鋼結構工程的重點難點范文

導語：如何才能寫好一篇鋼結構工程的重點難點，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞：BIM技術；鋼結構工程；施工；應用

1.BIM技術概述

BIM是建筑信息模型（Building Information Modeling）的簡稱，它不是指某一款軟件，而是一個包含技術和管理的行業概念，軟件只是它的應用平臺。BIM實際上是通過數字化技術，建立一座虛擬建筑，它的實施是為業主提供設計、施工、銷售、運營等的專業化服務。

BIM技術實現：（1）三維設計、不同專業設計之間的信息共享、虛擬設計和智能設計，設計碰撞檢測、能耗分析、成本預測等。（2）建設項目施工階段工程進度、人力、材料、設備、成本和場地布置的動態集成管理及施工過程的可視化模擬，項目各參與方信息共享。（3）在計算機上執行建造過程，虛擬模型可在實際建造之前對工程項目的功能及可建造性等潛在問題進行預測，包括施工方法實驗、施工過程模擬及施工方案優化等。

2.BIM技術在鋼結構工程施工中的應用

2.1工程概況

以會議中心為例，根據本工程結構特點，鋼結構安裝工作配合土建施工進度進行安裝。以鋼結構安裝為主導線路，從地下室鋼結構預埋件安裝開始，主樓鋼結構的安裝從下到上連續進行，直至安裝屋頂部分鋼結構，完成所有構件的安裝，鋼結構安裝主要采用塔吊進行高空散件安裝。工程為鋼柱支撐鋼桁架而成，呈雛鷹形，建筑物結構復雜，并且外形尺寸較大，鋼構件分布較廣，空間坐標測控復雜，有些部位以及構件容易被遮擋，不容易進行觀測。

2.2施工重點難點的管理及實施方案

2.2.1施工關鍵技術、工藝

鋼結構制作技術：工程的構件主要有箱形鋼柱、鋼管柱、H型鋼構件、H型鋼桁架、鋼管桁架等，節點連接主要采用焊接和高強度螺栓連接。加工中的關鍵技術主要有箱形和H形構件的組對和變形控制、螺栓孔加工質量及精度控制、節點處的異形鋼板的下料切割質量和精度控制、點加工組裝的質量控制、高強螺栓連接的摩擦面加工質量控制、拋丸除銹及涂裝的質量控制、箱形和H型構件加工的焊接技術等。

2.2.2施工重點、難點

（1）深化設計難。深化設計直接關系著鋼構件的制作以及安裝。本工程結構復雜，構件繁多，深化設計時需用專業的鋼結構深化設計軟件進行三維空間建模，合理確定每個構件的分段方式以及每個連接節點的形式，準確計算每根構件的尺寸，保證結構體系的合理與穩定。只有進行合理的深化設計，才能保證構件的制作和安裝。所以，深化設計是工程一個重點、難點。

BIM技術在詳圖設計方面有多款軟件支持，其中比較優秀的是Tekla Structures別名Xsteel。Tekla Structures是Tekla公司出品的鋼結構詳圖設計軟件，Tekla Structures的功能包括3D實體結構模型與結構分析完全整合、3D鋼結構細部設計、專案管理、自動shop Drawing、BOM表自動產生系統等。鋼結構公司使用Tekla Structures創建一個三維BIM模型，詳圖設計人員可以在可視化界面中根據設計圖紙真實尺寸將鋼結構模型三維界面創建出來，建模過程中，設計人員就可以通過調整視角及時檢查建模過程中的錯誤，同時軟件也有碰撞檢查功能，可以提醒設計人員糾正錯誤。

建模過程包括兩部分：首先，根據結構施工圖建立軸線布置和搭建構建模型。保證BIM構件的定位和拼裝的精度。其次，對一些較為細小和復雜的節點進行布置。由于通常這些節點的布置具有規律性，因此可以編寫一個構件的插件，從而實現該類節點的自動布置。

（2）節點制作及安裝難。結構相似，都是由型鋼柱支撐鋼桁架而成，主要節點形式是H型鋼對接、厚板鋼柱對接、桿件連接等。多桿節點采用相關連接、節點板連接或鑄鋼節點，因桿件之間夾角小，焊縫多，焊接變形大，因此，節點焊接難，變形控制難，空間準確拼裝難。整個工程中，施工采用的柱一梁連接以及桁架結構大量采用高強螺栓臨時固定以及連接，因此螺栓孔的加工精度、摩擦面要求是本工程重點之一。

