大跨度壳体空间结构施工关键技术

1许高攀 2纪盼盼

摘要：大跨度空间结构是国家建筑技术发展的重要体现，世界各国对于大跨度空间结构的研究都极为重视，都想通过大跨度的空间结构建筑展示自己国家的建筑科学技术水平。大跨度壳体空间结构在施工中需要根据结构特点采用关键技术，按照不同的建筑项目施工需求选择合适的技术进行应用，为了保证施工过程中能够安全可靠的加快施工进度，保证施工质量，需要对施工关键技术进行监管，针对可能出现的抗震、稳定性以及承载力问题进行分析，找到相应的解决办法，这样才能体现出大跨度壳体空间结构施工关键技术的重要性，也为之后的建筑技术发展提供了有效的参考依据。

关键词：大跨度壳体空间结构；形式特点；关键技术；问题策略

引言：我国的建筑技术在近些年的发展变化中正在以飞快的速度成长着，大跨度的建筑发展更是与国家经济有着密切的联系。大跨度壳体空间结构施工涉及到了许多复杂的结构样式，也需要选择更加合适的建筑材料，通过加强对关键技术的管理与监督，能有效提升技术应用效果，让大跨度壳体空间结构能够成为提升建筑技术的关键。发达国家大跨度壳体空间结构施工关键技术的研究相对较早，采用的施工关键技术也更为全面，我国建筑行业需要借鉴发达国家技术应用经验，找到更适合中国建筑结构风格的施工技术，以此来增强大跨度壳体空间结构施工建设效果，让我国的建筑技术可以得到进一步的发展。

一、大跨度壳体空间结构的主要形式特点

（一）大跨度壳体空间结构概述

壳体空间结构通常指的是层状的结构，其受力特点是外力作用于结构体表面，这一类的空间结构主要用于工业建筑设计方面。大跨度壳体空间结构具有很好的空间传力性能，能够通过较小的构件厚度形成承载力高、刚度大的承重结构，能够覆盖大跨度空间，维护结构稳定性，还能起到节约结构施工材料的作用。前提空间结构可以做成各种形状，可以按照建设工程的结构需求进行设计。工程结构中采用的壳体多为钢筋混凝土，也可用钢木石砖或者玻璃钢等材料做成，壳体的曲面是由直线或者曲线旋转而形成，能够根据建筑的使用需求与受力性能进行选择，壳体结构的种类很多，是大跨度空间结构中选择性较强的结构类型，能够用于大型建筑物的建设中，但此类空间结构存在相应的建设难点，在安装钢结构的时候误差不能超过两厘米，这样的精度要求是钢结构建筑发展历史中都未曾出现过的，大跨度壳体空间结构能够确保建筑的结构更加稳固，也能体现出我国的建筑技术正在蓬勃发展。

（二）大跨度壳体空间结构形式

大跨度壳体空间结构中需要运用的钢结构施工技术能够保证空间结构按照工程设计目标完成建设，通常采用此类空间结构需要加强关键技术的应用效果，例如在一些大型体育场馆的建设中，可以根据建筑造型与受力性能采用不同的钢结构施工技术，利用焊接与螺栓连接等方式让钢结构构件可以稳定连接。随着我国建筑技术的不断提升，大跨度壳体空间结构也成为了体育、文化、商业建筑中重要的结构设计方式，因此建筑设计与施工人员需要加强对施工关键技术的管理，要合理利用科学技术完成结构的设计与建设，让我国的建筑行业可以更加稳定的发展，为人民群众建设更多具有实用型与美观性的建筑[1]。

（三）大跨度壳体空间结构施工特点

壳体结构是由曲面形板与边缘构件组成的空间结构，常见于大跨度建筑物的顶盖或者中小跨度屋面板的施工中。壳体的曲面可以根据建筑的特殊需求形成复杂曲面，其所需的材料能够发挥出材料的力学性能，能在一定程度上节省材料成本，但相对壳体结构的施工也较为复杂，需要运用一系列关键技术才能完成建设，不是所有的建筑中都能运用壳体空间结构，因此壳体空间结构也就成为了特殊建筑结构中比较特别的存在，既能凸显出我国建筑技术的水平，也能满足社会建设发展的要求。

