一种大跨度高空三维天幕钢结构的施工方法与流程

本发明涉及一种建筑施工方法，具体涉及一种大跨度高空三维天幕钢结构的施工方法，属于建筑施工技术领域。

背景技术

随着城市中心商业综合体的的蓬勃发展，恢弘、大气的设计创新也日益突显，大跨度高空三维钢结构天幕体已成为现代商业群体建筑的时尚并引领潮流，天幕钢结构主要由钢结构由钢柱、空间主桁架、平面次桁架、型钢次梁组成，在现有施工技术中，由于场地及结构复杂性，很难找到一种独特方法优化施工顺序和施工方案、确保加工精度、拼装精度、吊装精度，造成大跨度高空三维天幕钢结构成型效果不佳，存在返修及其导致的延误工期和经济损失的问题。

因此，迫切需要一种能优化施工方案、对提高杆件工厂加工精度、桁架地面拼装精度、构件高空吊装精度有利，保证施工安全和施工质量，加快施工进度，降低建造成本的大跨度高空三维天幕钢结构施工方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种大跨度高空三维天幕钢结构的施工方法，能提高施工精度，保证施工安全和施工质量，加快施工进度，降低建造成本。

本发明是这样实现的：

一种大跨度高空三维天幕钢结构的施工方法，包括如下步骤:

步骤一、利用三维空间模拟模块，建立复杂施工场地的立体结构图，模拟全过程吊装，对起重吊装方案进行分析验证，确定最优的施工顺序和吊装方案；

步骤二、利用有限元软件对大跨度桁架吊装进行模拟分析，确定吊点位置和预起拱值；

步骤三、利用三维空间模拟模块，建立复杂大跨度高空三维天幕钢结构的立体结构的三维模型，指导工厂杆件加工并辅助现场施工；

步骤四、在现场采用三维空间管桁架拼装胎架进行桁架的地面拼装；

步骤五、通过全站仪和三维模型相结合的方式进行空间定位测量，依次完成钢柱、空间主桁架、平面次桁架、型钢次梁吊装。

更进一步的方案是：

步骤一的具体步骤为：

①、利用三维空间模拟模块，建立施工场地的立体结构图，包括已施工主体结构、道路、材料堆场、塔吊、周边既有建筑物及构筑物；

②、根据施工场地立体结构图，模拟起重设备在不同平面站位的吊装过程，分析其工作幅度和起升高度是否与塔吊、建筑物碰撞，其吊重能力能否满足要求；模拟不同吊装顺序，发现阻碍因素并计算阻碍因素解决时长和吊装工期，看吊装工期是否满足总工期要求、是否最短；通过对各种平面吊装方案进行一系列的分析验证，总结得出的吊装安全、阻碍因素少、工期短、费用低的施工顺序和吊装方案为最优的施工顺序和吊装方案。

更进一步的方案是：

步骤二具体为：所述利用有限元软件对大跨度桁架吊装进行模拟分析,主要计算和分析吊装过程中桁架的受力性能(内力的变化)和变形性能(竖向位移、变形)，其受力性能和变形性能最小的位置确定为采用的吊点位置，对应的竖向位移即为大跨度桁架预起拱值。

更进一步的方案是：

所述复杂大跨度高空三维天幕钢结构的立体结构的三维模型主要体现构件的整体形式、分段情况、规格、型号、尺寸、连接方法、预起拱值等。

更进一步的方案是：

所述指导工厂杆件加工为将三维模型与三维自动切割机相结合进行杆件加工制作。

更进一步的方案是：

所述三维空间管桁架拼装胎架包括多个平行设置的支撑单元、以及连接各支撑单元的纵向水平梁；所述支撑单元包括基座，基座上从左往右依次设有左支撑立柱、左支撑杆、右支撑杆、右支撑立柱；所述基座、左支撑立柱、左支撑杆、右支撑杆、右支撑立柱上设有螺栓连接孔，螺栓穿过螺栓连接孔将左支撑立柱、左支撑杆、右支撑杆、右支撑立柱固定在基座上；当需要改变三维空间管桁架的宽度时，移动左支撑立柱、左支撑杆、右支撑杆、右支撑立柱在基座上的位置，实现三维空间管桁架宽度的调整；所述左支撑立柱上设有左支撑托梁，螺栓穿过螺栓连接孔将左支撑托梁固定在左支撑立柱上；所述右支撑立柱上设有右支撑托梁，螺栓穿过螺栓连接孔将右支撑托梁固定在右支撑立柱上；在左支撑托梁、右支撑托梁上设可移动的卡板；当需要改变三维空间管桁架的标高时，移动左支撑托梁在左支撑立柱上的位置，以及移动右支撑托梁在右支撑立柱上的位置，实现三维空间管桁架标高的调整；所述横梁、左支撑托梁、右支撑托梁上分别设有微调垫板；不同支撑单元的两侧分别设有两根纵向水平梁，分别位于各支撑单元的下部和中部。

