CN111733978A - 一种中部无支撑的大跨度弧形钢结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中部无支撑的大跨度弧形钢结构及施工方法，弧形钢结构包括支撑柱和屋盖钢结构，屋盖钢结构通过支撑柱设在基础建筑上，屋盖钢结构为左右对称，包括中部钢结构、北侧钢结构和南侧钢结构，北侧钢结构和南侧钢结构分别连接在中部钢结构的前后两侧，中部钢结构为由周边向中心拱起的自由弧面结构，北侧钢结构和南侧钢结构为由两侧向中部拱起的自由弧面结构。屋盖钢结构采用周边支撑、中部未设置支撑的方式，避免了支撑对室内空间的分割和侵占，提升室内空间利用率；将屋顶设置为向上的弧形，提高室内空间的净高，便于设置较高的设施；自由弧面结构结构强度高，不易变形，抗外力性能强，稳定性高，美观大方，并且安装施工方便。

Description

一种中部无支撑的大跨度弧形钢结构及施工方法

技术领域

本发明涉及钢结构建筑技术领域，具体涉及一种中部无支撑的大跨度弧形钢结构及施工方法。

背景技术

随着空间结构技术的不断发展，大跨度空间结构被广泛的应用于大型建筑上作为屋盖，大跨度屋盖结构现在多采用钢结构，具有结构自重轻、强度高、承载性能好、施工效率高等优点，钢结构能够适应多种造型，适用不同的建筑类型，同时具有造型美观的特点。但是大跨度的钢结构本身结构复杂，形状不规则，在跨度较大的情况下具有变形大、受力复杂的特点，需要保证钢结构的制作精度，在安装时对精度要求更高，制作和施工难度高、进度慢。现在出现越来越多的大型单体建筑用作展览馆、商场或室内娱乐城，这些建筑对室内空间要求较高，需要在室内预留更大的空间，对室内高度有要求，需要尽可能的减少支撑结构的数量，但是现有的钢结构需要为了保证结构强度，并避免变形需要设置多种支撑，无法保证室内空间的利用，本发明提供一种中部无支撑的大跨度弧形钢结构及施工方法解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种中部无支撑的大跨度弧形钢结构及施工方法，钢结构具有受力合理、结构稳定可靠的特点，解决大跨度钢结构安装施工时结构变形大，施工难度高、效率低的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种中部无支撑的大跨度弧形钢结构，包括支撑柱和屋盖钢结构，所述屋盖钢结构通过支撑柱设在基础建筑上，所述屋盖钢结构为左右对称，包括中部钢结构、北侧钢结构和南侧钢结构，所述北侧钢结构和南侧钢结构分别连接在中部钢结构的前后两侧，所述中部钢结构为由周边向中心拱起的自由弧面结构，所述北侧钢结构和南侧钢结构为由两侧向中部拱起的自由弧面结构；

所述中部钢结构、北侧钢结构和南侧钢结构均包括桁架、斜撑和连接节点，所述桁架为竖向设置单层框架，相互交错设置形成钢结构框，所述斜撑随形设在钢构框架的表面，所述连接节点设在斜撑与桁架相交的位置以及相交桁架的交错位置。

进一步地，所述支撑柱包括钢构柱和支座，所述钢构柱间隔设在中部钢结构的四周，其底端与预埋在基础建筑内的箱型基础固定连接，顶端通过支座与中部钢结构的外沿连接；所述北侧钢结构和南侧钢结构通过支座支撑在基础建筑上，所述支座设在北侧钢结构和南侧钢结构的中部。

进一步地，所述钢构柱成组设在中部钢结构的周边上，每组钢构柱通过斜撑梁相互连接形成支撑柱组。

进一步地，所述支座为V型结构，包括支座一和支座二，所述支座一和支座二均包括底座和撑杆，所述支座一的撑杆底端连接在一个底座上，所述支座二设置两个底座，两个底座之间设有连接梁，所述底座和连接梁上呈V型设置两排撑杆。

