨時支撐卸載使結構達到設計狀態(tài)，設置臨時支撐結構使得高空原位拼裝法得到了非常廣泛的應用。

高空原位拼裝法是復雜大跨度空間結構施工安裝的基礎，其他的施工方法都是從此方法演變而來的。根據支撐的不同，高空原位拼裝法可以分為全支架安裝法(滿堂紅腳手架法)和胎架安裝法。全支架安裝法就是根據結構的曲面形狀和高度使用腳手架將結構在空中完成總拼的方法，它適用于高度和跨度都不是很大的“館”類結構，優(yōu)點是施工靈活、回收利用率高且易于控制坐標，缺點是使用腳手架的量比較大，施工過程中的不安全因素增多，比起后一種胎架安裝法來說偏不安全，但是較為經濟；胎架安裝法是根據結構特點設計一種類似腳手架的胎架結構作為建筑物的支撐體系來進行安裝。它適用于高度較高、跨度和自重比較大的大跨度空間“場”結構，優(yōu)點是胎架結構的形式多樣、施工安全以及坐標精確，缺點是由于回收利用率不高引起的浪費嚴重。

3.2 滑移就位法

滑移就位法就是指將分區(qū)桿件通過特定的軌道滑移至設計位置再拼接成整體的安裝方法。此種方法適合在施工場地不利的地區(qū)使用，所建造結構的建筑平面也多為規(guī)則的多邊形或開口的體育場館。運用此方法雖然可以縮短工期，使施工周期大大縮短，但也存在著一些難點，例如如何選取滑移軌道以及如何控制滑移速度等問題。

3.3 整體提升安裝法

整體提升安裝法是利用提升設備將結構提升至預想位置再進行安裝的一種方法，多用在單層或多層網殼的屋蓋結構施工中。此種施工方法最大的優(yōu)點就是可以節(jié)省大量的臨時支撐且工期相對較短，而相對應的施工難點就是對提升點的把握以及對所提升網殼結構的應力控制。整體提升安裝法是對空間原位拼裝法的補充，一般與其他幾種方法結合使用。

3.4 整體張拉法

整體張拉法是利用一定數目的液壓千斤頂將索同步張拉至合理標高的一種施工方法，特別適合應用于大型索膜結構安裝。這種施工方法的技術含量高，科學性較好，操作方便且易于控制，使工人的工作量和施工成本都有較為顯著的下降，所以在索膜結構的施工中使用這種柔性的施工方法是非常合理和可行的。

3.5 網殼結構外擴法

網殼結構外擴法是施工新技術之一，具體方法是先在地面上將結構中間部分網殼進行拼裝，提升到一定的高度之后再拼接四周一部分網殼，而后又將拼接好的網殼進行提升，如此反復直至網殼結構全部拼裝完畢為止。這種施工方法可以節(jié)省大量臨時支撐并且易于保證施工質量，由于大量的拼裝是在地面上進行的，所以安全性也是比較好的。鑒于以上優(yōu)點，網殼結構外擴法在大跨度空間鋼結構的施工中得到了越來越多的重視。

3.6 懸挑安裝法

懸挑安裝法就是先在地面拼接好小塊單元，直接利用起重設備將此單元吊裝至設計位置進行拼裝，它適用于小型的、結構形式不是很復雜的空間結構。懸挑安裝法可以減少臨時支撐的數目以達到降低造價的目的，但是安全性較差，施工質量不好保證，可能會產生較大的次應力。由于已安裝構件的穩(wěn)定性直接影響后面桿件的安裝，所以要求已安裝的結構單元是幾何不變體、有足夠的剛度且相對于設計位置來說基本沒有變形，這就要求結構在采用懸挑安裝法施工之前要對結構進行模擬分析，做好防護措施，消除不利影響。

4 結語

大跨度空間結構往往是衡量一個國家或地區(qū)建筑技術水平的重要標志。國內在大跨度空間結構的研究方面也有近40年的歷史,從網架、網殼到懸索結構都有相當數量的工程應用, 建造了一大批體育場館, 如北京亞運會各體育場館、天津市體育館、哈爾濱速滑館、2008 年北京奧運主會場等, 建成了多座大跨度機庫, 如首都機場機庫。但是國內的大跨度空間結構與國外相比還有差距。如跨度仍不大, 懸索結構發(fā)展較慢, 而薄膜結構、張拉整體結構等剛剛處于起步階段, 同時在建筑造型、結構構思等方面還比較單調。在施工技術方面，雖然常用的施工方法越來越成熟，但是隨著空間結構的形式越來越奇特，也迫切地需要一些新的安裝方法來解決這些難題。