更进一步的方案是：

所述通过全站仪和三维模型相结合的方式进行空间定位测量主要通过三维模型获取施工所需要的精确坐标点和高程，配合全站仪进行三维空间定位测量，控制钢柱、桁架标高、桁架垂直度，提高钢结构高空安装精度。

本发明采用三维空间模拟、有限元分析、三维空间管桁架拼装胎架、三维空间测量，实现钢管构件相贯线偏差值合格率≥95％，桁架拼装合格率≥95％，关键节点精确度高。

本发明具有如下的有益效果：

1、采用三维空间模拟对复杂施工现场建模模拟吊装，可优化施工顺序和吊装方案，确保施工安全，加快施工进度；

2、采用桁架吊装有限元分析技术可确定吊点位置和预起拱值，确保施工安全和施工质量；

3、采用三维空间模拟对大跨度高空三维天幕钢结构建模指导杆件工厂加工并辅助现场施工，可提高杆件工厂加工精度，减少返工和工期延误，节约成本；

4、采用一种三维空间管桁架拼装胎架进行桁架的地面拼装可提高桁架拼装精度，减少返工和工期延误，节约成本；

5、采用三维空间定位测量技术可提高大跨度高空三维天幕钢结构一次性成型率质量，加快施工进度，保证施工质量。

附图说明

图1是大跨度高空三维天幕钢结构的建筑立面示意图；

图2是三维模拟的施工场地立体结构图；

图3是桁架吊装有限元分析模型图；

图4是三维模拟的天幕钢结构立体结构图；

图5是图4的节点a详图；

图6是图5的节点b详图(钢柱与空间桁架连接节点图)；

图7是图5的节点c详图(空间桁架与平面桁架连接节点图)；

图8是图5的节点d详图(桁架与型钢次梁连接节点图)；

图9是三维空间管桁架拼装胎架的主视结构示意图；

图10是三维空间管桁架拼装胎架的侧视结构示意图；

图11是三维空间管桁架拼装胎架的俯视结构示意图；

图12是图9的a-a剖面示意图；

图13是图9的b-b剖面示意图；

图14是图9的c-c剖面示意图。

其中：1、钢柱，2、空间桁架，3、平面桁架，4、已施工的主体结构，5、塔吊，6、道路，7、材料堆场，8、基座，9-1、左支撑立柱，9-2、右支撑立柱，10-1、左支撑杆，10-2、右支撑杆，11-1、左支撑托梁，11-2、右支撑托梁，12-1、左支撑斜杆，12-2、右支撑斜杆，13、微调垫板，14、卡板，15、横梁，16-1、左支撑立柱耳板，16-2、右支撑立柱耳板，17、纵向水平梁，18、螺栓连接孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的进一步的详细说明：

参见图1至图14所示，一种大跨度高空三维天幕钢结构的施工方法，包括如下步骤:

步骤一、利用三维空间模拟模块，根据设计图纸及现场踏勘情况建立复杂施工场地的立体结构图，包括已施工的主体结构4、塔吊5、道路6、材料堆场7等，模拟全过程吊装，对起重吊装方案进行分析验证，确定最优的施工顺序和吊装方案；

步骤二、利用有限元软件对大跨度桁架吊装进行模拟分析，计算和分析吊装过程中桁架的受力性能(内力的变化)和变形性能(竖向位移、变形)，根据分析结果确定吊点位置和大跨度桁架预起拱值；

步骤三、利用三维空间模拟模块，根据原有设计图纸提供的天幕钢结构与建筑物轴线之间的关系建立三维坐标体系，建立复杂大跨度高空三维天幕钢结构的立体结构图，将钢柱1、空间桁架2、平面桁架3的整体形式、分段情况、规格、型号、尺寸、连接方法、预起拱值体现清楚，将三维模型与三维自动切割机相结合进行杆件加工制作；

步骤四、在现场采用一种三维空间管桁架拼装胎架进行桁架的地面拼装，所述一种三维空间管桁架拼装胎架包括n个平行设置的支撑单元、以及连接各支撑单元的纵向水平梁17；

所述支撑单元包括基座8，基座8上从左往右依次设有左支撑立柱9-1、左支撑杆10-1、右支撑杆10-2、右支撑立柱9-2；所述基座8、左支撑立柱9-1、左支撑杆10-1、右支撑杆10-2、右支撑立柱9-2上设有间距为50mm的螺栓连接孔18，螺栓穿过螺栓连接孔18将左支撑立柱9-1、左支撑杆10-1、右支撑杆10-2、右支撑立柱9-2固定在基座1上；当需要改变三维空间管桁架的宽度时，移动左支撑立柱9-1、左支撑杆10-1、右支撑杆10-2、右支撑立柱9-2在基座8上的位置，实现三维空间管桁架宽度的调整；

