【摘 要】  空间钢管桁架结构体系由于其优美的外观、合理的受力特点以及优越的经济性，成为近年来逐渐流行起来的钢结构设计形式，但同时也是给工程的具体施工带来了很大的难度和挑战，尤其是相贯连接的大跨度空间管桁架等结构形式，就更为复杂和困难，对施工技术的要求也就更高。为适应这种设计的趋势和要求，计算机技术开始逐步的应用到施工之中，并得到了不断的发展和更为广泛的运用，为钢结构的施工提供了很大的支持和帮助，起到越来越重要作用。兴安盟体育工程的钢结构屋面就是典型的大跨度相贯线连接空间曲面管桁架结构，本文以兴安盟体育馆为例，从杆件下料、桁架拼装、桁架安装和卸载等几方面，总结和介绍了如CAD设计、CAM制造技术和钢结构安装施工仿真技术等计算机技术在这种复杂结构体系的施工过程中的应用。
      【关键词】 大跨度；相贯连接；空间曲面管桁架；计算机技术
      空间钢管桁架结构体系是大跨度空间结构中的一个重要成员。因其具有优美的外观、合理的受力特点以及优越的经济性，既可以很好地满足曲面造型等建筑要求，又能够使结构达到安全、适用、经济等性能指标，符合了钢结构的最新设计观念和大跨空间结构的发展需要，因此得到了广泛的工程实践应用，具有强劲的发展势头。而管管相贯连接的空间管桁架结构，其连接节点造型平顺流畅，简洁美观，营造了美学与力学完美结合的设计理念，更是这其中的生力军。但相贯连接大跨度空间管桁架结构也更为复杂，尤其是曲面造型，施工难度相对较大，在其制作和安装过程中都较为困难。但与此同时，应运而生的计算机技术和相关软辅助件也不断的发展和应用，对钢结构的施工技术带来了很大的推动，起到了重要的作用。内蒙古兴安盟体育馆工程作为典型的大跨度相贯线连接的空间曲面管桁架结构，在施工中大量的运用计算机技术，为施工提供支持和帮助，化解了困难，取得了良好的效果。这其中主要包括CAD设计、CAM制造技术、力学性能计算和钢结构安装施工仿真技术等。
 
      1.简介
      兴安盟体育馆屋面钢结构为半球面造型，高25.5m，最大跨度130m。由28榀主桁架、7圈环向次桁架和联系杆件构成。主桁架为倒等边三角形管式组合断面，上下弦杆为变曲率的弧形，每榀主桁架在室外地面基础上和筒状三层混凝土结构顶部的万向铰支座上各有一个支撑，最顶部交汇于中心的横梁桁架上，单榀最大长度为54.5m。次桁架为不规则倒三角形管式组合断面，上下弦杆为折线，单榀最大长度为12.1m。杆件连接主要为相贯线连接，中心区域复杂节点使用球节点连接。详见图1。根据兴安盟体育馆的结构形式、现场作业环境和吊装设备的性能等条件，在拼装和安装时采用了“以组合为主，散装为辅”的分条安装施工方法。主桁架每榀整体预拼装，然后分两段吊装，在高空对接；次桁架每榀均进行整体预拼装和吊装，联系杆等其余部分为高空散装。
 

图1  兴安盟体育馆钢结构屋面建模图形
 

2.计算机技术在杆件下料中的应用
      大跨度空间管桁架工程的钢管杆件繁多，规格类型不一，而且是两管、三管直至多管相贯、多模式相贯的情况较多，人工放样和下料几乎不可能，目前都是用先进数控设备来完成， 因此就需要CAD设计与CAM制造技术进行配合，包括整体三维实体建模，杆件和板材的优化下料，钢管相贯节点和各类异型节点的设计、分析、制造等，从而为钢结构的施工提供了有力的技术支持和可靠的保证。
      2.1工程三维建模
      要对大跨度空间管桁架工程的杆进行件下料和加工，首先需要采用Auto CAD软件和Xsteel软件根据原设计建立整个结构的三维仿真模型，并根据施工方法的选择对桁架进行合理分割以及节点设计，将整个主体结构分解成各个单独的杆件和单元件，并分别进行绘制，从而进行下料程序的编制。
      同时，利用以上软件建立的三维模型还可以自动生成的各种报表和接口文件，可以服务于整个工程，成为整个工程施工的蓝本，他可以转化到其他运算软件中，从而进行施工过程中其他的技术指标的计算和判断，如安装的仿真模拟和力学性能分析等。上图的图1其实就是体育馆钢结构桁架的三维建模图形。
      2.2相贯线节点的切割下料
      由于相贯线节点的复杂性，因此杆件下料大都使用专门的数控切割机和配套的辅助编程软件。由于目前国内的相贯线切割机性能各异，其配套软件的功能实现上也有许多不同，等离子枪的作业性能也有差异。体育馆工程选用的是LMGQ/P-A型六轴数控贯线切割机，该设备具有很高的自动化程度和切割精度，其配套软件具备较高的图形化自动编程功能，可以直接从三维模型中抽取杆件进行计算和编程，并能精确地进行自动寻迹和刀具轨迹补偿，可以实现复杂杆件相贯线截面的精确加工，使生产效率、制作精度得到大幅度提高。管长误差和最长端与最短端差值的误差控制在在1.5mm以内，坡口角度偏差≤2°且表面光顺过渡，无凹凸缘。杆件的提取编程和切割成型的拼装效果见图2和图3。
 

