空间钢结构的设计与施工技术

空间钢结构的设计与施工技术

姜孟龙

中国恩菲工程技术有限公司   山东烟台264000

摘要：空间钢结构以其独特的空间形态和高效的结构性能，在现代建筑中扮演着重要角色。设计技术涉及结构形式的选择、荷载分析、承载能力计算、连接方式设计以及抗震性能的考虑。施工技术则包括制作与预装配、现场安装与拼装、焊接与高强螺栓连接施工，以及质量控制与安全技术。这些技术的综合应用确保了空间钢结构的稳定性和安全性，同时也提高了施工效率和工程质量。

关键词：空间钢结构；设计技术；施工技术

引言

随着建筑技术的不断进步，空间钢结构因其独特的美学价值和结构优势，在现代建筑中得到了广泛应用。空间钢结构的设计与施工技术是确保其性能和安全性的关键。本文将探讨空间钢结构的设计技术，包括结构形式的选择、荷载分析、承载能力计算、连接方式设计以及抗震性能的考虑。

1. 空间钢结构概述

空间钢结构是现代建筑材料与结构形式之一，由于具有高强度、轻质、刚度好、塑性高等特点而被广泛地应用于各类建筑领域中。这类结构一般是用钢材制成的，它有多种形式，主要有网格结构、空间桁架结构以及薄壳结构。在设计空间钢结构时，通常需要考虑到结构的稳定性、耐用性以及与其他材料的兼容性等多个方面的因素，这使得设计过程变得更加复杂和精细。网格结构由于其经济实用、美观大方，常被应用在屋顶覆盖大跨度建筑中，例如体育馆、展览中心；由于空间桁架结构能够有效地承载大量的荷载，因此它经常被用于大型的公共设施和工业建筑中；但薄壳结构因其外形独特、材料消耗少而著称、适合要求外形美观、构造轻便的建筑物。从施工技术方面来看，空间钢结构施工一般都会涉及到高精度制作与安装，需要采用先进制作技术与精密施工设备进行。

2. 空间钢结构的设计技术

2.1 结构形式的选择

在进行空间钢结构设计时，选取适当的结构形式就是非常关键的一个环节，这种选取会对建筑物的功能、经济性以及美观性等方面产生直接的影响。选择结构形式主要根据建筑物使用情况、地理位置、经济预算和建筑物规范。如对要求大开间的体育馆、展览中心等一般选用空间桁架结构或者大跨度网架结构来适应无柱空间要求；但对更高建筑或需承受更大风载或雪载时，可选用框架--支撑结构或高强度钢框架系统。确定结构形式时还要考虑到材料可获取性及成本效益、施工方便快捷等因素。设计者还要采用先进的计算工具与模拟技术来优化结构，以保证其不但经济上可行而且在安全与耐久性上达到最佳性能。

2.2 荷载分析与承载能力计算

荷载分析在空间钢结构设计过程中处于核心地位，涉及建筑物需要承受静载与动载的精确预报与计算。设计者须考虑的因素有自重、使用荷载、风荷载、雪荷载、地震荷载和可能超载等。承载能力的计算依赖于这些荷载数据，目的是评估结构各组成部分的应力和形变以确保它们都处于规定的安全界限之内。这一般都要利用结构工程原理借助有限元分析软件，才能进行细致的计算。比如利用ANSYS或者SAP2000这类工具就能对复杂结构行为进行仿真并对其在各种加载情况下的表现进行评价。保证结构设计符合甚至超出有关建筑规范要求是确保建筑安全与功能性的根本。

2.3 连接方式的设计

就空间钢结构而言，其连接方式设计对于整体结构稳定性及安全性有着决定性的作用。常用连接方式有焊接、螺栓连接、铆接。在设计时，需要根据连接部位特点及受力情况，选择适当连接方式。焊接具有连续性好、施工简洁等优点，被广泛用于很多永久结构，螺栓连接由于具有安装拆卸方便、适应性强等特点，更普遍地用于临时结构或者需修复的结构。在连接设计中还要考虑材料力学性能，接头力学行为和施工可行性等。