所述左支撑立柱9-1上设有左支撑托梁11-1，螺栓穿过螺栓连接孔18将左支撑托梁11-1固定在左支撑立柱9-1上；右支撑立柱9-2上设有右支撑托梁11-2，螺栓穿过螺栓连接孔18将右支撑托梁11-2固定在右支撑立柱9-1上；在左支撑托梁11-1、右支撑托梁11-2上设微调垫板13、可移动的卡板14，卡板14不仅可以稳固三角管桁架的弦管，便于三角管桁架的组装，而且可以防止弦管脱落支撑托梁，避免施工过程中的事故，确保施工安全；左支撑杆10-1、右支撑杆10-2通过横梁15连接，螺栓穿过螺栓连接孔18将横梁15与左支撑杆10-1、右支撑杆10-2固定连接，在横梁15上设置微调垫板13；当需要改变三维空间管桁架的标高时，移动左支撑托梁11-1在左支撑立柱9-1上的位置、移动右支撑托梁11-2在右支撑立柱9-2上的位置、移动横梁15的位置、设置微调垫板13、实现三维空间管桁架标高的调整；

所述支撑单元的两侧分别设有两根纵向水平梁17，两根纵向水平梁17分别位于各支撑单元的下部和中部(即：各左支撑立柱9-1上有两根纵向水平梁17，分别位于左支撑立柱9-1的下部和中部，各右支撑立柱9-2上有两根纵向水平梁17，分别位于右支撑立柱9-2的下部和中部)，且纵向水平梁通过螺栓、螺栓连接孔与同侧的支撑立柱连接，该结构能增加整体稳定性；

为了增强单个支撑单元的刚性硬度，使整个结构更加稳定，可在左支撑立柱9-1上设左支撑立柱耳板16-1，右支撑立柱9-2上设右支撑立柱耳板16-2，螺栓穿过螺栓连接孔18将横梁15与左支撑立柱耳板16-1、右支撑立柱耳板16-2、左支撑立柱9-1、右支撑立柱9-2固定，横梁15通过螺栓、螺栓连接孔18将左支撑立柱耳板16-1、右支撑立柱耳板16-2、左支撑立柱9-1、左支撑杆10-1、右支撑杆10-2、右支撑立柱9-2连接成一个整体。

为了提高支撑托梁的承载力和稳定性，使结构更加稳定，可在左支撑托梁11-1下设左支撑斜杆12-1，左支撑斜杆12-1的一端通过螺栓与左支撑托梁11-1上的耳板连接，左支撑斜杆12-1的另一端通过螺栓与左支撑立柱9-1上的螺栓连接孔18连接，形成三角形结构；在右支撑托梁11-2下设右支撑斜杆12-2，右支撑斜杆12-2的一端通过螺栓与右支撑托梁11-2上的耳板连接，右支撑斜杆12-2的另一端通过螺栓与右支撑立柱9-2上的螺栓连接孔18连接，形成三角形结构。

左支撑立柱9-1、右支撑立柱9-2、左支撑杆10-1、右支撑杆10-2根部焊有连接劲板，连接劲板通过螺栓、螺栓连接孔18与基座8连接；左支撑托梁11-1、右支撑托梁11-2、左支撑斜杆12-1、右支撑斜杆12-2根部焊有连接劲板，连接劲板通过螺栓、螺栓连接孔18与同侧的支撑立柱连接；卡板14的根部焊有连接劲板，连接劲板通过螺栓、螺栓连接孔18与同侧的支撑托梁连接；以提高整体稳定性和安全性。

为了降低制作成本，基座8、左支撑立柱9-1、右支撑立柱9-2、左支撑托梁11-1、右支撑托梁11-2可采用h型钢制作；纵向水平梁17、横梁15、左支撑杆10-1、右支撑杆10-2、左支撑斜杆12-1、右支撑斜杆12-2、卡板14、耳板均采用角钢制作。

所述支撑单元基座8顶部、支撑柱内侧设置有两排螺栓连接孔18，支撑托梁顶部、支撑杆连接面、纵向水平梁连接面、横梁连接面均设置有一排螺栓连接孔18，螺栓连接孔18的纵、横向间距均为50mm。通过螺栓连接孔18实现了三维空间管桁架距离尺寸的可调性，提高胎架的适用性。

将左支撑立柱9-1、左支撑杆10-1、右支撑杆10-2、右支撑立柱9-2上的螺栓连接孔18(螺栓连接孔18的间距设为50mm)作为一级标高调节，将左支撑托梁11-1、右支撑托梁11-2和横梁15上的微调垫板13作为二级标高调节，可灵活控制三维空间管桁架的标高，定位精度高；通过基座8顶部、横梁15连接面、左支撑托梁11-1、右支撑托梁11-2上的螺栓连接孔18(螺栓连接孔的间距为50mm)可灵活调整空间桁架的宽度，以适应不同的截面形态；纵向水平梁17上设置螺栓连接孔18(螺栓连接孔的间距为50mm)可灵活调节桁架纵向定位，有利于避开连接节点，利于脱胎起吊；上述结构使三维空间管桁架拼装胎架具有适用性强、拼装质量好、节约施工成本的优点。

步骤五、通过全站仪和三维模型相结合的方式进行空间定位测量，控制钢柱、桁架标高、桁架垂直度，依次完成钢柱、空间主桁架、平面次桁架、型钢次梁吊装，提高钢结构高空安装精度。

本发明安全性能好，施工精度高，施工效率高，施工成本低推广应用价值大。