图2 兴安盟体育馆杆件提取和相贯线节点大样 


图3 兴安盟体育馆切割成型的相贯线节点拼装效果

      2.3弯管的弯制
      体育馆屋面钢结构主桁架的上下弦杆均为曲线造型，因此需要对原材进行弯制，常规做法有中频加热弯管和压力机冷弯弯管两种，体育馆选用的是后者。计算机技术在完作业中的应用有两点，一是通过三维模型拟合和提取出每根曲线钢管在不同分段部位的曲率，从而进行弯管作业。另一方面，根据不同半径的曲率，利用Auto cad软件标注出每一根杆件的坐标，并用全站仪在平台上放样，弯制完成后将管材放在平台上进行对样检查，以保证曲率吻合。
      3.计算机技术在桁架拼装中的应用
      由于兴安盟体育馆主桁架是长度较大的变曲率弧形空间结构，每根上下弦杆都是由数段曲率不同的杆件拼接而成，因此，就需要在拼装过程通过计算机技术进行定位控制，从而使拼装的构件质量达到规范和设计的要求。
      由于体育馆主桁架三根弦杆的所在平面为平行平面，因此选择采用卧式组装方法，并保证上弦杆连线垂直地面，使两条上弦杆中心线的在水平面投影重合。首先根据CAD确定桁架上下弦杆的中心轴线控制点的坐标，并用全站仪投影放样在拼装平台的定位钢板上。控制点的数量尽可能加密，至少保证每一段曲率半径的轴线都有三个控制点，在两端和中间各设一个，以保证弦杆对接位置和平面定位准确。拼装的平面布置和吊装分段见图4，实际拼装情况见图5。
 

图4 兴安盟体育馆 主桁架平面布置和吊装分段
 

图5  兴安盟体育馆主桁架拼装实景

      4.计算机技术在桁架安装中的应用
      4.1 吊装模拟和验算
      体育馆钢结构的安装方式是每榀主桁架分两段吊装，两主桁架间的次桁架分榀分跨吊装。为保证吊装过程中的结构安全性，因此对整个吊装过程用ANSYS计算软件进行核算。这其中主要做几方面的工作，下面以主桁架的第一分段为例进行说明。

（1） 在吊装的过程，首先要确定每个构件的重心位置和吊装位置也就是吊点的选择，从而保证吊装的平稳。计算机软件可以根据预设设置的材质参数对每个构件的重量进行计算，并对复杂构件的中心位置作出判断，从而可以确定和验算吊点位置，保证构造平衡。其模拟和施工情况详见图6。
 

图6  兴安盟体育馆主桁架第一分段吊点模拟验算和实际施工
 

（2） 要对吊装过程中构件的挠度变形进行验算以保证挠度在规范允许的范围内，否则对吊装方式和吊点位置进行调整，从而避免长细比较大的杆件挠度过大，产生失稳和永久变形。图7中，钢丝绳处竖向变形平均约3mm，则构件最大变形为3.1mm，挠跨比约为3.1/13250=1/4274，吊装过程中结构变形满足要求。
 

图7  兴安盟体育馆主桁架第一分段挠度验算结果

      （3） 对吊装过程中构件各个部位的应力进行验算，以确保构件中的应力不超过材料允许应力的一定范围，避免构件破坏，否则也要对吊装方式和吊点位置进行调整。图8中，吊装过程最大应力为19.51MPa，小于结构设计值，应力满足要求。
 