进一步地，所述中部钢结构的东、西和南侧为直边，北侧为弧形边，连接四角为弧形，其表面为向中心拱起的自由弧面，所述中部钢结构通过设在四条侧边下方的分段支撑柱组支撑在基础建筑上。

一种中部无支撑的大跨度弧形钢结构的施工方法，包括以下步骤：

S1，清理施工现场，施工设备进场和搭设，对基础建筑以及安装基础进行数据数据检测和对比；

S2，在基础建筑表面上进行东西两侧的支撑柱的施工，施工完毕后进行扫描检测；

S3，使用移动吊装设备进行北侧钢结构和南侧钢结构的吊装；

S4，将中部钢结构分为吊装西区、吊装南区、吊装北区、吊装东区、提升一区、提升二区和提升三区，搭设支撑架和提升架；

S5，按照吊装西区安装、提升一区拼装、吊装南区、吊装北区安装、吊装东区安装、提升二区拼装、提升三区拼装及提升一区累积提升、提升二区累积提升、提升区整体提升以及提升区和吊装区拼接的施工顺序进行施工；

S6，将支撑架和提升架进行拆卸，拆卸完毕后完成钢结构的安装。

进一步地，步骤S5中，分区吊装施工的具体步骤如下：

S51，进行吊装西区的拼装，使用移动吊装设备在基础建筑屋面进行吊装西区的吊装；

S52，在地面进行提升一区、吊装南区、吊装北区和吊装东区拼接，然后使用移动吊装设备在基础建筑屋面依次进行吊装南区、吊装北区和吊装东区的吊装，并将吊装西区、吊装南区、吊装北区和吊装东区连接形成环状吊装区；

S53，在H1高度进行提升二区的拼装，然后将拼接完成的提升一区整体提升至H1高度，与提升二区连接成中部提升区；

S54，在H2高度进行提升三区的拼装，然后从H1高度开始将中部提升区提升至H2高度，与提升三区连接成整体提升区；

S55，从H2高度，将整体提升区提升至H3高度，与环状吊装区连接形成中部钢结构，完成屋盖钢结构的拼装。

进一步地，步骤S6中，支撑架和提升架的卸载操作如下：先拆卸外圈支撑架的架点，再拆卸内圈支撑架的架点，最后拆卸中心的提升架架点；拆卸外圈支撑架的架点时，一次性卸载完毕；拆卸内圈支撑架时，按照从南北两侧的中间向东西两侧进行分批卸载。

进一步地，步骤S2中支撑柱安装完毕后，使用扫描设备对其位置进行扫描，步骤S52中，吊装区拼装后及安装前后均使用扫描设备对其位置形状进行扫描，步骤S53-S55中，提升区拼装后及安装前后均使用扫描设备对其位置形状进行扫描。

进一步地，使用扫描设备得到扫描结果后，与设计模型进行对比，并对设计模型进行更改使其适应拼装后的钢结构。

本发明有益效果如下：

屋盖钢结构采用周边支撑、中部未设置支撑的方式，避免了支撑对室内空间的分割和侵占，提升室内空间利用率；将屋顶设置为向上的弧形，提高室内空间的净高，便于设置较高的设施；自由弧面结构结构强度高，不易变形，抗外力性能强，稳定性高，美观大方，并且安装施工方便；

采用分区吊装的施工方法，安全方便高效，节省了大量施工设施的投入，成本较低；设置多种支撑架和提升架，并配合弧形钢结构采用分批卸载的方式，避免屋顶钢结构的巨量变形，保证结构安全；通过3D激光扫描技术和BIM技术的配合使用，提升施工效率，降低劳动强度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的整体结构的左视图；

