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复杂钢结构施工关键技术攻关——北京市建筑工程研究院刘航博士成果介绍
2011-10-14
“复杂钢结构施工关键技术攻关”由北京市建筑工程研究院研究中心主
研发背景
近年来，随着新材料、新技术的突破性发展，各种大跨度或超高层复杂空间钢结构在世界各国得到了广泛应用，无论是在大型公共建筑、会馆，还是在体育场馆的建设中，为了满足充分利用空间和发挥建筑的功能性等方面的要求，都采用了大型、复杂的钢结构体系。以北京为例，除了目前已兴建的2008奥运大型体育场馆外，另外一些配套建筑，如中央电视台新台址、北京电视中心、首都机场新航站楼等，都采用了大型复杂的钢结构体系，其建筑跨度和高度都达到了前所未有的水平。
复杂钢结构通常采用复杂无固定模式的新型造型以及新型结构形式，有些还使用了预应力拉索，这就需要采用全新的结构分析技术与施工方法。由于结构体系较为复杂，这些大型钢结构在施工安装过程中的受力性能与正常使用状态有很大不同，不同的施工工艺和方法将显著影响结构的变形和受力性能。复杂钢结构在施工阶段所采用的预应力施工工艺、临时支撑体系、吊装方案、安装顺序以及构件现场管理等方面目前都存在需要解决的技术难题。如对于预应力钢结构，预应力拉索的张拉工艺和顺序将显著影响结构的受力性能和预应力的建立效果，必须找到解决这一共性问题的优化施工方法。
另外，在钢结构施工阶段，如何设置临时支撑体系也是一个问题。支撑体系过少过弱将导致不安全性，这类事故已屡见不鲜，但支撑体系过多将造成大量浪费，因此支撑体系的设置也是一个需要优化的问题，同时目前国内很多大型钢结构临时支撑的用钢量达到钢结构用钢量的10%，而自制临时支撑有时不考虑其通用性与经济性，无法应用于其他工程，造成了很大浪费，因此迫切需要开发出工具式临时支撑体系，以适应各种钢结构体系的施工。
目前国内大型复杂钢结构施工分析方法主要采用有限元分析方法与现场施工监测相结合，校核构件的实际状态，并与仿真结果进行对比，从而达到保证施工安全和经济的目的。但这种施工仿真技术在招投标阶段进行的较多，而一旦工程中标，还是按传统的施工方法施工，很少应用施工仿真的计算结果或方案，这主要是由于目前的施工仿真方法与工程实践仍有较大差距。
大型复杂钢结构的施工过程中，所涉及的构件、节点种类繁多，有时以数十万计，如何能实现从制造厂到工地堆放、到安装的有条不紊、井然有序，也是目前我国钢结构施工企业亟待解决的问题，否则，就难以胜任建造国际上超一流的大型钢结构。
为使复杂钢结构的施工安装达到安全、经济的统一，迫切需要解决好施工中存在的关键性问题。该课题即在这样的背景下提出。旨在通过研究，为当前首都乃至全国的钢结构建设提供技术支持，解决施工中所遇到的难题，提高钢结构的施工工艺和技术水平
主要创新点
课题主要创新性成果如下：
（1）1/10比例双向张弦桁架模型试验研究，成果直接用于指导工程施工；
以国家体育馆为原型，制作了1/10比例的双向预应力张弦桁架结构的缩尺试验模型，对试验模型进行了模拟张拉施工状态和在竖向荷载下的试验研究，对比了不同的张拉施工方案，分析了双向张弦桁架结构在竖向荷载下的受力和变形特点。
（2）1/10比例椭圆形弦支穹顶模型试验研究，成果直接用于指导工程施工；
以常州体育中心为原型，设计制作了1/10比例的椭圆形弦支穹顶缩尺试验模型，对试验模型进行了模拟张拉施工状态和在竖向荷载下的试验研究，对比了三种张拉施工方案，分析了椭圆形弦支穹顶结构在竖向荷载下的受力和变形特点。
（3）开发了基于ANSYS的预应力钢结构施工力学仿真软件，并在工程中应用；
