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國家體育場鋼結構安裝方案比選研究

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    高樹棟 李久林 邱德隆 楊俊峰 魏義進 石榮金 李文標 陳橋生

    提 要：本文主要從定性和定量兩方面對國家體育場鋼結構安裝工程進行了整體提升、高空滑移、局部提升+高空散裝和高空散裝四種方案的比選，根據比選結果提出國家體育場鋼結構工程最終的總體安裝方案，期望對類似工程施工提供參考。
    關鍵詞：鋼結構、安裝方案、局部提升、高空散裝

    國家體育場工程是北京2008年奧運會主會場，其鋼結構工程因其結構跨度大、節點復雜，大量采用彎扭構件、構型特異的桁架柱及巨型桁架而讓世人矚目。對于如此復雜的鋼結構工程，采取何種方案順利實現鋼結構的構筑成為國家體育場工程能否勝利竣工的關鍵，也成為世人關注的焦點。
    1工程概況
    國家體育場位于奧林匹克公園中心區的南部，主體建筑緊鄰北京城市中軸線，并與國家體育館和國家游泳中心相對于中軸線均衡布置。國家體育場主體建筑西側為距景觀路200m的中軸線步行綠化廣場，東側為龍形水系及湖邊東路，距CATIC大酒店300m，北側為中一路，南側緊臨北四環，成府路在地下空間穿過用地，如圖1-1奧林匹克中心公園規劃圖。占地面積20.4公頃，總建筑面積25.8萬m2。工程結構形式復雜、建設標準要求，大量采用混凝土斜梁斜柱、鋼結構彎扭構件，無成功經驗可借鑒，施工難度大；建設周期三年，且存在階段性的“三邊”情況，建筑工期特別短；施工場地狹窄，且存在多專業交叉施工，施工組織管理難度大。
    其中，其鋼結構工程由24榀門式剛架圍繞著體育場內部混凝土碗狀看臺區旋轉而成，其中22榀拉通或基本拉通。大跨度鋼結構大量采用由鋼板焊接而成的箱形構件，交叉布置的主結構與屋面、立面的次結構一起編織成“鳥巢”的造型。所有鋼結構構件形成結構及建筑外形，如圖1-2。

    鋼結構屋面呈雙曲面馬鞍型，最高點高度為68.5m，最低點高度為40.1m；平面上呈橢圓形，長軸為332.3m、短軸為297.3；屋蓋中部的開口內環呈橢圓型，長軸為185.3m，短軸為127.5m；大跨度屋蓋支撐在24根桁架柱之上，柱距為38.0m。
    屋頂主結構均為箱型截面，上弦桿截面基本為1000mm×1000mm，下弦桿截面基本為800mm×800mm，腹桿截面基本為600mm×600mm，腹桿與上下弦桿相貫，屋頂桁架矢高12.0m。豎向由24根組合鋼結構柱支撐，每根組合鋼結構柱由兩根1200mm×1200mm箱型外柱和一根菱形內柱組成，每個桁架柱下設有一個T型鋼柱腳，荷載通過它傳遞至基礎。立面次結構截面基本為1200mm×1000mm，頂面次結構截面基本為1000mm×1000mm。
    設計總用鋼量約42000噸。大量采用Q345C、Q345D、Q345GJC和Q345GJD級鋼材，局部采用Q460E-Z35級鋼材和Gs-20Mn5V級鑄鋼件。鋼板的最大厚度110mm，鑄鋼件最厚達140mm。
    鋼構件體型大、單體重量重，構件翻身、吊裝難度大。作為屋蓋結構的主要承重構件的桁架柱最大外形尺寸達25m×20m×68.5m；而主桁架高度12m，雙榀貫通最大跨度約260m。主桁架每延米約2~3t，組合柱每延米最重達10t。
    結構形體復雜，均為箱型斷面構件，位置和方向性均極強；結構跨度大、節點復雜（如圖2-3），安裝精度受現場環境溫度變化等因素影響大，安裝精度極難控制。大量采用了巨型彎扭箱型構件，大量采用高強特厚鋼板，為建筑鋼結構史上首例。而且，鋼結構與混凝土結構施工交叉作業，必須從安全、質量、功能、工期、造價等方面綜合考慮，選擇最優施工方案。

