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摘要：赞比亚体育场屋面钢结构悬挑主桁架，为三维空间管桁架形式，采取CAD/CAM集成技术作为管桁架结构制作加工工艺，以相贯线焊接为重点提高加工精度，保证质量；现场拼装根据当地机械设备条件，采取三段吊装的方法，取得了良好的施工效果，施工安全也得到了有效保证；同时为该地区同类型建筑的施工积累了丰富的经验。
关键词：卢萨卡体育场；钢结构；CAD/CAM集成技术；三段吊装
中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：
工程概况
1.1 工程概况
赞比亚卢萨卡体育场是一座长轴300m，短轴250m的椭圆形体育场，可容纳5万名观众。屋面由36榀悬挑30m的钢结构管桁架做为主要受力构件，主桁架之间采用前、后环桁架连接，前后环桁架之间及桁架尾部为膜支撑结构。钢结构管桁架的安装标高根据建筑要求在23.131m~34.182m之间逐渐变化。屋面三维结构形式如图所示。
图1 体育场屋面钢结构三维图图2悬臂主桁架截面形式详
1.2 构件详细概况
屋面钢桁架的总长度约40m，为倒三角空间桁架，两上弦杆之间中心间距为3m，桁架高度为变截面，端部高4m。单件重量约25吨。桁架采用钢管进行制作，所有连接节点均采用焊接连接节点。桁架后端为间距6m的两个支座与劲性混凝土结构进行连接。桁架结构形式如图2所示。
施工难点
（1）钢结构形式主要为三维空间管桁架形式，管桁架中管与管的连接，最复杂的形式为七根次管与主管同一部位、不同角度连接，对精度和质量的控制比较困难。所有钢管焊口均为异型焊口，加工精度要求高，需采用相贯线切割机加工管头。屋面单元钢管均为弧形，弧度各有不同，需要设计专用模具进行弧度加工。
（2）本工程钢结构平面覆盖范围是长轴300m，短轴250m的椭圆。钢结构施工覆盖面大，单件重量重，安装高度高，方案选择对施工成本会造成较大影响。
（3）工程结构形式复杂。本工程为大面积空间管桁架结构，所有构件均需要空间三维定位，测量复杂，精度要求高。
总体施工方案的选择
根据以上工程特点难点，经过仔细研究施工图纸和进行现场踏勘，决定采用采用国内制作厂构件零件加工、部分组装焊接，整体预装、国外安装现场单元组装、焊接，桁架整体预拼装再分段安装的施工方式。
针对三维空间管桁架的结构形式，采用CAD/CAM集成技术作为管桁架结构制作加工工艺，以相贯线焊接为重点提高加工精度，保证质量。
以桁架组装安装结合，确保进度。桁架因整体重量重吊装困难的原因分为三段，又因运输原因分为组装单元，保证桁架整体尺寸及安装后的精度及施工进度是关键。桁架在国内加工厂制作时，对每一形式的桁架组装一榀，进行关键节点及杆件长度和桁架整体精度确认，无误后再进行批量生产，确保运输至国外安装现场的构件质量，提高组装、拼装速度。
鋼结构安装工艺
4.1 主桁架构件分段
主桁架采用后支撑悬臂桁架，桁架总长度40m，整体拼装后总重量25吨，所有钢结构均需要看台混凝土结构施工完成后进行安装。若采用拼装后整体吊装势必需要大型起重机械进行吊装，大大增加吊装机械使用费。经综合考虑，采用地面拼装后将主桁架解体成三段进行吊装的施工方法，具体分段位置及单件重量如图3。
图3 桁架分段位置及重量示意图
4.2 施工机械选择
根据桁架分段安装的特性，选择一台行走式、臂长50m的C7027塔吊作为主要吊装机械。根据塔吊性能表，C7027塔吊当臂长为50m时，半径18.1m，吊装重量为16吨，能够满足第一段吊装；半径为27m时，吊装重量为9.98吨，满足第二节构件吊装；半径为40m时，吊装重量为6.86吨，满足第三节构件的吊装（第三节雨沟单独吊装）。
C7027塔吊布置在H轴线外侧11.5m处，轨道间距6m，根据吊装范围划分轨道长度设定为120m，随桁架的安装过程翻转使用。塔吊与主体结构相对位置见图4。
图4 塔吊与看台及构件的相对关系图
4.2 屋面结构吊装
整个屋面结构分为36个单元进行吊装，每个单元由1榀主桁架（分三段进行吊装）、前环桁架、后环桁架、膜支撑结构和尾部结构等七部分组成。这七部分构件均在地面进行拼装后进行吊装。主桁架吊装过程中为了使两段桁架之间的焊接在不受力状态下进行，在主桁架第二段和第三段吊装时，采用临时吊架将结构临时固定后焊接。