以ANSYS有限元软件为平台，开发了针对大跨预应力钢结构的施工力学仿真软件。包括圆形弦支穹顶结构计算程序以及双向和单向张弦结构计算程序等。程序通过人机交互式输入的方法可实现结构快速建模、求解以及结果后处理等一系列功能。
（4） 开发了基于CATIA的复杂钢结构施工工艺仿真软件，并在工程中应用；
该系统可以在CATIA系统中自动和快速地生成整个建筑钢结构三维实体模型，建立了常用建筑钢材料的型材库，可根据施工的实际要求，通过施工路径的交互选择及编辑，生成钢结构施工过程仿真，并针对单体滑移和累积滑移这两种常用的施工工艺，分别开发专用的相应施工仿真程序，尽量减少用户的交互操作。
（5） 研制了复杂钢结构施工用成套工具式临时性支撑体系，并编制详细图集；
形成了一套完整的工具式临时支撑系统，整个系统包括梁式临时支撑系统与竖向临时支撑系统两部分。可满足构件分段吊装、分区或整体提升、分段或累积滑移等多种施工工法需要，支撑系统适用范围广，可重复使用。
（6） 研制了“进行构件吊装的支撑移位方法和支撑系统”（国家发明专利ZL200610000042.0）；
（7） 研制了“全自动步进式反力支座”（实用新型专利ZL200720190525.1）；
（8） 研发了“钢构件条形码管理系统”，实现软、硬件系统化集成，并在施工现场应用。
开发了一套能够在目前普遍使用的Windows XP系统环境下使用的专用软件，并配套了完善的硬件，包括手持终端、条形码打印机等。该套系统的采用，将大大缩短钢结构施工现场用工时间，提高工作效率，并大幅度减小出错率，将会取得事半功倍的效果。
社会经济效益
课题四个研究方向的成果都是目前钢结构施工中亟待解决的问题，课题在研究过程中以及在成果鉴定后，主要研究成果已在百余项工程中获得应用，取得了巨大的经济和社会效益。部分应用工程包括：
北京中石油大厦主中庭；北京凯晨广场中庭；青岛奥运帆船中心；上海源深体育馆；中国长春现代农业博览园展馆；国家体育馆；奥体中心训练馆；北京大学体育馆；安徽大学新校区体育馆；广东佛山世纪莲花体育场；奥运0829训练场；奥运工人体育场高空灯架；国家会议中心；奥体中心体育场；首都国际机场A380机库工程；东北师范大学体育馆；东方艺术中心；国航国内货运站工程；成都金沙遗址采光顶；全国农业展览馆新馆；东营黄河口模型试验厅；奥运羽毛球馆；北京北站改扩建工程；上海虹桥国际机场扩建工程；山东龙口南山金海岸会议中心；厦门国际会展中心二期展馆；涿州凌云机械厂职工活动中心；新中国国际展览中心工程；北京金融街F7/9工程；北京金融街F3办公楼工程；南京紫峰大厦；银川国际会展中心；广州南沙体育馆；重庆渝北体育馆；北京南站屋盖结构工程；广州新火车站工程；福州火车南站；长沙新火车站；徐州火车站等。
该项科技成果目前已成功推广应用超过百余个工程项目，取得了显著的社会和经济效益。作为新型的施工技术，该项成果具有很好的通用性，可以适用于各类复杂的钢结构工程，包括大跨空间结构或高层、超高层钢结构体系。
北京市建筑工程研究院简介
北京市建筑工程研究院成立于1956年，主要从事建筑结构、施工、机械、材料、防水、地基基础、监理、检测与司法鉴定和建筑节能等建筑工程应用技术及产品的研究与开发，是北京建工集团下属的一所多学科、综合性、技术开发型建筑科技企业，也是北京市重点科研院所之一，2000年正式转制成为高新技术企业，2010年转制为有限责任公司。
五十多年来，建筑工程研究院累计获得500余项科研成果，其中重大成果150余项；获得发明及实用新型专利100余项。近十几年来，完成国家、部、市级科研成果40余项，被建设部制定为十大新技术推广项目依托单位。建筑工程研究院现有职工232人，其中专业技术人员203人，拥有北京市突出贡献专家2位，在职教授级高级工程师11位，博士6人，硕士72人，是北京建工集团有限责任公司科技创新的龙头单位。