    根據國家體育場整體工程特點，其鋼結構安裝工程主要有整體提升、高空滑移、局部提升+高空散裝、高空散裝四種方案可供選擇。
    2整體提升和高空滑移方案分析
    整體提升方案的總體思路為先在地面完成主體鋼結構和次結構的安裝，整體提升到位后，再開始內部混凝土結構等的施工。如果采用此方案進行施工，鋼結構施工的準備時間因處于關鍵線路將占用很長的絕對工期，看臺混凝土結構因被圍罩鋼結構內部而不能先期施工，因而室內裝修工程、機電設備工程等無法提前插入，導致整個施工現場在前期基本沒有施工任務，總體工期很難保證。另外，如果看臺混凝土結構后于鋼結構施工，則導致混凝土施工穿插于鋼結構的柱網中進行，將會對鋼結構的成品保護和混凝土結構的施工效率等產生巨大影響，進一步影響了整個工程的施工工期。
    高空滑移方案的總體思路為先開始混凝土結構的施工，同時在場地外圍異地將整個結構分為兩半分別高空組裝，組裝完成后將兩半鋼結構滑移到設計位置，再對接合攏完成鋼結構安裝。該方案為主體鋼結構的施工和混凝土的施工同期進行，這樣整個工程的工期就有了最大限度的交叉和壓縮，對實現整個工程的工期目標非常有利。但是采用該方案的前提條件是在場地外側必須要存在與半個橢圓主體結構相當的臨時場地，以便進行半個橢圓結構的安裝，但是根據目前的施工場地現狀，無論是從東西劃分還是南北劃分，均沒有滿足在場地外組裝半個橢圓結構的場地，因此該方案很難實施。另外，即使能夠解決場地問題，半個鋼結構整體重量達到近兩萬多噸，開口桁架跨度大于100m，整個滑移結構跨度297m，因此滑移的臨時滑道設計和結構加固等措施也都是非常難解決的技術難題。
    根據上述分析知，國家體育場工程鋼結構安裝方案不宜采用整體提升和高空滑移方案。
    3高空散裝和局部提升+高空散裝方案比選
    通過前面的分析，國家體育場鋼結構安裝工程已經排除采用整體提升和高空滑移兩種方案。因此，其安裝方案只能在高空散裝和局部提升+高空散裝兩種方案中進行抉擇。下面重點對這兩種方案進行分析比較，從而確定國家體育場鋼結構工程安裝方案。對于這兩種安裝方案，由于其桁架柱及次結構的安裝方法基本相同，最大區別在于頂面主桁架的安裝方法不同。因此，在進行這兩種安裝方案比選時重點進行關于主桁架安裝方法的分析比較。
    3.1局部提升+高空散裝方案
    3.1.1總體思路
    “局部提升+高空散裝”方案的總體思路為將整個“鳥巢”鋼結構分成四塊來施工，即內環整體提升塊、立面桁架柱、外圍主桁架和次結構。總體施工順序為：1、立面桁架柱安裝就位；2、內環整體提升塊施工，內環整體提升塊拼裝在低高空原位拼裝胎架上完成（內環整體提升塊拼裝和裝立面桁架柱安裝同時施工），拼裝完成后用提升設備將其提升到設計位置，并臨時固定于提升支架上；3、將外圍主桁架安裝于桁架柱及內環整體提升塊各自挑出的牛腿上；4、立面、肩部及頂面次結構安裝就位；5、整體鋼結構形成自承重體系后進行卸載工作，從而完成鋼結構工程的施工。
    其中，內環提升塊范圍經綜合比較后選定為B軸以內（此部分混凝土結構施工需在鋼結構卸載完成且提升架拆除后施工）；外圈整體吊裝鋼桁架共為16榀，為對稱分布，主桁架的最大吊裝單元：重163t，長64m。如圖3-1所示。