图3为本发明的整体结构的右视图；

图4为本发明的整体结构纵向剖视图；

图5为本发明的整体结构横向剖视图；

图6为本发明的中部钢结构俯视图；

图7为本发明的北侧钢结构俯视图；

图8为本发明的南侧钢结构俯视图；

图9为本发明的钢结构桁架连接结构示意图；

图10为本发明的支撑柱组结构示意图；

图11为本发明的支座一结构示意图；

图12为本发明的支座二结构示意图；

图13为本发明的吊装分区分解示意图。

附图标记：1-支撑柱，11-钢构柱，12-支座，110-斜撑梁，2-中部钢结构，21-桁架，22-斜撑，23-连接节点，3-北侧钢结构，4-南侧钢结构，。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

本发明的具体实施例为东西长250m、南北长255m、标高为65m的屋盖钢结构，中部钢结构2为东西长250m，南北长150m的自由弧形钢结构，只在中部钢结构2的四周设置多组支撑柱1对其进行支撑，依靠结构本身的特点保证建筑本身的稳定牢固。中部钢结构2具有跨度大、标高高、中部无支撑且左右对称的特点。

如图1、2、3、4、5所示，一种中部无支撑的大跨度弧形钢结构，包括支撑柱1和屋盖钢结构，所述屋盖钢结构通过支撑柱1设在基础建筑上，所述屋盖钢结构为左右对称，包括中部钢结构2、北侧钢结构3和南侧钢结构4，所述北侧钢结构3和南侧钢结构4分别连接在中部钢结构2的前后两侧，所述中部钢结构2为由周边向中心拱起的自由弧面结构，所述北侧钢结构3和南侧钢结构4为由两侧向中部拱起的自由弧面结构。

如图6、7、8、9所示，所述中部钢结构2、北侧钢结构3和南侧钢结构4均包括桁架21、斜撑22和连接节点23，所述桁架21为竖向设置单层框架，相互交错设置形成钢结构框，所述斜撑22随形设在钢构框架的表面，所述连接节点23设在斜撑22与桁架21相交的位置以及相交桁架21的交错位置。

如图9所示，优选的，所述桁架21为竖向设置的单层桁架，由钢管组成，所述斜撑22为钢管，所述连接节点23为空心钢球体，相互通过焊接连接。通过连接节点23将桁架21与桁架21之间、桁架21和斜撑22进行连接，在降低结构重量的同时，保证结构强度。

如图1、6、7、8所示，进一步地，所述支撑柱1包括钢构柱11和支座12，所述钢构柱11间隔设在中部钢结构2的四周，其底端与预埋在基础建筑内的箱型基础固定连接，顶端通过支座12与中部钢结构2的外沿连接；所述北侧钢结构3和南侧钢结构4通过支座12支撑在基础建筑上，所述支座12设在北侧钢结构3和南侧钢结构4的中部。

如图1所示，本发明的钢结构屋盖分为三部分，中部钢结构2及设在其南北两侧的南侧钢结构4和北侧钢结构3，均为双向正交正放网格结构，中部钢结构2依靠设在其周边下方的钢构柱11支撑，中部悬空无支撑；南侧钢结构4和北侧钢结构3通过设在其中部的支座12支撑。本发明的中部钢结构2只在周边设置支撑，有效保证室内空间的利用，并且顶部向上拱起，为室内预留较高的净高便于在室内安放设施；顶部为圆滑过渡的弧形，结构强度高，抗外力能力强，抗变形，有效避免因为结构形变带来的安全隐患。

如图10所示，进一步地，所述钢构柱11成组设在中部钢结构2的周边上，每组钢构柱11通过斜撑梁110相互连接形成支撑柱组。

优选的，相邻的支撑柱1通过斜撑梁110相互连接成组，共设置六组，中部钢结构2的东西两侧各设置一组，南北两侧每侧设置两组。

如图11、12所示，进一步地，所述支座12为V型结构，包括支座一和支座二，所述支座一和支座二均包括底座和撑杆，所述支座一的撑杆底端连接在一个底座上，所述支座二设置两个底座，两个底座之间设有连接梁，所述底座和连接梁上呈V型设置两排撑杆。