一个单元的安装流程为：主桁架第一节安装→后环桁架安装→安装临时门型框架→安装第二段主桁架→安装端部次桁架→安装第三段主桁架及后端膜支撑结构 → 安装前环桁架→安装前端膜支撑结构。
桁架吊装顺序是从与劲性柱连接的端桁架分段开始按顺时针方向进行安装，先安装相邻两段端桁架，再安装它们之间的外环支座桁架，然后安装相应的次桁架，调整就位后与劲性柱连接牢固，安装第一榀主桁架的第二段、第二榀主桁架的第二段，焊接后安装第一榀、第二榀的第三段，然后安装内环支座桁架后，安装相应的次桁架，如此循环安装，安装至三分之一圆周，整体调整达到精度后，焊接主桁架与次桁架之间的连接系杆。马道、天沟在相应桁架吊装前即组装于桁架上，与桁架整体吊装。
4.3安装施工安全措施
桁架在吊装前已经将马道及天沟组装在上面，可兼做安全通道，另外在桁架端头及焊接处两侧各挂一安装吊笼及直爬梯，在顶部主天沟一侧设置活动的安全栏杆，形成环形通道。构件起吊前，所有安全设施全部安装到位，随构件同时吊装到指定位置。
4.4安装施工阶段安全验算
构件悬臂状体计算按照单独一榀桁架悬臂受力（实际安装过程中这种情况不存在），两榀桁架同时悬臂受力和三榀桁架同时悬臂受力三种情况进行计算。
第一种情况，安装主桁架，除支座外侧向没有任何支承，经计算悬臂端最大竖向位移为87.91mm，为跨度的87.91/30000=1/341<1/200，满足规范要求。悬臂端侧向位移为53.732mm，为跨度的53.732/30000=1/558<1/500，满足规范要求。应力计算结果均满足规范要求。
第二种情况，两榀主桁架安装就位，端部侧向桁架与其连接安装完成以后，经计算悬臂端最大竖向位移为60.843mm，为跨度的87.91/30000=1/493<1/200，满足规范要求。悬臂端侧向位移为3.609mm，为跨度的53.732/30000=1/8312<1/500，满足规范要求。应力计算均满足规范要求。
第三种情况，三榀主桁架安装就位，端部侧向桁架与其连接安装完成以后，经计算悬臂端最大竖向位移为60.843mm，为跨度的63.243/30000=1/474<1/200，满足规范要求。悬臂端侧向位移为4.755mm，为跨度的4.755/30000=1/6309<1/500，满足规范要求。应力均满足规范要求。
4.5 焊接质量控制
根据运输条件，构件在厂内分段制作，现场拼装，组装，现场进行操作平台上焊接。本工程钢桁架安装焊接特点与难点有：主桁架跨度大，钢管管径大、管壁厚，焊接量大，焊接变形难以控制；均为单面焊，焊接位置复杂，焊接难度大；部分空中安装接口无法加衬垫，必须确保单面焊双面成型；焊接难度大，且返修困难。针对以上特点与难点，采取以下措施进行施焊，以控制焊接质量：
（1）采用合理的安装、焊接顺序球节点就位固定后，再焊接弦杆对接焊缝，同一管两端焊缝焊完一端后再焊另一端，使其可自由收缩，这样既可减小应力，又可保证精度。主弦管焊接完后再安装腹杆。
（2）主弦管管径大，每个管口由两名焊工同时同步对称焊接，采用多层多道焊，以防发生角变形。腹杆与弦杆的对接或相贯焊缝由多名焊工由中间往两端对称施焊，以防发生扭曲等变形。
（3）采用合理的焊接工艺参数焊接时，控制线能量。要求焊工采用的焊接工艺参数尽可能一致。由于现场大多数为全位置焊缝，焊接难度大，对焊工的技能要求高。焊工不仅要持证，且必须通过现场模拟考试方可上岗。
（4）焊接设备检查处于良好状态。加强焊接材料管理。焊接材料严格按规定保管、烘烤、发放。
（5）加强工序管理。正式焊接前，分别对装配质量、坡口清理、临时支撑或固定设施、预热、焊条烘烤等焊前准备工作逐项确认。
（6）露天作业，做好防风防雨措施。
5 结语
本工程利用钢结构CAD技术可以保证钢结构设计的准确性，提高设计效率，CAM技术则可显著提高钢结构加工效率、节省钢材，这两个技术的集成应用对于提高设计与施工速度和精度，降低工程成本有积极意义。针对非洲地区的施工条件，采取主桁架的分段安装的方法，取得了良好的施工效果，经过验算，施工安全也得到了保证。结合当地情况，通过赞比亚体育馆屋面钢结构悬臂主桁架加工制作及安装施工技术的研究与实践，我们获取了很多在非洲地区施工的宝贵经验。