    3.1.2工況分析
    根據總體安裝思路安排，“局部提升+高空散裝”方案的工況分析分三部分：一是內環局部提升部分整體提升工況分析，二是主桁架吊裝工況分析，三是外圈主桁架吊裝就位后工況分析。
    （1）內環局部提升工況分析
    在進行整體提升之前，需要對提升點進行合理布置，提升點合理布置的原則是盡可能使得各提升架在提升過程中受力分配均勻，并盡量限制桁架懸挑端的變位使得后續的施工安裝過程能夠順利的進行。故在此目的之下，根據內環提升塊的特點、按照均布對稱的原則并結合以往工程的實踐經驗分別對進行了提升點為24點和28點兩種工況分析，期望選取出最佳的提升點布置方案。圖3-2為提升點布置圖。

    在進行內環局部提升工況分析時，主要考慮兩部分變形，即內環整體提升塊在與外圍主桁架對接口處上下弦節點的變形和內環提升點以內構件變形。
    內環整體提升塊與外圈主桁架對接口處上下弦節點變形：
    圖3-3為內環整體提升塊與外圈主桁架對接口上弦節點編號，圖3-4為內環整體提升塊與外圈主桁架對接口下弦節點編號。內環整體提升塊與外圈主桁架上下弦對接口在工況一（24點提升）和工況二（28點提升）的變形值基本一致，差別很小，詳見表3-1和表3-2。


    從表3-1和表3-2知，在內環局部提升塊與外圈主桁架對接口上下弦節點最大變形值為：X方向10.2mm，Y方向9.2mm，Z方向8.9mm。
    內環整體提升塊內變形：
    工況一：24點提升變形：
    內環整體提升塊最大變形發生在內環短軸方向Y軸坐標最大處(如圖3-5(a))，擾度值為： -47mm；另外，內環長軸方向擾度值為-15mm。
    內環整體提升塊內各桿件的應力比如圖3-6(a)所示，最大應力比為0.8；提升點最大反力為3942KN，發生短軸部位提升點上。.
    工況二：28點提升變形：
    內環整體提升塊內最大變形發生在長、短軸四個交角區域（如圖3-5(b)），其最大撓度值為19mm；
    內環整體提升塊內各桿件的應力比如圖3-6所示，最大應力比為0.4；提升點最大反力為2769KN，發生在靠內的四個提升點上。


    （2）外圈主桁架吊裝工況分析
    外圍主桁架各段長短不等，取最長的主桁架吊裝單元進行分析，其長度為64m。吊裝時，采用四吊點吊裝。其工況分析分三部分：主桁架臥拼起吊工況、立吊工況和吊裝就位工況。
    主桁架起吊時其變形如圖3-7所示，其最大變形值為5.7mm，發生懸臂端；吊點最大反力為282KN，支點最大反力為257KN，其應力比如圖3-8所示。

    主桁架立吊時其變形如圖3-9所示，其最大變形值為5.9mm，發生懸臂端；吊點最大反力為610KN，其應力比如圖3-10所示。

    外圈主桁架吊裝就位后其其最大變形為21mm，發生在主桁架的跨中部位；提升點最大反力為3725KN，發生在外圍24個提升點中長、短軸四個交角處；其桿件的應力比圖如圖3-11所示，構件應力比均在0.2以內。

    同時，外圈主桁架吊裝后導致結構的內力重分布，內環桿件應力比有提高，其應力比如圖3-12所示。

    由前面分析知，內環整體提升及外圈主桁架吊裝過程，各桿件變形均處于彈性變形范圍內，其強度、剛度，穩定性均滿足要求。
    但是，其內環整體提升塊與外圈主桁架接口變形相對較大，約50%以上的接口錯邊超過《鋼結構施工質量驗收標準》（GB50205-2001）關于錯邊不大于t/10或3mm規定，對口錯邊問題很難解決。
    3.1.3設計修改后主桁架內環特點
    調整初步設計后，設計將原有的鋼結構活動屋蓋取消，鋼結構固定屋蓋的“內環桁架”開口加大約增加約20m。該“內環桁架”因平面尺度很大、截面板厚較設計修改前有較大減少，同時存在較大的高差，整體剛度較差，已經沒有真正意義上的“內環桁架”。主結構設計修改前后變化情況見圖3-13。同時，由于鋼屋蓋內邊界在東西側已經擴大到一層看臺的邊線、南北側到跑道的外側，如果采取該方案（即采取在地面進行“內環桁架”的整體拼裝、提升的方案）將對混凝土看臺施工產生巨大影響。

