1 全封闭煤棚结构主要施工技术分析

　　1.1 高空散装法

　　高空散装法是空间网格结构施工过程中最常见的施工方法，通常是在预定位置直接进行杆件和单元块拼装，充分利用空间网格杆系结构方便拆分、拼装的特点，适用于螺栓球等形式的节点构造。高空散装法根据支承形式不同通常采用全支撑脚手架、移动支架和无支架施工技术。特别是在球面网壳煤棚施工时，依据网壳结构和内部取料设备的安装顺序，分为内扩法和外扩法2种不同施工方法。

　　1.1.1 全支撑脚手架施工

　　全支撑脚手架又称满堂脚手架，通过从地面开始搭设平台式大规模脚手架来保证施工，是空间网格结构最早也是最普遍的施工形式^[1]。其施工过程可归纳为4个部分:搭设脚手架和操作平台、网格结构高空拼装、支座安装、拆除脚手架和支撑结构。

　　全支撑施工方法重点在于满堂脚手架搭建，需根据网格结构不同形式进行方案选择，同时搭建和拆除过程应严格满足规范要求。该施工技术经过大量工程检验，安全性有保障，施工难度低，几乎适合任何结构形式和场地情况下的施工，但同时大量脚手架搭设不可避免地会造成时间和成本提高，施工效率较低。

　　进行支撑方案比选时，正确选择计算模型是保证支撑结构设计安全的第一步。考虑脚手架水平构件常采用扣件连接，宜在计算模型中设定为铰接。相应地，设置斜撑以提供足够的抗侧刚度。工程中常采用巨型斜撑方案，可获得最大抗侧刚度效果。

　　1.1.2 移动支架施工

　　在全支撑脚手架基础上，为节约脚手架材料用量和人工成本，逐渐发展出移动支架施工方法。采用不固定支撑方式先进行部分结构安装，然后移动支架进行下一部分结构安装，同时在已安装部位设置临时支撑以控制内力和变形，最终完成整体结构施工。

　　在全封闭煤棚施工中，该施工方法多适用于施工部位和支撑点平行的结构形式，如网架结构和柱面网壳结构等，湛江钢铁基地干煤棚结构^[2]采用网架累积拼装、支架逐步移动施工方法^[2]，如图1所示。

　　图1 湛江煤棚分区施工  

　　以此为例，归纳干煤棚结构采用移动支架安装法的施工顺序:(1)确定网格结构施工分区与安装顺序;(2)搭设移动支架及其移动轨道，完成局部区域安装，并布置监测点;(3)在已完成区域搭设临时支撑，脱开支架并沿预设轨道移动;(4)依次重复步骤(2)和(3)，直至网格整体安装完成。

　　该施工方法相对于全支架施工法更具有经济性，能节省大量人力、物力，并大幅度缩短施工工期，缺点是稳定性相对不足。一方面因后续施工会对已完成的安装区域产生影响，因此在整个施工过程中需实时监测并控制临时支撑点位及已完成结构部分的应力和应变。同时，在设计阶段也应考虑施工带来的内力变化，进行构造和支撑布置，如滇东电厂干煤棚钢网架项目^[3]在设计阶段综合考虑了全过程施工模拟分析，在支架内部搭设水平剪刀撑，并通过设置大斜杆和缆风绳来固定移动支架，保证其整体稳定性。

　　移动支架安装法安全计算包括:(1)移动支架设计要考虑移动过程中的稳定性，包括构件稳定性、整体支架稳定性及移动过程中的几何稳定性;(2)牵引动力设计支架在移动过程中要确保移动的均匀性及推(牵引)力的合理分配。

　　1.1.3 无支架施工

　　无支架高空散装施工技术利用空间网格结构自身整体稳定性能优异的特点，直接以已完成安装施工的网格结构作为下一阶段施工平台，无须进行脚手架或支撑平台搭设，能更进一步地减少工作量，加快施工进度。哈密市淖毛湖镇工业园焦煤棚^[4]及重庆石柱发电厂干煤棚项目^[5]的钢网架施工时均采用无平台高空散装施工技术。