优选的，所述底座包括方形底板和连接球，所述连接球设在方形底板上，所述撑杆焊接连接在连接球上。

如图7、8所示，优选的，所述北侧钢结构3和南侧钢结构4上各设置四个支座12，各两个支座一和支座二，支座一设置在外侧，支座二设置在内侧。通过设置支撑北侧钢结构3和南侧钢结构4。

进一步地，所述中部钢结构2的东、西和南侧为直边，北侧为弧形边，连接四角为弧形，其表面为向中心拱起的自由弧面，所述中部钢结构2通过设在四条侧边下方的分段支撑柱组支撑在基础建筑上。

如图13所示，一种中部无支撑的大跨度弧形钢结构的施工方法，包括以下步骤：

S1，清理施工现场，施工设备进场和搭设，对基础建筑以及安装基础进行数据数据检测和对比；

S2，在基础建筑表面上进行东西两侧的支撑柱1的施工，施工完毕后进行扫描检测；

S3，使用移动吊装设备进行北侧钢结构3和南侧钢结构4的吊装；

S4，将中部钢结构2分为吊装西区T1、吊装南区T2、吊装北区T3、吊装东区T4、提升一区T5、提升二区T6和提升三区T7，搭设支撑架和提升架；

S5，按照吊装西区T1安装、提升一区T5拼装、吊装南区T2、吊装北区T3安装、吊装东区T4安装、提升二区T6拼装、提升三区T7拼装及提升一区T5累积提升、提升二区T6累积提升、提升区整体提升以及提升区和吊装区拼接的施工顺序进行施工；

S6，将支撑架和提升架进行拆卸，拆卸完毕后完成钢结构的安装。

进一步地，步骤S2中，先依次安放钢构柱11，然后通过斜撑梁110相互连接形成支撑柱组，并按照先东西后南北的施工顺序进行钢构柱11的安装。

进一步地，步骤S3中，北侧钢结构3和南侧钢结构4安装时，先划分为单片，在地面拼装后使用汽车吊分段吊装，分段悬挑端搭设临时支撑进行固定。

如图13所示，进一步地，步骤S4中，所述提升一区T5为中部钢结构2的中心区域，所述提升二区T6为提升一区T5外圈的环状结构，所述提升三区T7为提升二区T6外圈的环状结构，所述吊装西区T1、吊装南区T2、吊装北区T3和吊装东区T4为中部钢结构2的四条侧边，首尾相连位于提升三区T7的外侧。

进一步地，步骤S5中，在地面进行分片拼装，然后采用汽车吊提升至要求高度进行整体拼装。

进一步地，步骤S5中，分区吊装施工的具体步骤如下：

S51，进行吊装西区T1的拼装，使用移动吊装设备在基础建筑屋面进行吊装西区T1的吊装；

S52，在地面进行提升一区T5、吊装南区T2、吊装北区T3和吊装东区T4拼接，然后使用移动吊装设备在基础建筑屋面依次进行吊装南区T2、吊装北区T3和吊装东区T4的吊装，并将吊装西区T1、吊装南区T2、吊装北区T3和吊装东区T4连接形成环状吊装区；

S53，在H1高度进行提升二区T6的拼装，然后将拼接完成的提升一区T5整体提升至H1高度，与提升二区T6连接成中部提升区；

S54，在H2高度进行提升三区T7的拼装，然后从H1高度开始将中部提升区提升至H2高度，与提升三区T7连接成整体提升区；

S55，从H2高度，将整体提升区提升至高度的H3高度，与环状吊装区连接形成中部钢结构2，完成屋盖钢结构的拼装。

进一步地，步骤S6中，支撑架和提升架的卸载操作如下：先拆卸外圈支撑架的架点，再拆卸内圈支撑架的架点，最后拆卸中心的提升架架点；拆卸外圈支撑架的架点时，一次性卸载完毕；拆卸内圈支撑架时，按照从南北两侧的中间向东西两侧进行分批卸载。采用先外圈后内圈的卸载顺序，有效避免屋盖钢结构的变形，具有较好的抗拔效果。

