复杂环境下大跨度钢结构施工关键技术分析

​​摘要​​：随着现代建筑技术的不断发展，大跨度钢结构在各类大型建筑中得到了广泛应用。然而，在复杂环境下进行大跨度钢结构施工面临着诸多挑战，如恶劣的地理条件、复杂的气象因素等。本文深入分析了复杂环境下大跨度钢结构施工的关键技术，包括施工方案的优化设计、构件的加工与运输、高空安装技术、焊接质量控制以及结构监测与安全保障等方面，旨在为大跨度钢结构在复杂环境下的顺利施工提供理论依据和技术参考。

一、引言

大跨度钢结构由于其具有空间开阔、造型美观等优点，被广泛应用于体育场馆、展览中心、机场等大型公共建筑。但在实际工程中，往往面临着复杂的环境条件，这些条件对钢结构的施工提出了更高的要求。复杂环境可能包括地形起伏较大的山区、强风区域的沿海地带、地震活跃区域以及存在地下溶洞等特殊地质条件的区域等。在这样的环境下施工，需要综合考虑多方面因素，运用合适的施工技术以确保工程质量、施工安全和进度要求。

二、复杂环境下大跨度钢结构施工的特点

（一）外部环境复杂多变

在复杂环境下，外部环境因素对施工的影响显著。例如，在强风地区，施工过程中的风荷载可能对钢结构的稳定性造成影响，同时也会影响高空作业的安全性。在地震活跃区域，需要考虑地震作用对钢结构连接节点和整体稳定性的影响，这就要求施工过程中采取特殊的抗震构造措施并精确控制施工质量。

（二）施工条件受限

复杂地形或特殊地质条件会限制施工场地的布置和大型机械的使用。比如在山区，施工场地狭窄，大型起重设备的进场和作业空间有限，可能需要对设备进行特殊选型和改装。同时，地下溶洞等特殊地质条件可能需要进行地基处理，增加了施工的复杂性和难度。

（三）对安全性和耐久性要求更高

由于大跨度钢结构一旦出现安全事故，后果不堪设想，加上复杂环境可能带来更多的威胁因素，所以其安全性要求更高。同时，在一些特殊环境下，如海边的高湿度和高盐雾环境，对钢结构的耐久性提出了严峻挑战，需要采取有效的防腐措施。

三、大跨度钢结构施工关键技术

（一）施工方案的优化设计

1.基于BIM技术的施工模拟

利用建筑信息模型（BIM）技术对大跨度钢结构的施工过程进行全真模拟。通过创建三维模型，可以直观地展示钢结构构件的安装顺序、空间位置关系以及施工过程中的力学性能变化。在模拟过程中，可以分析不同施工方案对结构受力的影响，例如在不同吊装顺序下结构的内力分布变化，从而优化施工方案，避免在施工过程中出现结构过度变形或应力集中等问题。

2.分阶段施工策略

根据大跨度钢结构的特点和复杂环境的影响，制定分阶段施工策略。例如，对于大跨度的空间网架结构，可以先进行单元拼装，然后将单元整体吊装就位。在施工过程中，分阶段进行结构的加固和检测，确保每个阶段的结构稳定性。对于处于强风区域的施工，先安装抗风能力较强的结构部分，如框架柱等，逐步构建起稳定的结构体系，再进行其他构件的安装。

（二）构件的加工与运输

1.精确加工技术

大跨度钢结构的构件加工精度要求极高。采用数控切割、自动焊接等先进加工技术，确保构件的尺寸精度和焊接质量。对于复杂形状的构件，如异形节点等，利用先进的三维建模和数控加工技术进行精确加工。在加工过程中，要严格控制钢材的质量，对钢材的化学成分、力学性能进行严格检测，确保符合设计要求。

2.运输方案优化

由于大跨度钢结构构件尺寸大、重量重，运输是一个关键问题。根据构件的尺寸和重量，选择合适的运输车辆和运输路线。对于超长、超宽构件，需要进行专门的运输方案设计，如进行分段运输，然后在施工现场进行拼接。在运输过程中，要采取有效的加固措施，防止构件发生变形或损坏。同时，要考虑到运输过程中的气象条件，如暴雨、大风等可能对运输安全造成的影响，合理安排运输时间。