二、大跨度壳体空间结构施工关键技术

（一）构件散装技术

此项技术是将构件在设计位置进行散拼的施工技术，也常被称为原位拼装技术，构件散装技术能够有效降低钢构件的起重要求，适合运用在大跨度壳体空间结构的施工中。使用构件散装技术进行施工安装的时候，可以选择两种高空操作平台的搭设方法，一种是满堂脚手架的搭设，脚手架需要用到大量的材料进行支撑，因此搭设的时间较长，施工花费的成本也相对较高。另一种是滑移操作架，这种搭设方法能够有效缩短施工工期，能够提高施工建设的效率，具有安全稳定的特点，能够确保高空操作平台的安全性。只是滑移操作架也有一定的应用缺陷，需要在操作架的区域内保证构件的统一标高，还要在地面铺设轨道，因此滑移操作架需要根据实际的搭设情况选择使用扣件式钢管脚手架以及螺栓球网架结构，采用工字钢的轨道才能完成搭设。在建筑施工中运用满堂脚手架与滑移操作架的组合能够节省建设成本，为后期的结构施工提供保障，让建筑结构能按照预期设计完成建设，保证整体结构的安全性与稳定性。

（二）单元安装技术

在现代钢结构的施工中，普遍都会采用单元安装技术完成结构安装。单元安装技术指的是将建筑结构合理的分成几个单元，采用起重设备或者滑移机具将单元中需要用到的结构材料吊装或者滑移到指定设计位置，完成高空中的连接作业，使其可以完整的进行安装。单元安装技术的优点就在于能够让钢结构在地面完成拼接，减少了高空作业量，也在一定程度上提高了施工安全保障，尤其是大跨度壳体空间结构施工中更是需要运用此项技术，这样才能加快施工的进度，同时保证施工的质量与效率。壳体空间结构在大跨度建筑中的使用能够让建筑的造型与实用性得到一定程度的提升，单元安装技术可分成高空单元吊装技术，高空单元滑移技术，以及高空单元提升技术三种，都是大跨度壳体空间结构施工中需要用到的关键性技术，这类技术能够提升壳体空间结构施工与安装的速度，保证安装的效率，确保安装施工可以顺利进行。在采用高空单元吊装技术的时候，需要注意在划分吊装单元的过程中，要保证单元的是几何不变体系，起吊后的结构刚度与受力情况以及变形变化较小。吊装单元的施工量比较大，对于起重机的要求也非常高，因此在吊装单元施工中需要进行多次的坐标转换，还要选择合适的吊装场地完成高空吊装任务，这样才能加快建筑施工进度。高空吊装技术需要对吊点的位置与材料数量进行分析统计，还要从捆扎方式与吊绳尺度方面进行计算，确保吊装工作可以顺利完成[2]。高空单元滑移技术可以根据滑移轨迹分为平面直线滑移、平面曲线滑移以及空间曲线滑移三种，这些滑移技术使用的动力都不相同，但却能准确完成施工运输任务，把结构材料运送到指定的设计位置。应用高空单元滑移技术需要满足几个条件，施工对象要分成多个相似或者相同的单元，能够按照空间轨迹进行有序排列，所使用的的动力设备要相对简单，这样才能使用此类技术完成高空操作。单元安装技术中，还有一种高空单元提升技术，是利用提升装置，将已经拼装成形的结构单元运输到指定位置，然后进行安装的运输技术。采用此项技术能够减少高空作业量，既保证了施工的安全性，也能提高施工的质量与效率。根据实际的施工场地情况需要选择合适的提升装置，在进行结构单元提升时，要根据结构本身的重量与风载荷，以及地震载荷选择提升装置，在提升过程中还要防止提升单元发生偏心倾覆现象，因此需要设置侧向支护措施，确保提升过程中能够正确进行侧向引导，保证单元拼装的稳定性。