进一步地，支撑架和提升架卸载操作具体步骤如下：通过切割卸载法进行支撑架的卸载。结构吊装之前，在支撑顶部设置卸载专用连接支托，并在主体结构对应的卸载位置设置保护垫板，保护垫板与卸载连接支托临时固定。卸载时，逐级切割连接支托，实现分步卸载，通过调整每次切割的高度控制分步卸载量；拆除连接支托及支撑塔架、打磨保护垫板处的切割口，完成卸载。

进一步地，步骤S2中支撑柱1安装完毕后，使用扫描设备对其位置进行扫描，步骤S52中，吊装区拼装后及安装前后均使用扫描设备对其位置形状进行扫描，步骤S53-S55中，提升区拼装后及安装前后均使用扫描设备对其位置形状进行扫描。

进一步地，使用扫描设备得到扫描结果后，与设计模型进行对比，并对设计模型进行更改使其适应拼装后的钢结构。

优选的，采用3D激光扫描技术对建筑结构进行扫描，并形成三维立体模型图。通过BIM技术建立有建筑物的设计模型，在进行施工时，阶段型施工前后均对已施工完成的建筑进行激光扫描，得到实际的建筑模型与设计模型进行对比，根据对比结果，对即将施工的构件进行改进，使其符合实际施工情况。

应用3D激光扫描技术能够直接得到与BIM技术建立的设计模型相同的模型图，并在计算机中通过软件对比，能够直观快捷的分析出与初始设计不同的地方，并在软件中对即将安装构件进行设计改动，使其安装时尺寸相符。通过两者的配合使用，避免了现在进行构件安装时，需要临时对结构进行改动处理，极大的减少高空作业时间和操作来降低劳动强度，显著提升施工效率。

3D激光扫描技术和BIM技术的结合，相较于传统使用的全站仪、经纬仪和水准仪等设备，节省大量的测绘时间，并利用相应的软件对扫描结果进行处理，快速的得到对比结果，之后进行设计更改，节省人力并提升施工效率，降低施工周期并节省施工成本。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种中部无支撑的大跨度弧形钢结构，其特征是，包括支撑柱（1）和屋盖钢结构，所述屋盖钢结构通过支撑柱（1）设在基础建筑上，所述屋盖钢结构为左右对称，包括中部钢结构（2）、北侧钢结构（3）和南侧钢结构（4），所述北侧钢结构（3）和南侧钢结构（4）分别连接在中部钢结构（2）的前后两侧，所述中部钢结构（2）为由周边向中心拱起的自由弧面结构，所述北侧钢结构（3）和南侧钢结构（4）为由两侧向中部拱起的自由弧面结构；

所述中部钢结构（2）、北侧钢结构（3）和南侧钢结构（4）均包括桁架（21）、斜撑（22）和连接节点（23），所述桁架（21）为竖向设置单层框架，相互交错设置形成钢结构框，所述斜撑（22）随形设在钢构框架的表面，所述连接节点（23）设在斜撑（22）与桁架（21）相交的位置以及相交桁架（21）的交错位置。

2.根据权利要求1所述的一种中部无支撑的大跨度弧形钢结构，其特征是：所述支撑柱（1）包括钢构柱（11）和支座（12），所述钢构柱（11）间隔设在中部钢结构（2）的四周，其底端与预埋在基础建筑内的箱型基础固定连接，顶端通过支座（12）与中部钢结构（2）的外沿连接；所述北侧钢结构（3）和南侧钢结构（4）通过支座（12）支撑在基础建筑上，所述支座（12）设在北侧钢结构（3）和南侧钢结构（4）的中部。

3.根据权利要求2所述的一种中部无支撑的大跨度弧形钢结构，其特征是：所述钢构柱（11）成组设在中部钢结构（2）的周边上，每组钢构柱（11）通过斜撑梁（110）相互连接形成支撑柱组。