（三）高空安装技术

1.大型起重设备的应用

对于大跨度钢结构的空中安装，大型起重设备是必不可少的。在复杂环境下，要选择合适的大型起重设备，如塔式起重机、履带起重机等，并根据施工现场的条件进行合理布置。对于在狭窄场地或高海拔地区的施工，可能需要采用特殊改装的起重设备，如增加起重臂的长度和起升高度，提高设备的起吊能力。在使用起重设备前，要进行严格的安全检查和性能测试，确保设备的安全可靠运行。

2.空中对接与定位技术

在高空安装钢结构构件时，空中对接与定位的精度直接影响结构的质量和稳定性。采用先进的定位技术，如激光定位、全站仪测量等，对构件的位置和姿态进行精确测量和控制。在构件对接过程中，要采用专用的对接工装和临时固定措施，确保构件连接的准确性。对于一些复杂的节点连接，如相贯节点、螺栓球节点等，要严格按照设计的连接顺序和工艺要求进行操作，保证连接的可靠性。

（四）焊接质量控制

1.焊接工艺评定

在焊接施工前，针对大跨度钢结构的钢材类型、厚度、接头形式等，进行焊接工艺评定。通过焊接工艺评定，确定合适的焊接工艺参数，如焊接电流、电压、焊接速度、焊接层数等，确保焊接质量符合相关标准要求。不同的钢材和接头形式可能需要不同的焊接工艺，如厚板焊接可能需要采用多层多道焊，以减少焊接残余应力和变形。

2.焊接工艺的实施与监督

在焊接施工过程中，严格按照焊接工艺评定的结果进行操作。焊工要具备相应的资质证书，严格按照焊接工艺参数进行焊接作业。同时，要加强焊接过程的监督，对焊接接头的质量进行外观检查和无损检测，如超声波检测、射线检测等。对于焊接缺陷，要及时进行修补处理，确保焊接接头的质量。

（五）结构监测与安全保障

1.施工过程中的结构监测

在大跨度钢结构施工过程中，建立完善的结构监测系统。通过在结构关键部位安装传感器，如应变片、位移传感器、加速度传感器等，实时监测结构的应力、变形、振动等力学性能参数。根据监测数据，及时发现结构在施工过程中的异常情况，如局部应力过大、变形超限等，并采取相应的措施进行调整和处理。同时，监测数据还可以为结构的优化设计和后续施工提供参考。

2.安全保障措施

制定完善的安全保障措施，确保施工人员和结构的安全。在施工现场设置安全警示标志，对施工人员进行安全教育培训，提高施工人员的安全意识。在高空作业时，要设置安全防护设施，如安全网、安全带等。对于在复杂地质条件下的施工，要采取有效的边坡支护、地基加固等措施，防止地基坍塌等安全事故的发生。

四、结论

复杂环境下的大跨度钢结构施工是一个复杂的系统工程，涉及到多个关键技术的综合应用。施工方案的优化设计是确保施工顺利进行的基础，通过BIM技术模拟和分阶段施工策略的制定，可以有效解决施工过程中的各种问题。构件的精确加工与合理运输是保证结构质量和安装精度的前提，先进的大型起重设备应用和精确的空中对接定位技术是实现高空安装的关键环节。焊接质量控制是保证结构整体性和稳定性的重要因素，必须严格进行焊接工艺评定和施工过程的监督。结构监测与安全保障措施贯穿于施工的全过程，能够及时发现并解决施工过程中的安全隐患，确保施工人员和结构的安全。通过对这些关键技术的深入研究和应用，可以提高大跨度钢结构在复杂环境下的施工质量和安全性，为我国大型建筑项目的发展提供有力的技术支持。

​​参考文献​​：

[1] 陈子杨.乔红 钢结构设计原理[M]. 科学出版社， 2018.

[2] 郭秀丽. 大跨度空间钢结构分析与概念设计[M]. 科学出版社， 2015.

[3] 沈雨欣. 钢结构制作与安装[M]. 中国建筑工业出版社， 2017.