【作者简介】蔡力波（1981-），男，本科，工程师。
关键词：卢萨卡体育场；钢结构；CAD/CAM集成技术；三段吊装
中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：
工程概况
1.1 工程概况
赞比亚卢萨卡体育场是一座长轴300m，短轴250m的椭圆形体育场，可容纳5万名观众。屋面由36榀悬挑30m的钢结构管桁架做为主要受力构件，主桁架之间采用前、后环桁架连接，前后环桁架之间及桁架尾部为膜支撑结构。钢结构管桁架的安装标高根据建筑要求在23.131m~34.182m之间逐渐变化。屋面三维结构形式如图所示。
图1 体育场屋面钢结构三维图图2悬臂主桁架截面形式详
1.2 构件详细概况
屋面钢桁架的总长度约40m，为倒三角空间桁架，两上弦杆之间中心间距为3m，桁架高度为变截面，端部高4m。单件重量约25吨。桁架采用钢管进行制作，所有连接节点均采用焊接连接节点。桁架后端为间距6m的两个支座与劲性混凝土结构进行连接。桁架结构形式如图2所示。
施工难点
（1）钢结构形式主要为三维空间管桁架形式，管桁架中管与管的连接，最复杂的形式为七根次管与主管同一部位、不同角度连接，对精度和质量的控制比较困难。所有钢管焊口均为异型焊口，加工精度要求高，需采用相贯线切割机加工管头。屋面单元钢管均为弧形，弧度各有不同，需要设计专用模具进行弧度加工。
（2）本工程钢结构平面覆盖范围是长轴300m，短轴250m的椭圆。钢结构施工覆盖面大，单件重量重，安装高度高，方案选择对施工成本会造成较大影响。
（3）工程结构形式复杂。本工程为大面积空间管桁架结构，所有构件均需要空间三维定位，测量复杂，精度要求高。
总体施工方案的选择
根据以上工程特点难点，经过仔细研究施工图纸和进行现场踏勘，决定采用采用国内制作厂构件零件加工、部分组装焊接，整体预装、国外安装现场单元组装、焊接，桁架整体预拼装再分段安装的施工方式。
针对三维空间管桁架的结构形式，采用CAD/CAM集成技术作为管桁架结构制作加工工艺，以相贯线焊接为重点提高加工精度，保证质量。
以桁架组装安装结合，确保进度。桁架因整体重量重吊装困难的原因分为三段，又因运输原因分为组装单元，保证桁架整体尺寸及安装后的精度及施工进度是关键。桁架在国内加工厂制作时，对每一形式的桁架组装一榀，进行关键节点及杆件长度和桁架整体精度确认，无误后再进行批量生产，确保运输至国外安装现场的构件质量，提高组装、拼装速度。
鋼结构安装工艺
4.1 主桁架构件分段
主桁架采用后支撑悬臂桁架，桁架总长度40m，整体拼装后总重量25吨，所有钢结构均需要看台混凝土结构施工完成后进行安装。若采用拼装后整体吊装势必需要大型起重机械进行吊装，大大增加吊装机械使用费。经综合考虑，采用地面拼装后将主桁架解体成三段进行吊装的施工方法，具体分段位置及单件重量如图3。
图3 桁架分段位置及重量示意图
4.2 施工机械选择
根据桁架分段安装的特性，选择一台行走式、臂长50m的C7027塔吊作为主要吊装机械。根据塔吊性能表，C7027塔吊当臂长为50m时，半径18.1m，吊装重量为16吨，能够满足第一段吊装；半径为27m时，吊装重量为9.98吨，满足第二节构件吊装；半径为40m时，吊装重量为6.86吨，满足第三节构件的吊装（第三节雨沟单独吊装）。
C7027塔吊布置在H轴线外侧11.5m处，轨道间距6m，根据吊装范围划分轨道长度设定为120m，随桁架的安装过程翻转使用。塔吊与主体结构相对位置见图4。
图4 塔吊与看台及构件的相对关系图
4.2 屋面结构吊装
整个屋面结构分为36个单元进行吊装，每个单元由1榀主桁架（分三段进行吊装）、前环桁架、后环桁架、膜支撑结构和尾部结构等七部分组成。这七部分构件均在地面进行拼装后进行吊装。主桁架吊装过程中为了使两段桁架之间的焊接在不受力状态下进行，在主桁架第二段和第三段吊装时，采用临时吊架将结构临时固定后焊接。