　　无平台高空散装的施工顺序为:在地面进行小拼单元组装→选定起步跨和安装顺序→完成网格结构起步跨施工→以起步跨为基础向外拓展进行空中散装。其中最重要的是起步跨选择，通常情况下均选取整个网格结构的中间部分作为最先安装的起步跨，然后以起步跨为基准，向两端延伸。具体到每跨安装时，又通常选取端部为起点，从两端向中间进行网格散装。

　　该方法施工技术难度较大，要求作业人员在节点安装时保证较高操作精度，及时纠正误差，管理人员妥善做好安全防范工作。

　　无支架施工技术模拟计算需提供施工过程变形预调值，给出每个安装步对应构件的安装(空间)坐标值。这一计算过程较复杂，因对应目前安装步的构件在安装结束后会产生变形，已安装成型的结构在当前构件重力作用下也会产生相应变形，即前后结构相互作用，前后变形相互影响。因此，计算方法的正确性是预测构件安装坐标准确性的基础。

　　1.1.4 内扩法

　　全封闭煤棚结构中的球面网壳形式会在四周布置混凝土柱，然后根据材料进场和人员配备等情况确定网壳结构施工及其场地内部输料机安装先后顺序，因此，该结构形式煤棚会根据实际施工需求选择内扩法或外扩法施工技术，当先进行内部输料系统结构安装时，会选择内扩法进行安装，如福建石狮干煤棚的网壳施工^[6]，如图2所示。

　　图2 福建石狮煤棚内扩法施工现场 

　　内扩法是从外向内、从低到高进行施工，其施工顺序可以归纳为:进行测量定位和外圈支座安装→完成最低端第1圈网格安装→继续向内安装直到网格主体结构完成施工。

　　内扩法施工技术工艺难度小，费用相对较少，无需太多大型设备，对场地要求更低，因此在球面网壳结构中广泛使用。但其施工过程中复杂的内力变化会导致施工质量难以得到保证，卓新通过跟踪一个典型的球面网壳结构的施工过程对此进行分析说明^[7]:内扩法施工时，其施工引起的内力是由正在安装的这一圈结构的荷载所产生，因此内力随着施工的进行会逐步积累，同时由于刚度影响，还会使已完成安装的结构进行内力重分布，因此在整体结构施工完成后其内部的实际应力会和最初的设计应力产生较大差别，同时还指出不同施工方法会产生不同程度的影响。

　　1.1.5 外扩法

　　外扩法施工是逆作法在煤棚施工技术上的一种表现形式，和内扩法施工相反，是从中心向外围、从高到低进行的施工技术，当干煤棚需先进行网壳结构安装时，通常会选择外扩法施工技术。其安装顺序为^[8]:先在场地中央完成最高部分拼装→根据需要设置多根扒杆并用缆风绳进行固定→通过扒杆进行已安装结构的提升→提升一定高度后继续进行网壳安装→重复进行上述过程直至完成整体结构施工。

　　外扩法施工是在内扩法基础上改进得到的，通过和内扩法比较，可以看出外扩法拼装多在地面进行，减少了高空作业，因此能较好地减小安装误差，提高工程质量;同时由于外扩法中支座最后安装，因此能避免内扩法最初安装支座时存在的测量误差带来的影响^[9]。但外扩法对大型设备和施工场地的要求更高，同时由于网壳要进行长时间吊装提升工作，对施工设计和操作要求更严格。

　　1.2 整体安装法

　　整体安装法是指在地面上先完成网格结构全部拼装工作，然后通过施工设备进行整体移动安装，根据移动方式和使用的工程设备不同，整体安装法可分为整体顶升、整体提升和整体吊装等，同时根据煤棚项目独特性，有时也会出现不同施工方式的交叉使用，如冯家川煤棚项目^[10]便同时采用了提升法和顶升法。整体安装法能避免绝大多数的高空操作和支架搭设，在施工质量能得到保证的基础上大幅度降低人工和时间成本，但整体安装法对场地和施工技术要求较高，需施工单位制定完善的施工流程，并实时监控网格结构移动全过程。

　　1.2.1 整体顶升法

　　整体顶升法是通过在预设位置搭设顶升支架，然后使用千斤顶进行顶升操作的施工工艺，如图3所示。

　　因顶升操作只能在垂直方向进行，不能在平面上移动或旋转，因此顶升点位的选择尤为重要，会影响整个工程精度和质量。整体顶升法在网格结构中的施工安装顺序为:确定顶升点位置并搭设拼装支架→完成网格结构整体拼装并进行检查→安装大体积构件液压同步顶升系统^[11]→进行结构顶升并实时监测→顶升到预定高度后进行支座安装→拆除顶升和拼装支架。

