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中國國家大劇院殼體鋼結構施工工藝的研究和改進

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]

    上海市機械施工公司
    中國國家大劇院座落于天安門廣場的西南側，其東面與人民大會堂為鄰，北面與中南海相望，位置顯要。由法國 ADP公司著名建筑師安德魯先生設計的國家大劇院，其外形似一顆橢球形的珍珠，半浮于如鏡水面之上，在藍天白云的襯托下，浮光掠影，璀燦奪目。這給具有厚重歷史色彩的天安門廣場注入了輕靈的現代氣息。
    　　 或許對中國國家大劇院的建筑方案的評價，依然仁者見仁，智者見智。但在中國建設者創(chuàng)造性的努力下，其巨型的殼體鋼結構已揭去了神秘面紗，露出其偉岸的身軀，使留連在長安街上的人們得以一睹芳容。數年一劍，短短三個月的殼體鋼結構的現場吊裝，既反映了中國工程技術人員們幾年來對施工工藝的不懈研究和改進的成效，也凝聚著中法兩國建筑結構專家的心血和智慧。
    　　 在國家大劇院這個世人矚目的項目建設上，安德魯先生和他的同事們對此傾注了巨大的心力。他們不僅在建筑方案上幾易其稿，而且對殼體鋼結構從制作到安裝，從結構的整體穩(wěn)定到節(jié)點的細部處理，作了詳細的考慮和詳盡的計算。當我們揣摸著洋洋萬言的技術要領書和厚達盈寸的結構驗算資料，深感到法國同行們對這一精品工程的厚望?；蛟S，其中還包含著對中國建筑施工能力的一絲疑慮。
    　　 這種疑慮，并非毫無道理，因為這畢竟是中國國內所僅有，乃至世界上亦屈指可數的巨型鋼結構殼體。其長達 212m，寬為143m，高至45m，由一組頂環(huán)梁、148榀弧形梁架和內外各42道環(huán)桿組成，重逾6000t。巨大的穹頂內部沒有一根立柱，卻包含著歌劇院、戲劇院和音樂廳三幢混凝土建筑，結構形式及施工環(huán)境之特殊，確實給施工建造出了一道難題。
    　　 承擔國家大劇院殼體鋼結構施工任務的上海建工集團總公司及所屬上海市機械施工公司，在業(yè)主委員會有關領導的充分信任和支持下，在北京雙圓監(jiān)理的鼎力相助下，自 2000年始，即組織了精干的技術隊伍對殼體鋼結構的施工工藝進行了全面的探索和研究。我們和法國設計師們進行了數十次的技術談判和書面交涉，認真分析和吸收法國同行們的合理建議，在結構吊裝順序、吊裝單元劃分，吊裝過程中結構約束條件和構造處理等許多方面達成共識。但由于雙方在文化或觀念上的差異，以及對中國國情認識上的不同，在一些比較重大的施工技術措施上存在分岐。在交涉過程中，我們不唯洋是從，堅持從中國國情和上海建工自有的技術優(yōu)勢出發(fā)，以我為主，集思廣益，形成了一條既有創(chuàng)新，又可操作的鋼結構施工技術路線。
    　　 我們和法國同行們意見分岐的根本之點，在于對鋼結構安裝精度的控制上。眾所周知，鋼結構安裝的精度，特別是大跨度空間復雜鋼結構的安裝精度，是有其客觀限度的。它受到我國目前材料、制作和安裝工藝水平的限制，同時還受到日照、溫差等環(huán)境因素的影響。每一項超過常規(guī)要求的質量指標，不是一定不能達到，而是要化極大的質量成本的。也許是法國設計師們受到追求精品工程這一欲望的驅使，為了使鋼結構上覆蓋的鈦合金板和玻璃幕墻完美無缺，他們對殼體鋼結構制作和安裝的精度，提出了近乎苛刻的要求：制作，任意點偏差小于 1mm；安裝，任意點偏差小于2mm，完成殼體安裝后結構恒載作用下變形與理想橢球體任意點的空間位移不大于20mm，這與我國現行的有關規(guī)范和標準天差地遠。