2.3 BIM建模后形成的效果

第一，鋼結構BIM三維實體建模出圖，其本質就是進行電腦預拼裝、實現真實的過程。首先，所有的鋼桿件、裝飾材料，節點連接、螺栓焊縫等信息都通過三維實體建模進入整體模型，該BIM三維實體模型與以后實際建造的建筑完全一致。其次，所有設計圖（包括布置圖、構件圖、零件圖等）均是利用三視圖原理投影生成，圖紙中所有尺寸，包括桿件長度、斷面尺寸、桿件相交角度等均是從三維實體模型上直接投影產生，完全實現電腦預拼。第二，通過建立實體模型，可以再模型中任意進行旋轉和查看材料屬性，并可以任意剖面，軟件并可以自動碰撞校核檢查，解決了結構與結構，結構與其他專業碰撞問題。

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1.1 建筑概況

南寧萬達茂項目位于南寧市五象新區，建成后將成為全球首個全天侯、全室內、全齡段、全家庭的主題樂園，為世界游客奉上一個“上下5000年桂文化”為內涵的超級玩具，從民俗民風、遠古傳說、歷史古跡、少數民族元素等廣西文化精粹中讓世界重新認識南寧，南寧萬達茂主題樂園建筑面積15.6萬m2，占地面積14.6萬m2，其中樂園屋蓋主要為空間鋼管桁架體系，外觀獨特，造型新穎，如孔雀開屏，如圖1所示。

1.2 結構概況

主題樂園地上結構包括鋼結構屋蓋，周邊環桁架，內部兩根鋼管-混凝土柱，周邊混凝土結構支撐柱組成，其中屋蓋部分為鋼管桁架體系，投影面積約2.5萬m2。主要由一榀縱向主桁架及11榀橫向次桁架組成，屋蓋鋼結構底部標高24.1m，頂部最高約33.58m，為中間凸起四周回落的弧形造型，屋蓋縱向最大跨度165.2m、橫向最大跨度148.5m，總用鋼量約3600t。如圖2所示。

屋蓋主次桁架均為倒三角管桁架形式，主桁架最高約9m、寬6m，總重約428t；次桁架最高約9m、寬5m，單榀最重約120t。次桁架頂部之間使用十字撐等拉桿連接固定。懸挑桁架懸挑約10m。主次桁架整體為弧形的倒三角圓鋼管桁架。桁架桿件截面尺寸最大為P1050×56mm，為主桁架下弦桿。大跨度倒三角管桁架是本項目一大特色，桁架的施工質量將直接影響本項目的外觀形象。

2施工重點、難點

2.1 管桁架的現場拼裝、安裝

管桁架結構“分段長、桿件多、規格大”，而且現場地面自然形成，條件復雜，積土水坑密集，樂園內地面南北高差達到10m，給拼裝的操作性、拼裝的穩定精確度增加了難度。同時，桁架“安裝位置高、構件重、跨度長”，主桁架長度達到165.2m，重達428t，次桁架長度達到148.5m，施工方法的合理性也直接影響了工程質量、施工進度、作業安全性及施工成本。如圖4所示。

2.2 管桁架的施工精度控制

管桁架施工精度主要從拼裝精度和安裝精度兩個方面控制，本工程的屋蓋桁架為主要受力單元，且為倒三角弧形桁架，管桁架縱、橫向縱向跨度大，牽一發而動全身，管桁架中每個節點都能影響到整榀桁架的安裝質量，且樂園內將安裝移動觀光熱氣球，將在桁架下弦桿安裝動荷載軌道，為了確保移動熱氣球移動安全可靠，在移動的時候不會與室內其他娛樂設施相碰撞，要求動荷載軌道的誤差在5 mm之內，所以確定管桁架的弧形預起拱值，控制管桁架的拼裝、安裝的精度是本項目的重點難點。

2.3 管桁架安全性的計算和監測

管桁架在拼裝、吊裝、卸載等情況下的受力狀況均與完工狀態有較大差別，要求對各過程中各階段進行結構的內力、穩定性、位移量做理論計算以確保整個安裝過程的結構安全性，及安裝的準確性。同時需同步進行現場監測工作，設置數據報警，以確保結構安全，監測過程中管桁架的反力及變形情況至關重要，也是施工中的重點。

3吊裝方案的選擇

主題樂園屋蓋荷載通過主次桁架及環桁架傳遞至周邊的混凝土結構支撐柱和樂園中部的兩根鋼管混凝土柱上，再向下傳遞至基礎，整個結構的傳力路徑清晰，因現場的混凝土部分結構已提前施工完成，所以桁架的施工方案可考慮累積滑移法、分段吊裝法及整段吊裝法。