　　图3 整体顶升法施工工艺  

　　整体顶升法操作过程需注意:(1)在正式顶升施工前要进行试顶操作^[12]，即先顶升一段距离后进行悬停监测，将施工实际内力和设计阶段受力情况进行对比分析，无异常情况后再开展正式顶升;(2)顶升过程中要进行同步控制，每一阶段的顶升都要及时消除误差，确保每个顶升点顶升高度一致，避免出现高度差导致结构承受过大附加内力。

　　在传统煤棚结构整体顶升施工中，随着顶升点不断升高，施工难度也逐步增大，容易出现顶升支架失稳情况，因此，进一步开发出单向顶升逐步拼装施工方法^[13]，该技术采用对结构进行分块顶升并拼装的方式，通过移动液压千斤顶消除顶升位移，并减少顶升支架使用数量，提高整个顶升过程中网格结构的安全性。

　　1.2.2 整体吊装法

　　整体吊装法中常见吊装设备主要有起重机、拔杆等，其中多根拔杆施工形式能较容易地实现水平和垂直移动，为错位安装提供基础。煤棚结构施工时，由于场地限制往往不能完全在原位进行垂直吊装，因此我国常用多根拔杆吊装法进行施工，如江西分宜热电厂网壳结构施工^[14]等，其原理为:以拔杆为承重装置，两端滑轮传动系统固定在网格结构上提供动力，然后进行整体吊装，其施工过程可分为以下步骤:选择拔杆规格和吊点位置→完成网格结构整体结构拼装→分批次进行整体吊装并进行核验→进行空中移动确保结构就位→拆除拔杆和辅助支架。

　　多根拔杆吊装最大优势是能通过控制拔杆两侧滑轮组水平分力的差值来实现吊装结构水平或旋转移动^[15]。为保证拔杆稳定性可通过设置缆风绳等对拔杆进行加固处理。整体吊装法一般适用于工期紧张来不及进行脚手架安装，同时场地受限不允许大型起吊设备入场的工程情况。

　　1.2.3 整体提升法

　　整体提升法是先在地面完成结构整体拼装，然后通过安装穿心式液压千斤顶、电动升降螺杆等设备来进行结构提升的施工技术，如图4所示。随着自动化工业发展，结合计算机技术开发出液压同步提升技术^[16]，并被越来越多地运用到网格结构领域，其原理是通过计算机来直接控制液压泵站的动力输出，实现整个提升过程。施工顺序为:完成网格结构地面整体拼装→确定提升点布置并进行设备和支架安装→进行结构整体同步提升→拆除提升设备。

　　图4 整体提升施工方案  

　　整体提升法相较于吊装和顶升施工，对设备要求较低，适合在场地受限情况下采用，对于多点支承网格结构能有较好效果，相较于高空散装法，无需搭设支架，空中作业较少，能提高工作效率和施工质量。在整体提升过程中，需注意对提升支架强度和稳定性进行监控和验算，同时在最后的支座安装完成后要注意控制卸载时产生的变形^[17]。

　　1.3 滑移拼装法

　　滑移拼装是在网格结构选定部位搭设支架进行局部结构拼装，然后设置滑移轨道，通过卷扬机或手拉葫芦牵引至设计位置，然后进行安装就位^[18]。

　　JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》中根据滑移过程的不同对其进行分类，常见有单条滑移法和逐条累积滑移法，单条滑移法是将每个单元均滑移至预定位置进行安装，然后再进行各单元之间拼装;而逐条累积滑移法是将上一个单元拼装完成后向前滑移一段距离，在此基础上安装下一个单元并进行连接，重复进行上述过程，直到完成整体网格结构安装，柱面网壳结构的逐条累积滑移施工如图5所示。

　　图5 柱面网壳结构滑移  

　　在煤棚结构建设中，逐条累积滑移法是现阶段较常用的施工方法，如北京华能热电厂干煤棚^[19]、安徽发电厂煤棚^[20]、山西焦化厂煤场^[21]等均采用这种施工技术。施工流程为:划分滑移单元，确定累积滑移距离→布置水平和侧向滑移轨道→进行滑移施工并实时监测→调整网格结构位置并固定支座→拆除滑移轨道。