如：按現行的國家鋼結構驗收規(guī)范（GB50205-2001）中，對大于60m的大跨度桁架的平面外撓曲值為≤50mm，法方的要求（2mm）比現行規(guī)范要高出數十倍。如果接受法方要求，就意味著要化極大的施工代價來強求。即便如此，由于客觀因素的影響，其效果也不得而知。正如業(yè)主方有一位高級工程師作了極為形象的比喻，幕墻與鋼結構的關系，就好比靴子與人足的關系，唯有以靴子來適應雙足，而絕不能以人足來適應靴子。因此我們堅持以國家現行標準為基礎，按照或參照標準中的有關內容，制訂了切實可行的適當高于國家規(guī)范規(guī)定值的《中國國家大劇院殼體鋼結構制作，安裝質量驗收標準》，得到了中國鋼協有關專家和北京市標辦的認可。當然，在確定鋼結構安裝標準的同時，我們及時與幕墻施工單位香港建設進行了技術協調，在幕墻結構和節(jié)點構造設計及施工時，消化鋼結構安裝過程中不可避免的誤差，并得了到了他們的理解和支持。
    　　 為了實現鋼結構安裝的高精度，法方專家提出了一系列相應的施工措施。如在詳圖設計、制作和安裝過程中實施空間三維反變形；又如制作階段殼體鋼結構整體預拼裝；再如計算機控制實時檢測的安裝測量控制等等。這些措施不僅耗費巨大，而且難以操作。我們在對其逐一研究分析的基礎上，提出了針對性的改進方案。
    　　 其一，在詳圖設計、制作和安裝過程中實施空間三維反變形。這是指根據計算機建模后的結構分析結果，要求殼體鋼結構的每一節(jié)點針對結構在恒載條件下的變形值進行三維反向預變形，以求殼體結構在支撐拆除后，完美地符合設計要求的空間尺寸。根據這一思路，由于每榀梁架所有節(jié)點的變形各異，詳圖設計量成倍增加；制作難度增大，φ 1070×30鋼管頂環(huán)梁須做成三向彎曲，預拼裝難以實施；特別是安裝階段除頂環(huán)梁三向彎曲外，每榀桁架平面外均是不同程度撓曲的，測量和定位無法把握。顯然法方的技術措施是無法操作的。我們經過結構分析和計算，發(fā)現殼體鋼結構的變形雖然是復雜的，由于結構的非對稱性，其質量中心與幾何中心不重合，而導致殼體既有平移，又有下撓，還有扭轉，但是其各點的空間矢量位移的絕對值并不大，最大部分發(fā)生在頂環(huán)梁范圍，其極大值亦僅140mm（主要是垂直位移），以橢球短軸143m計，下撓值僅為跨度的1/1000，遠小于設計規(guī)范要求。為了方便施工，我們提出抓住變形的主要矛盾，僅在上段梁架以上范圍內作豎直方向的單向反變形（起拱），在制作和安裝階段保持環(huán)梁和梁架的平面狀態(tài)不變的設想。并在同濟大學的協助下，基于上述設想方案可能導致的結構初始偏差對殼體整體穩(wěn)定性的影響作了反復的驗算和分析，證明其整體穩(wěn)定性與法國的方案相當。有結構驗算結果作依據，我們堅持了自己的做法，為順利制作、安裝創(chuàng)造了條件，實施結果良好，結構變形的實測值和計算值十分接近。
    　　 其二，制作階段殼體鋼結構整體預拼裝。根據法方結構及節(jié)點構造的原先設計，每榀桁間連桿的水平夾角均不相同，且用高強螺栓連接，只有經過整體預拼裝，才能實現制作階段的正確定位，從而保證制作和安裝精度，對于一個長 212m，寬143m，高45m的巨型殼體，進行整體預拼裝談何容易。首先必須落實一塊250mm×200m的預裝場地，然后搭設高達40余m（近十幾層樓高）的滿堂臨時支撐架，再由大型吊車進行預裝，最后解體外運。業(yè)主早已發(fā)現這一措施在技術和經濟上的不合理性，雖經多次交涉，法方仍不允諾。我們在分析了結構和節(jié)點構造特點的基礎上，提出從節(jié)點構造的改進入手，簡化制作階段預拼裝的方案。幾經交涉，我們提出的節(jié)點構造型式最終被法方所接受，而整體預拼裝方案也改為頂環(huán)梁部分立體預拼裝，弧形梁架平面預拼裝。這樣既保證了制作質量，還大大降低了制作成本，縮短了工期。