（三）整体安装技术

大跨度壳体空间结构施工中的整体安装技术是在指定的结构施工位置将结构组成整体，利用特殊的施工措施将结构整体进行移位，确保结构能够运送到指定设计位置，完成成套的结构安装任务。整体安装技术可以分成整体提升、整体吊装、整体滑移以及整体顶升技术，这些技术的运用不仅能加快施工建设进度，还能确保大跨度壳体空间结构的施工安全性与稳定性，发挥壳体结构的施工优势。整体提升技术是利用提升装置，将整体的结构单元进行提升运输，让结构单元能够在设计位置进行连接，快速完成施工要求。整体提升技术能够提高大跨度壳体空间结构施工的质量与施工效率，且具有一定的社会经济价值，采用集群千斤顶液压装置能够使得整体提升技术有进一步的效率保障，是近些年大跨度壳体空间结构施工中运用次数最多的结构整体安装技术。整体提升的能力是决定提升效率的关键，是大跨度壳体空间结构施工中需要重点推广的施工关键技术。整体吊装技术是由一台或者多台起重机进行吊装就位的施工技术，吊装的时候可以在高空进行平移或者旋转，让结构构件可以顺利抵达设计位置[3]。壳体空间结构中采用的钢结构施工技术能够在地面完成结构整体的焊接与拼装，然后采用整体吊装技术进行移动，这样能够减少高空作业的操作量，还能在一定程度上保障施工人员的操作安全。在进行整体吊装的时候需要对起重设备进行严格的检测，确保起重设备能够完成吊装任务，能够准确的进行吊装控制，完成结构构件的运送。整体滑移技术的原理与技术要点在于对滑移轨道的准确计算，整体滑移需要注意滑移单位的变形验算，确保结构构件能够在符合设计规范标准的基础上，进行施工安装，此项技术与高空单元滑移技术本质上基本相同，但构件的大小与连接存在一定的偏差，因此需要注意的关键点也有所不同。整体顶升技术是利用顶升装置，将地面或者楼面的组合结构进行顶升运送，并逐步完成安装的关键技术，顶升技术可以分为两种，一种是根据顶升基本原理结合提升技术进行的整体顶升施工，不同于提升技术，整体顶升采用的是顶升机构，且对于建筑结构高度的限制也比较容易克服。

（四）索力控制技术

索力控制技术是预应力钢结构设计与施工中的重要部分，索力状态能够决定整体的结构施工安全，为了保证结构的施工安全，就需要让拉索处于受控状态，这样才能合理的运用此项技术完成大跨度壳体空间结构施工任务。索的张拉会让拉索之间形成相互影响作用，每一次的张拉都会使得索力产生变化，导致结构索力偏离最初设计，形成索力失控现象。为了有效控制索力，需要采取相应的索力控制技术，以此来确保大跨度壳体空间结构施工的质量与效率，预应力钢结构施工中，索力的控制是保证施工质量的关键，因此索力控制技术也就成为了大跨度壳体空间结构施工中的关键技术。

三、大跨度壳体空间结构施工关键技术应用过程中存在的问题及解决策略

（一）大跨度壳体空间结构抗震隔震问题

大跨度壳体空间结构对于结构的整体要求较高，需要保证结构可以承受相应的地震作用，确保壳体结构在地震中能够保持结构稳定，不会出现大范围的破坏性倒塌问题。大跨度壳体空间结构施工需要运用的关键性技术有许多，在技术应用的过程中需要考虑到结构的稳定性问题，建筑结构需要具有极强的抗震与隔震能力，建筑施工人员需要研究地震力作用下的结构内应力与位移变化，通过数据分析的方式进行精准计算，这样才能确保壳体空间结构的稳定性。大跨度壳体空间结构施工关键技术需要有效解决建筑结构的抗震问题，要对结构进行极限承载力分析，确保壳体空间结构在遇到地震时，可以保持结构稳定，不会轻易发生变形，这样既能保证人员的安全，也能减少经济损失。壳体空间结构中运用的钢结构施工需要根据建筑结构的形态以及抗震要求增强关键技术的应用质量，让壳体结构施工可以保持稳定性特点，能够在一定程度上提升抗震能力。钢结构施工采用的连接方式主要是焊接与螺栓连接，这两项连接技术能够保证钢结构的稳定性，在进行焊接的时候要根据壳体空间结构的需求完成连接任务，这样才能保证建筑结构设计的科学合理性，能够起到抗震隔震的效果[4]。