3.1方案一累積滑移法

沿主桁架及混凝土結構支撐柱頂支座由南向北設置三條滑移軌道，中間的滑移軌道設置大量的軌道支撐。在滑移軌道南端端部設置拼裝支架及拼裝平臺。采用兩臺150t履帶吊作為吊裝的主要起重機械。主次桁架在南端地面拼裝成段，采用兩臺150t履帶吊吊裝到南側滑移平臺上組拼成主次桁架滑移單元由南向北進行累計滑移。如圖5所示，該方法：

3.1.1優點：大部分拼裝作業在在場外進行，受內部混凝土結構和拼裝場地影響小，施工速度快。

3.1.2缺點：使用設備機械較多，準備累計滑移周期較長，不利于施工進度。而且累計滑移受力復雜，頂進控制難度大，安裝技術要求高。

a累積滑移法滑軌布置

b桁架開始由南向北開始累計滑移

c桁架累計滑移結束

3.2方案二分段吊裝法

分段吊裝法進行安裝主要是對主次桁架結構進行分段，將主桁架兩個邊跨整段吊裝，中間跨分為兩段，共四個吊裝單元，僅主次桁架中間跨分段位置在吊裝時搭設臨時支撐；使用雙機抬吊的方法進行吊裝主桁架，將主桁架一側長度為80m的半榀次桁架分成兩段，11榀次桁架共44個吊裝單元，在80m的次桁架中間設置格構式臨時支撐作為支撐體系，桁架及桁架間的系桿檁條次序安裝。次桁架分成兩段后單機吊裝重量約35t，采用兩臺150t的履帶吊自北向南依次進行吊裝。該方法：

3.2.1優點：機械型號小，機械費用低，對稱施工，有利于結構穩定和結構受力；

3.2.2缺點：機械多，格構式臨時支撐多，人力物力投入量大，場地規劃相對較復雜。如圖6所示。

3.3方案三整段吊裝法

主桁架吊裝方法與方案二分段吊裝法相同，使用雙機抬吊吊裝；由于次桁架橫跨整個屋蓋長度大，其一端布置在側面混凝土柱頂的支座上，另一端布置在主桁架上，一榀次桁架整段自然分段成兩段，共22個吊次桁架，一個吊裝單元重量約60t，長度80m，安裝時采用300t履帶吊單機整段吊裝，一側一臺，可以保證單段次桁架整體一次吊裝到位，吊裝順序為自北向南依次吊裝，在場內南側設置6個拼裝胎架，履帶吊在南側拼裝胎架將80m次桁架吊起，保持次桁架離地面300mm左右，向北轉移，轉移至桁架安裝位置時，履帶吊旋轉次桁架，后向上抬高次桁架，安裝就位。履帶吊由南向北安裝次桁架，頻繁倒場。如圖7所示，該方法：

3.3.1優點：機械數量少，格構式臨時支撐少，減少了高空焊接工作量。利于穩定和結構受力，卸載方案簡單，場地規劃簡單，工期最快，人員投入較少；

3.3.2缺點：機械噸位大，且需頻繁轉場，組織難度大，不利于場地規劃和布置，單個拼裝單元長度長，對施工安全協作要求高，吊裝易產生結構變形。

我們從方案的技術特點、經濟性、工期進行分析，側重考慮主題樂園施工工期和施工成本，最終選定了第三種方案。

4管桁架現場安裝技術優化

4.1 場地布置

主題樂園場內無地下室，南側填土較厚，在南側場內具體地基處理為樁徑600mm、樁距1.6m的正三角布置水泥攪拌樁，北側場地新填土厚度較薄，南北土層高差達到10m，根據施工方案主題樂園場內有300t大型履帶吊吊裝作業，而且需要布置6個桁架拼裝胎架，為了滿足現場吊裝安全和拼裝精度的要求，我們在場內使用挖土機及壓路機挖平、壓實路面，達到場內無積水、南北高差不大于2m，東西高差不大于1m。

現場布置應滿足方便運輸，便于構件卸貨，并且對其他相關施工影響小。由于本工程右側與上側均與其他混凝土結構相連，其施工應結合混凝土施工的具體情況，因此在這兩側不便于布置構件堆場和拼裝場地，同時在構件吊裝的早期，可以根據需要在內部設置臨時拼裝場地，以減少構件的二次搬運，在場內沿著吊裝桁架方向平行設置四條吊車通道，主桁架兩側各設置兩條。在吊裝過程中選擇兩臺300t履帶吊分別布置在主桁架兩側進行安裝。履帶吊行走地面鋪設了30mm碎石墊層，并墊上路基箱，拼裝場地鋪設了15mm碎石墊層。如圖8所示。