图8  兴安盟体育馆主桁架第一分段应力验算结果

      4.2 桁架安装的仿真模拟
      复杂的空间钢桁架工程如要顺利进行安装，最好事先使用计算机进行安装过程的仿真模拟。仿真模拟有几个作用，一是对安装过程中吊车每一勾的工况进行模拟，确定吊车站位、计算吊装半径和最大吊装重量，从而判断吊装方案是否正确可行，同时根据吊装次序的模拟确定吊车行走路线。二是检验构件安装中与其它构件的及支架的碰撞与干涉问题，得出正确的安装方式，提高施工安装效率；三是进行施工进度仿真模拟，以直观实现对于施工进度与质量的管理，反映工程中各工序关系，达到实时模拟的要求。
      体育馆钢结构的安装方式是主桁架分两段吊装，两主桁架间的次桁架分榀分跨吊装。首先将混凝土结构三层顶部的万向铰支座和立柱安装完成，然后在馆内中部设置10个临时支撑，并将中心部位的两个扇形桁架构件和横梁安装到位，详见图9。然后将主桁架逐榀分段安装，先安装上半段，一端固定在万向铰支座立柱上，一端与扇形构件或横梁高空连接。再安装下半段，一端与上半段高空对接，一段与地面基础上的预埋件连接。详见图10。主桁架安装完成3榀以上时，在对已安装完成的部分进行测量校核无误以后，即可安装跨间的次桁架和联系杆件，最终全部安装完成，详见图11。
 

图9  兴安盟体育馆临时支撑、扇形桁架构件和横梁安装
 

图10  兴安盟体育馆主桁架上下分段安装
 

图11  主桁架、次桁架和联系杆全部安装完成

5.计算机技术在桁架卸载中的应用
      钢结构的卸载是通过对临时支撑体系的受力释放，整体结构由支撑安装受力体系向自承重的永久封闭稳定受力体系转换。对于大跨度的空间管桁架来说，这是整个施工过程中至关重要的一环，也是十分危险和容易出现问题的过程，因此，在施工前就利用计算机技术要对临时支撑体系的设计、安装完成后的力学状态和卸载后的力学状态进行分析和验算，以判断支撑体系的设置和安装卸载方案的合理性。这方面的工作，兴安盟体育馆工程还是利用ANSYS计算软件完成的。
      5.1安装完成后的力学状态分析
      由于大跨度的空间管桁架结构安装过程基本都需要设置临时支撑，在所有构件安装完成后，临时支撑还在起着作用，这就改变了原有设计结构的受力状态，因此就需要事先对此状态进行分析，以确保在临时支撑的作用下整个结构还是安全可靠的，方可进行整个钢桁架工程的安装作业。兴安盟体育馆是在桁架中间位置设置了10个临时支撑，安装完成后整个结构体系的变形情况见图12，最大变形为19.6mm，挠跨比约为19.6/50000=1/2551，结构变形满足要求。
 

图12  兴安盟体育馆临时支撑作用下结构体系的竖向挠度验算

      体系的应力情况分析见图13，最大应力为137MPa，小于结构设计值，应力满足要求。
 

图13  临时支撑作用下结构体系的应力验算

      5.2对卸载后变形的模拟计算和预变形控制
      由于大跨度的空间管桁架结构，因其自重和载荷的作用，在卸载后均会产生一定的变形和沉降，因此需要在施工前就进行模拟计算并采取预先处理措施，以最终实现结构安装完成后的正确几何位置，常规的方法是根据变形量进行预起拱。体育馆钢桁架卸载后的变形情况见图14，最大变形为42mm，挠跨比约为42/69000=1/1642，结构变形满足要求。通过计算结果可以发现，体育馆屋面结构在卸载后最大的竖向变形量42mm在桁架的中心部位，因此在临时支撑设置和桁架的安装时，项目部对安装支点标高提高了45mm。钢结构最终卸载完成后，中心部位标高与设计值最大偏差为12mm。应该说，通过对结构卸载变形的计算和预先控制，整个刚桁架工程的精度控制效果较为良好。

 
图14 兴安盟体育馆 卸载后结构体系的竖向挠度验算

      6.结束语
      通过计算机技术在施工过程中大量的合理应用，提供了科学有效的技术支持，兴安盟体育馆屋面工程这一大跨度相贯连接空间曲面管桁架结构顺利的完成了制作和安装任务，并安全平稳的进行结构卸载，取得了良好的效果。
      应该说，复杂的结构设计和计算技术在施工中的应用和发展是相辅相成。一方面，日趋复杂的钢结构体系的设计对计算机技术的相应功能提出了更高的要求。另一方面，计算机技术的发展和应用也使更为庞大和复杂的空间管桁架结构的实际应用和施工成为现实和可能。两者之间形成了相互促进和推动的良性循环。可以预见，未来的钢结构设计形式将更加的复杂和新颖，而施工中计算机技术也必将长足进步和发展，为宏伟蓝图的实现提供更为有力的支持。
      参考文献：
      【1】 唐兵传、丁晓东.大跨度空间管桁架设计与施工的若干问题.《施工技术》.2006年第3期
      【2】 何春涛、何应勇、张建. 90m跨钢管桁架屋盖卸载施工技术.《建筑施工》.2007年第4期
      作者简介：李建辉（1981-），北京首钢建设集团有限公司项目主任工，工程师，主要从事土建和钢结构工程施工技术的研究应用和管理。
      联系地址：北京市石景山区苹果园路15号北京首钢建设集团有限公司（100043）