（二）大跨度壳体空间结构建设稳定性问题

壳体空间结构在设计中需要进行稳定计算，研究好非线性迭代跟踪方法，针对壳体结构中的几何缺陷进行结构稳定施工，以此来保证结构的整体稳定。壳体钢结构施工是由中心环梁、梁架、斜撑和环向连杆等结构件组合而成，通过节点连接与壳体座落的钢筋混凝土环梁进行连接固定，形成具有稳定性特点的空间结构体系。壳体空间结构施工的难点在于壳体结构属于特殊几何形态，大跨度的壳体空间结构体型较为庞大，结构自身的变形较为复杂，极容易出现不稳定现象，因此需要强化施工技术的应用效果，采取特殊的关键技术完成结构吊装作业。壳体结构外形弧线上拱量较大，周边可退视距离较小，所以对于壳体的整体测量较为困难，无法保证结构建设的稳定性，大跨度壳体空间结构施工关键技术应当从保证结构稳定性的角度出发，加强技术的应用效果，在对结构件进行单元划分与吊装的时候能够根据建筑结构需求与实用性进行技术加强，让技术的应用效果得到进一步提升[5]。

（三）大跨度壳体空间结构承载力问题

为了解决空间结构的承载力问题，需要从壳体钢材选型与焊接工艺入手，壳体的钢材需要根据结构的受力性进行选择，材料的厚度与承载力是保证壳体受力性能可以良好发挥的关键。在进行钢结构焊接的时候，要选择合理的焊接方法，按照正确的焊接顺序和预热工艺进行结构连接，把焊接应力与焊接变形控制到最小程度，以此来确保壳体空间结构的承载力能够达到结构标准。大跨度壳体空间结构具有自重轻以及受力合理的优势，随着建筑技术的不断发展提升，钢结构施工技术能够在壳体结构施工中发挥优势特点，提高大跨度壳体空间结构的建设质量。大跨度壳体空间结构在设计阶段就需要考虑结构承载力问题，运用关键技术进行施工操作更是要重点关注承载力方面的建设，技术的运用是为了加快结构施工进度，针对壳体结构的技术应用能确保壳体空间结构更加稳定，提高结构的整体承载力，保证建筑结构的稳定安全，让这类型的建筑在具备美观优势的基础上也能提高使用价值。

结语

综上所述，大跨度壳体空间结构一般会应用于大型的公共建筑当中，结构施工技术的应用是在保证结构建设质量的前提下，解决结构施工问题，避免造成经济损失。大跨度壳体空间结构施工的关键技术需要针对抗震以及稳定性与承载力问题进行分析，要根据建筑的使用需求与整体结构设计加强技术应用效果，这样才能让大跨度壳体空间结构更加稳定，也能凸显出我国的建筑技术水平。壳体结构能够让建筑外形更加美观，因此在结构设计时不仅要考虑建筑实用性，还要满足建筑的艺术性要求，关键技术的应用能起到提升大跨度壳体空间结构施工质量的效果，也能让未来的建筑技术有进一步的提升。

参考文献

[1]王权,郭献忠,杨卿洪.大跨度壳体结构钢管施工支撑架有限元分析[J].中国水运(下半月),2023,23(01):28-30.

[2]李仲宏,何兆基,邓耀,胡银翔,周怀健.大型综合体育场馆建筑钢结构施工关键技术研究[J].中国建筑装饰装修,2022(20):149-151.

[3]赵志伟,宋月宝,樊培琴,刘瑞军,王东,郭凯丽.异形钢结构体育馆机电施工关键技术[J].安装,2022(S1):192-193.

[4]闫好虎.大跨度钢结构施工关键技术研究——以武威市体育场建设项目为例[J].冶金管理,2022(07):103-105.

[5]蔡大伟.大跨度壳体空间结构施工关键技术研究与实践.上海市.上海建工五建集团有限公司,2019-12-30.