4.根据权利要求2所述的一种中部无支撑的大跨度弧形钢结构，其特征是：所述支座（12）为V型结构，包括支座一和支座二，所述支座一和支座二均包括底座和撑杆，所述支座一的撑杆底端连接在一个底座上，所述支座二设置两个底座，两个底座之间设有连接梁，所述底座和连接梁上呈V型设置两排撑杆。

5.根据权利要求3所述的一种中部无支撑的大跨度弧形钢结构，其特征是：所述中部钢结构（2）的东、西和南侧为直边，北侧为弧形边，连接四角为弧形，其表面为向中心拱起的自由弧面，所述中部钢结构（2）通过设在四条侧边下方的分段支撑柱组支撑在基础建筑上。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种中部无支撑的大跨度弧形钢结构的施工方法，其特征是，包括以下步骤：

S1，清理施工现场，施工设备进场和搭设，对基础建筑以及安装基础进行数据数据检测和对比；

S2，在基础建筑表面上进行东西两侧的支撑柱（1）的施工，施工完毕后进行扫描检测；

S3，使用移动吊装设备进行北侧钢结构（3）和南侧钢结构（4）的吊装；

S4，将中部钢结构（2）分为吊装西区、吊装南区、吊装北区、吊装东区、提升一区、提升二区和提升三区，搭设支撑架和提升架；

S5，按照吊装西区安装、提升一区拼装、吊装南区、吊装北区安装、吊装东区安装、提升二区拼装、提升三区拼装及提升一区累积提升、提升二区累积提升、提升区整体提升以及提升区和吊装区拼接的施工顺序进行施工；

S6，将支撑架和提升架进行拆卸，拆卸完毕后完成钢结构的安装。

7.根据权利要求6所述的一种中部无支撑的大跨度弧形钢结构的施工方法，其特征是：步骤S5中，分区吊装施工的具体步骤如下：

S51，进行吊装西区的拼装，使用移动吊装设备在基础建筑屋面进行吊装西区的吊装；

S52，在地面进行提升一区、吊装南区、吊装北区和吊装东区拼接，然后使用移动吊装设备在基础建筑屋面依次进行吊装南区、吊装北区和吊装东区的吊装，并将吊装西区、吊装南区、吊装北区和吊装东区连接形成环状吊装区；

S53，在H1高度进行提升二区的拼装，然后将拼接完成的提升一区整体提升至H1高度，与提升二区连接成中部提升区；

S54，在H2高度进行提升三区的拼装，然后从H1高度开始将中部提升区提升至H2高度，与提升三区连接成整体提升区；

S55，从H2高度，将整体提升区提升至H3高度，与环状吊装区连接形成中部钢结构（2），完成屋盖钢结构的拼装。

8.根据权利要求6所述的一种中部无支撑的大跨度弧形钢结构的施工方法，其特征是：步骤S6中，支撑架和提升架的卸载操作如下：先拆卸外圈支撑架的架点，再拆卸内圈支撑架的架点，最后拆卸中心的提升架架点；拆卸外圈支撑架的架点时，一次性卸载完毕；拆卸内圈支撑架时，按照从南北两侧的中间向东西两侧进行分批卸载。

9.根据权利要求7所述的一种中部无支撑的大跨度弧形钢结构的施工方法，其特征是：步骤S2中支撑柱（1）安装完毕后，使用扫描设备对其位置进行扫描，步骤S52中，吊装区拼装后及安装前后均使用扫描设备对其位置形状进行扫描，步骤S53-S55中，提升区拼装后及安装前后均使用扫描设备对其位置形状进行扫描。

10.根据权利要求9所述的一种中部无支撑的大跨度弧形钢结构的施工方法，其特征是：使用扫描设备得到扫描结果后，与设计模型进行对比，并对设计模型进行更改使其适应拼装后的钢结构。

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