　　滑移拼装法在施工过程中需注意^[22]:(1)布置滑移轨道时，需安装水平和侧向轨道，前者布置在下侧固定支架上，后者布置在侧向支撑结构上;(2)对滑移距离的同步控制，需通过实时测量保证单元两端每次滑移距离差值在可控范围内;(3)对整个网格结构在滑移阶段的内力和挠度进行验算，尤其是滑移阶段牵引力直接作用的部位，需进行加固处理。

　　由于滑移拼装施工直接在空中进行，因此，网格结构施工可与土建工程同时进行。对于尺寸较大的网格结构，整体安装法技术难度较高，更适合采用滑移法进行拼装施工。

　　1.4 折叠展开法

　　对于曲率和净高较大的网格结构，尤其是煤棚结构中常见的球面网壳结构，传统施工方式存在许多问题。整体安装法容易在提升或顶升过程中出现偏心受力，导致结构受力超限;而高空散装法则需耗费大量人力、物力，同时由于矢高过高，往往安全性及施工精度得不到保证。为解决这一难题，日本川口卫提出一种新的施工技术———攀达穹顶体系，其在国际上最早应用于1984年日本神户的世界纪念厅，随后用于国际上一些典型的大跨空间结构中，如日本奈良大会堂^[23,24]、新加坡国立体育馆等。

　　该技术于1999年传入国内，赵剑利^[25]对其原理和施工难点进行全面介绍分析，随后罗尧治^[26]及其团队结合国内施工特点在其基础上进行完善，总结出折叠展开式整体提升施工技术，并于2002年在河南鸭河口干煤棚网壳结构施工中首次实际应用^[27]，如图6所示。该技术原理为:在地面拼装时去掉部分杆件并人为设铰，对结构进行分块折叠，一方面既能降低安装难度，另一方面可将网格结构变成可以进行弯折的机构，然后对机构进行整体提升，就位后再安装之前拆除的杆件使之变成静定结构。

　　整个施工过程可划分为结构→机构→结构3个阶段，步骤为:确定网格结构分块设铰布置→地面进行折叠机构拼装→布置提升设备和支架→进行机构同步提升施工→就位后安装缺失杆件。

　　折叠展开安装过程中最关键的是铰节点设置和提升过程中的监测，前者主要注意限制铰节点移动范围使其仅在竖向平面内转动，避免在提升过程中铰的转动产生不利影响，目前实际施工中基本采用销轴连接的可动铰设置;后者主要控制提升时的同步性，避免出现铰点不平行或不共线的情况。施工时，通常会在提升机构两侧设置临时拉索^[28]，通过控制拉索张力控制结构自由度，避免其出现水平移动和瞬变现象。

　　图6 鸭河口煤棚折叠展开施工  

　　2 结语

　　1)高空散装法适用于如螺栓球节点的网格结构，全支架施工经验最丰富，操作相对简单，但其工程造价和时间成本相对较高;移动支架施工适用于柱面网壳等平行结构，能节省人力物力，缩短工期，但相对稳定性能不足，需做好加固工作;无平台施工适用于场地受限情况，但施工技术难度较大。

　　2)内扩法和外扩法适用于球面网壳结构形式的煤棚，通常根据内部设备和网壳结构施工的先后顺序进行选择，前者相对施工难度小，场地要求低，工程造价较低;后者能缩短施工工期，同时提高工程精度和安装质量。

　　3)整体安装法能避免高空操作和搭建支架工作，其中整体顶升和整体提升施工只能在垂直方向进行，而整体吊装法能实现空中水平和垂直移动。对施工机械要求较高，在施工安装过程中需进行实时监测，避免出现结构受力超限。

　　4)滑移拼装法中常用于煤棚结构施工的是逐条累积滑移法，属于高空施工且支架搭设量较小，能和地面土建工程同时进行，因此能有效加快施工进度。当煤棚网格结构尺寸较大时，相较于整体安装法其施工难度更低，更具有可操作性。

　　5)折叠展开法适用于矢高较高、曲率和跨度较大的空间网格结构，能避免整体安装及高空作业中结构受力难以把控的问题，但技术难度较高，需通过合理设计铰节点控制结构提升中的自由度。