    　　 其三，計算機控制實時檢測的安裝測量控制。鑒于該殼體鋼結構外形特殊，形體復雜，結構安裝控制點眾多，而安裝精度要求又很高，法方提出了一整套測量控制方案，即在工地四周設置由八至十個測站組成的平面測量控制網（有部分測站設在東側人民大會堂屋頂上）；在殼體外表面設置數百個專用測量梭鏡，內表面粘貼數以萬計的測量反光標志；同時在每一測站上各設一臺高精度全站儀，八至十臺全站儀與中央計算機聯網，進行不間斷實時檢測；通過實測空間坐標與理論模型對照，從而控制殼體安裝的全過程。這一測量方案投入設備數量之多，代價之大是顯而易見的。實施操作中也存在一系列問題，如人民大會堂的屋頂就不準設置測站，所組成的測量控制網由于無法通視而不能工作，再加上環(huán)境影響，如日照、溫差等，造成結構在整個安裝過程中無序變形，并非計算機所能精確模擬的等等。我們借鑒以往工程的成功經驗，把這一超級橢球殼體分解成 150個平面（頂環(huán)梁、底（砼）環(huán)梁各一個平面，梁架一百四十捌個平面）把復雜的空間結構轉化為平面結構，即可用傳統(tǒng)的測量工藝和手段來解決上述難題。實施過程中，我們僅用了兩臺全站儀，十個測量棱鏡，并輔以數臺經緯儀和水準儀，即完成了整個結構在安裝階段的測量控制，并采用由殼體內部向外測設來根本解決通視問題。經驗收，結構安裝精度均符合質量標準要求。
    　　 另外，殼體鋼結構在安裝過程中采用的臨時支撐系統(tǒng)，不僅對施工階段的結構穩(wěn)定和安全十分重要，而且對結構的安裝精度亦有重大影響。法方建議的獨立支撐，局部輪換的方案是難以滿足上述要求的。我們結合工程實際情況，綜合了裝、拆，荷載擴散及支撐豎向剛度和水平剛度的各種因素，創(chuàng)造性地把螺栓球節(jié)點網架引入組合支撐系統(tǒng)，不僅把上千噸的荷載擴散至成萬個支點上，最大支點反力小于 15t，砼結構基本可不作加固；支撐系統(tǒng)的剛度特別大，確保了結構在安裝階段定位的精確和結構穩(wěn)定；而且裝拆方便，特別是拆卸時由于無法使用起重機械，僅能用人力拆除，球節(jié)點網架化整為零的優(yōu)點就更突出了。采用如此大量的球節(jié)點網架組成承重支撐系統(tǒng)，堪稱一絕。
    　　 在整個施工工藝研究和改進過程中，我們請了同濟大學對殼體鋼結構施工的各個階段進行了內力、變形和整體穩(wěn)定的全面復算，請浙江大學對球節(jié)點網架支撐系統(tǒng)進行了設計，請北京冶金設計研究院上海分院承擔詳圖設計，特別是通過中國鋼結構協會邀請了全國知名的專家，學者對鋼結構的選材、總體施工組織設計及制作質量專項標準等關鍵技術問題進行了咨詢和請教，使整個施工工藝更臻完善。
    　　 回顧中國國家大劇院殼體鋼結構施工工藝研究和實施的全過程，我們有理由相信，隨著中國大規(guī)模建設的持續(xù)推進，只要我們集聚國內產學研的各方面優(yōu)勢，自強不息，不懈努力，中國的鋼結構施工技術必將達到國際先進水平。
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