4.2 大跨度倒三角桁架的拼裝

4.2.1拼裝胎架的設置

拼裝思路：主桁架高11m，寬6m；次桁架高約11m，寬5m。為保證安裝精度，采取地面搭設胎架拼裝平臺等高搭設作業，地面胎架使用H400×200×8×13型鋼作為底梁，H200×200×8×14作為主支撐立桿（節點位置），C10作為次支撐構件，材質為Q235在地面使用25t汽車吊配合胎架、構件就位，分段桁架拼裝完成后焊接，后整體履帶吊吊裝，搭設方式為如下（以主桁架搭設為例）：

4.2.2桁架拼裝“三點一線”原理

轉換外側木楔子固定為內側固定，起拱弦桿安裝以緊靠胎架定位立桿定位，保證弦桿起拱方向正確。

由于拼裝胎架內側限位立桿采用10號槽鋼，定位立桿為200×200×12×8的工字鋼，相對于槽鋼而言，工字鋼截面大，而且剛度大，在拼裝過程中，由于腹桿與弦桿是相貫口配合安裝，在弦桿安裝定位完成后，安裝水平腹桿，需要用撬棍敲擊定位水平腹桿，因此定位立桿剛度不足會對弦桿定位產生大的影響。對于弦桿內側定位改為外側定位，內側用木楔子進行限位固定。

圖10 現場內側用木楔子固定

管桁架在制作安裝前進行受力驗算，桁架下弦桿在制作時按照設計給出的進行起拱，對于大跨度桁架而言，起拱弧度在現場一般是無法用人眼觀察的，對此在安裝時確定安裝弧度正確，是非常重要的。

拼裝胎架如圖11所示，胎架下弦左側均為定位立桿，且保證所有定位立桿均在左側，右側立桿為限位立桿，所有下弦定位立桿在同一直線；在安裝起拱弦桿時，采用“三點一線”的原理，如若下弦桿安裝起拱方向錯誤，直接導致胎架定位立桿與桁架下弦桿之間存在間隙，對此現場直接可以觀察此部分間隙來判斷弦桿安裝是否正確，對于現場施工來說，大大提高了拼裝速度與質量。

上弦桿拼裝同樣利用此原理來拼裝，由于下弦桿有設計弧度，因此采取上弦外側定位，內側使用木楔子限位，在拼裝過程中，實時控制胎架精度，就可以完全清楚的控制弦桿安裝精度，進而控制桁架拼裝精度。用胎架定位立桿來限制上下弦桿的起拱方向對于大跨度桁架拼裝精度起到良好的作用，并且得到專家的一致認可。

4.2.3桁架拼裝的穩定性計算

根據支撐設計圖將支撐結構建立MIDAS GEN 模型，并采用有限元分析軟件MIDAS 8.35進行分析，通過模擬拼裝胎架受力，計算得出格構柱支撐設計結構簡圖、最大應力、變形值，進行驗算，并進行更改胎架最合適的材料規格。使用兩節點的桿件單元，兩節點為剛接來建立有限元模型，拼裝鋼梁與地面連接節點為剛性邊界條件，拼裝胎架與桁架連接節點設置為鉸接。

根據有限元分析計算分析調整后，驗算結果最大位移為2.17mm，項目22段拼裝次桁架進行測量、分析、統計，得出每段變形參數最大值與模擬分析結果基本一致。如圖13所示。

4.3 大跨度倒三角桁架的吊裝

大跨度倒三角桁架吊裝是一個動態的過程，與成型后的受力狀態不同，吊裝體系在外界荷載作用下為幾何可動體系。對本工程，由于倒三角桁架跨度大、自重大，吊裝過程復雜，單機一次性吊裝一個桁架單元，跨度達到80m，在全國范圍來說，十分罕見，在吊裝過程中應重點考慮：①吊點位置的選擇②吊裝的穩定性計算③吊裝吊耳及鋼絲繩的選擇。

4.3.1吊點位置的選擇

吊點的位置主要根據結構或構件的形式和重心，吊裝過程中多采用4點或6點的吊裝點，并在起吊過程中要保證結構在自重作用下保持平衡，考慮吊裝過程中的穩定性，一般吊繩與被吊構件存在一定夾角，且吊裝夾角以45°為最佳。