2.4 抗震性能的考虑

抗震设计是空间钢结构设计的一个重要方面，尤其在地震频繁发生的区域。设计中必须充分考虑结构抗震等级与性能，以保证结构在地震中能保持完整与功能。其中一般涉及结构延性，刚度、强度、振动特性等综合评价问题。抗震设计常用手段有采用能量耗散装置，隔震系统及加强结构构件连接与细部设计等。比如隔震支座能够有效地隔断地震能量向上部结构的传递，耗能器能够吸收和耗散一部分地震能量以降低对主体结构造成的冲击。结构布局合理、材料选择恰当也是改善结构抗震性能关键。

3. 空间钢结构的施工技术

3.1 制作与预装配

空间钢结构制作及预装配工作是保证工程顺利实施的关键环节之一。制作阶段先按工程图纸对材料切割、成型、钻孔等加工。这类材料须按严格规范处理，才能保证最终构造出精确度高强度好的材料。下一步预装配阶段由工厂完成，这一过程包括各部件的暂时装配，旨在把结构部件运至现场装配之前提前发现和解决潜在问题。预装配既是对设计准确性的检验，也是保证现场安装时能对各个部位进行快速、精确的拼装。预装配技术还能有效地减少现场施工所需的时间，同时也能降低施工过程中的复杂性和整体成本。全过程需进行精细工艺控制及高效项目管理才能确保制作及预装配质量及效益。

3.2现场安装与拼装

现场安装和拼装阶段在空间钢结构施工过程中起着关键的作用。该阶段将事先处理过的钢结构部件运至施工现场按设计图纸及工程要求安装拼装。现场安装需先备牢基础，再用起重机械精确地把钢结构部件如梁柱桁架提升就位。拼装时，将结构部件暂时固定并调整到合适位置是关键，保证整体结构对位准确。另外在现场拼装过程中还要考虑天气等多种环境因素以保证施工的安全高效进行。整个安装过程应严格按照施工图纸及规范进行，与此同时施工团队还需拥有高技能及丰富的经验来迎接可能遇到的种种挑战。

3.3 焊接与高强螺栓连接施工

在空间钢结构施工过程中，焊接和高强螺栓联接是其关键技术。焊接是钢材经高温熔化结合而成的工艺，需要有较高技术精度与操作技能才能确保焊缝强度与耐久性。施工中常采用的焊接方法主要有电弧焊和气体保护焊，每一种焊接方法均具有具体的应用场景及优点。同时高强螺栓连接是常用的结构连接方式之一，其通过采用预拉力可控的高强度螺栓来达到紧固结构、传递力学性能等目的。高强螺栓连接安装速度快、可靠性强、非常适合大跨度，重载钢结构使用。施工中焊接与螺栓连接质量控制非常关键，必须经过严格检查与检测才能保证连接质量满足设计与安全要求。

3.4质量控制与安全技术

质量控制和安全技术对空间钢结构施工起着十分重要的作用。质量控制不仅包括对材料、组件以及连接件的检测，还包括对整个施工过程的监控，以确保每一个步骤都符合工程质量和安全标准。施工现场安全管理是预防事故发生的关键，它包括施工人员安全培训、安全设备正确使用和现场环境持续监测等。编制应急预案对保证施工安全至关重要，可以保证出现不可预见事件时能快速有效应对，将损失与影响降到最低。

结束语

空间钢结构的设计与施工技术是现代建筑领域的重要组成部分。通过科学的设计和精细的施工，空间钢结构不仅能够满足建筑的功能需求，还能够提升建筑的美学价值和环境适应性。未来，随着材料科学和工程技术的进一步发展，空间钢结构的设计与施工技术将更加成熟，为建筑行业的发展提供更加坚实的技术支持。

参考文献

[1]王鹏飞, 范帅昌, 齐建锋, 王炎, 常立群, 李克贞. 南水北调焦作纪念馆空间异形钢结构施工技术重难点分析[J]. 城市住宅, 2020, 27 (08): 196-197.

[2]石文井, 于建伟, 赵伟. BIM技术在超高层大型综合体钢结构设计与施工中的应用[J]. 施工技术, 2017, 46 (S2): 1240-1242.

[3]韩凌, 蒋晓洪, 周骁雄, 孙鹏. 大跨度空间钢结构楼面行走式塔式起重机施工技术[J]. 施工技术, 2016, 45 (11): 108-110+116.