一个单元的安装流程为：主桁架第一节安装→后环桁架安装→安装临时门型框架→安装第二段主桁架→安装端部次桁架→安装第三段主桁架及后端膜支撑结构 → 安装前环桁架→安装前端膜支撑结构。
桁架吊装顺序是从与劲性柱连接的端桁架分段开始按顺时针方向进行安装，先安装相邻两段端桁架，再安装它们之间的外环支座桁架，然后安装相应的次桁架，调整就位后与劲性柱连接牢固，安装第一榀主桁架的第二段、第二榀主桁架的第二段，焊接后安装第一榀、第二榀的第三段，然后安装内环支座桁架后，安装相应的次桁架，如此循环安装，安装至三分之一圆周，整体调整达到精度后，焊接主桁架与次桁架之间的连接系杆。马道、天沟在相应桁架吊装前即组装于桁架上，与桁架整体吊装。
4.3安装施工安全措施
桁架在吊装前已经将马道及天沟组装在上面，可兼做安全通道，另外在桁架端头及焊接处两侧各挂一安装吊笼及直爬梯，在顶部主天沟一侧设置活动的安全栏杆，形成环形通道。构件起吊前，所有安全设施全部安装到位，随构件同时吊装到指定位置。
4.4安装施工阶段安全验算
构件悬臂状体计算按照单独一榀桁架悬臂受力（实际安装过程中这种情况不存在），两榀桁架同时悬臂受力和三榀桁架同时悬臂受力三种情况进行计算。
第一种情况，安装主桁架，除支座外侧向没有任何支承，经计算悬臂端最大竖向位移为87.91mm，为跨度的87.91/30000=1/341<1/200，满足规范要求。悬臂端侧向位移为53.732mm，为跨度的53.732/30000=1/558<1/500，满足规范要求。应力计算结果均满足规范要求。
第二种情况，两榀主桁架安装就位，端部侧向桁架与其连接安装完成以后，经计算悬臂端最大竖向位移为60.843mm，为跨度的87.91/30000=1/493<1/200，满足规范要求。悬臂端侧向位移为3.609mm，为跨度的53.732/30000=1/8312<1/500，满足规范要求。应力计算均满足规范要求。
第三种情况，三榀主桁架安装就位，端部侧向桁架与其连接安装完成以后，经计算悬臂端最大竖向位移为60.843mm，为跨度的63.243/30000=1/474<1/200，满足规范要求。悬臂端侧向位移为4.755mm，为跨度的4.755/30000=1/6309<1/500，满足规范要求。应力均满足规范要求。
4.5 焊接质量控制
根据运输条件，构件在厂内分段制作，现场拼装，组装，现场进行操作平台上焊接。本工程钢桁架安装焊接特点与难点有：主桁架跨度大，钢管管径大、管壁厚，焊接量大，焊接变形难以控制；均为单面焊，焊接位置复杂，焊接难度大；部分空中安装接口无法加衬垫，必须确保单面焊双面成型；焊接难度大，且返修困难。针对以上特点与难点，采取以下措施进行施焊，以控制焊接质量：
（1）采用合理的安装、焊接顺序球节点就位固定后，再焊接弦杆对接焊缝，同一管两端焊缝焊完一端后再焊另一端，使其可自由收缩，这样既可减小应力，又可保证精度。主弦管焊接完后再安装腹杆。
（2）主弦管管径大，每个管口由两名焊工同时同步对称焊接，采用多层多道焊，以防发生角变形。腹杆与弦杆的对接或相贯焊缝由多名焊工由中间往两端对称施焊，以防发生扭曲等变形。
（3）采用合理的焊接工艺参数焊接时，控制线能量。要求焊工采用的焊接工艺参数尽可能一致。由于现场大多数为全位置焊缝，焊接难度大，对焊工的技能要求高。焊工不仅要持证，且必须通过现场模拟考试方可上岗。
（4）焊接设备检查处于良好状态。加强焊接材料管理。焊接材料严格按规定保管、烘烤、发放。
（5）加强工序管理。正式焊接前，分别对装配质量、坡口清理、临时支撑或固定设施、预热、焊条烘烤等焊前准备工作逐项确认。
（6）露天作业，做好防风防雨措施。
5 结语
本工程利用钢结构CAD技术可以保证钢结构设计的准确性，提高设计效率，CAM技术则可显著提高钢结构加工效率、节省钢材，这两个技术的集成应用对于提高设计与施工速度和精度，降低工程成本有积极意义。针对非洲地区的施工条件，采取主桁架的分段安装的方法，取得了良好的施工效果，经过验算，施工安全也得到了保证。结合当地情况，通过赞比亚体育馆屋面钢结构悬臂主桁架加工制作及安装施工技术的研究与实践，我们获取了很多在非洲地区施工的宝贵经验。
【作者简介】蔡力波（1981-），男，本科，工程师。