本項目中為保證吊裝桁架的強度及平面內、外穩定均滿足規范要求，使用midas對桁架進行建模，吊裝模擬分別為：①一段80m的桁架4個吊點吊裝②一段80m的桁架6個吊點吊裝。利用midas gen建模計算得出兩種方案的的變形，如圖14所示。

通過midas gen分析，兩種方案中單元節點不同方向的最大位移如表1所示。

桁架的擾度容許值為≤L/400，該工程單機吊裝桁架最大跨度為80m，則擾度值為200mm，由表可以看出，兩個方案均滿足要求，但是在Y方向，方案2弦桿變形值較大，在起吊時，桿件會發生平面外失穩現象，結構不安全，而方案1在起吊下均沒有桿件超應力和失穩。

4.3.2最大內力及穩定驗算對比（見表2）

由以上驗算可知桁架結構本身在方案1情況下起吊下均沒有桿件超應力及失穩，結構安全，但是在方案2的情況下起吊，桿件會發生平面外失穩現象，結構不安全。

4.3.3鋼絲繩的選擇

鋼絲繩最小破斷拉力計算公式：

，

反算直徑公式為：

D=

式中：F0 -鋼絲繩最小破斷拉力，KN；D -鋼絲繩公稱直徑，mm；R -鋼絲繩公稱抗拉強度；Mpa；K' -最小破斷拉力系數。

本工程主要采用6×7、6×19、6×37三種型號鋼絲繩，最小破斷拉力系數分別為0.359、0.356、0.356，抗拉強度均取1570Mpa。

由鋼結構分段重量以及鋼梁等輕型構件重量，按照40-72t以及四個吊點兩股鋼絲繩參與受力原則選取鋼絲繩型號。

最大重量單個桁架吊裝單元考慮為60t，單股受力180KN，安全系數取6，則單股受力1080KN。該重量段采用6×37型號鋼絲繩。

將單股受力代入公式得所需鋼絲繩直徑不小于43.96mm

由地上鋼結構工程量和以上分析，秉著經濟性原則，該重量段吊裝選取直徑為46mm，抗拉強度為1570Mpa，型號為6×37的鋼絲繩。

4.3.4捆綁吊裝

原吊裝方式為在桁架上弦桿焊接吊耳進行安裝，根據吊點模擬驗算計算書，若采用吊裝吊裝，對吊耳的規格和吊耳與桁架上弦桿之間的焊縫要求特別高，且桁架容易產生變形，所以桁架采用鋼絲繩捆綁式吊裝，使用長度均在20m左右的50號鋼絲繩長度，后配合使用50t手拉倒鏈進行調整桁架吊裝角度。

4.4 桁架安裝的應力應變監測

大跨度弧形倒三角管桁架的施工工藝復雜、施工環境（溫度、風環境等因素）多變，導致施工過程結構體系連續變化，同時單機吊裝80m長、60t重大跨度桁架的工作狀態不斷處于調控之中，整體結構的應力及變形過程處于時變之中。因此，吊裝施工過程中，為了考察施工過程中結構的變形和內力變化規律，在對結構進行施工全過程結構性能仿真計算的同時，必須在深入分析對結構成型狀態內力和變形的影響因素后，制定科學可行的施工控制方案，并對施工過程的內力和變形進行監測，確保結構內力和變形在施工過程中始終處于受控狀態。

因此，結構監測系統對整個吊裝過程中結構主體變形、受力部位應變、溫度、風力進行全面監測十分必要，選擇主桁架的上弦桿、下弦桿、腹桿作為應力監測構件，共11個監測點，現場監測如圖16所示。

5結語

本文詳細介紹了南寧萬達茂大跨度桁架施工中，弧形倒三角管桁架施工的三個方案選擇的具體過程，綜合對比后，選擇了桁架整段吊裝法，并對管桁架現場安裝技術措施進行優化，確保施工質量和施工安全，提高了施工效率 。

同時大跨度弧形倒三角桁架吊裝是一個動態的過程，吊裝過程復雜，并且單機吊裝桁架跨度達到80m，本文通過有限元軟件分析，選定了最佳的吊點方案，并利用現場應力應變監測，成功完成了桁架的吊裝。

項目以本工程鋼結構高質量的完成安裝為契機找出一條解決類似工程施工難題的安裝方法，為類似工程鋼結構安裝提供施工經驗，培養鍛煉一批有技術與管理能力的人才、為今后市場開拓和企業發展儲備資源。

（作者單位：中國建筑第二工程局有限公司深圳分公司）

【中圖分類號】