    根據前面的分析知，局部整體提升方案已不具有優勢。因此，國家體育場鋼結構安裝工程不宜采用”局部提升+高空散裝”方案進行施工。
    3.2高空散裝方案
    3.2.1總體思路
    “高空散裝”方案的總體思路為將整個“鳥巢”鋼結構在原位高空散裝就位，然后進行支撐卸載工作完成鋼結構的安裝。在進行“高空散裝方案”分析時，根據工程特點分別進行了支撐點為50個（簡稱“散裝方法一”）和支撐點為78個（簡稱“散裝方法二”）兩種安裝方案的比較，支撐點布置如圖3-14。

    散裝方法一總體上分為三個階段五個區域，第一階段安裝1、2區域，即南北側各7個立柱(含部分立面次結構)、部分內圈和主桁架；第二階段安裝3區域，即內環區域的剩余的主桁架，內環形成封閉區域；第三階段安裝4、5區域5即東西側各5個立柱(含部分立面次結構)和主桁架；主結構安裝完成后進行肩部及頂面次結構安裝；整體鋼結構形成自承重體系后進行卸載工作，從而完成鋼結構工程的施工。主結構安裝順序如圖3-15(a)。
    散裝方法二總體上分為三個階段八個區域，第一階段安裝1、2區域，即南北側各3個立柱(含部分立面次結構)、部分內圈和主桁架；第二階段安裝3、4區域，即東西側各3個立柱(含部分立面次結構) 、部分內圈和主桁架；第三階段安裝5、6、7、8區域（即4個角區各3個立柱(含部分立面次結構)及剩余主桁架；主結構安裝完成后進行肩部及頂面次結構安裝；整體鋼結構形成自承重體系后進行卸載工作，從而完成鋼結構工程的施工。主結構安裝順序如圖3-15(b)。

    這兩種安裝方法均為吊裝時首先形成穩定單元，然后逐步分塊、分區對稱安裝，其不同點為：
     主桁架分段長度不同，方法一最大長度為64米（從柱端至第三節點），方法二最大長度為38.5米（第二至第四節點），對應的構件分段不同。
     內環吊裝分塊不同，相應的高空組拼順序不同、對混凝土施工的影響程度不同。
     支撐點設置不同，方法一支撐數量50個，均在第三個節點以內，其中內圈22個、中圈14個、外圈14個；方法二支撐數量78個，其中內圈30個、內圈24個、外圈（第一節點處）24個。
     吊機選擇不同，方法一外圈需要兩臺1000t履帶吊、內圈一需要兩臺500t履帶吊，且工況不均衡；方法二外圈需要兩臺800t履帶吊、內圈一需要兩臺600t履帶吊，工況基本均衡；
    3.2.2工況分析
    對于散裝方法一，主桁架的最大吊裝單元長64m，其工況分析同前文 “局部提升+高空散裝”方案中關于外圈主桁架工況分析的有關內容，這里不在贅述。其最大變形為值為5.9mm，發生懸臂端。該變形值遠超過《鋼結構施工質量驗收標準》（GB50205-2001）關于錯邊不大于t/10或3mm規定，對口錯邊問題很難解決。因此，不宜采取此安裝方法。
    下面重點研究散裝方法二的工況分析。
    對應于78個支撐塔架的“高空散裝”方案，主桁架最大吊裝單元長38.5m。在進行工況計算時，分別對主桁架的翻身和吊起狀態進行了分析，計算結果如表3-3所示。

    90° 9N/mm,發生在下弦中部 0.6mm，發生上弦端部
    在翻身吊裝的過程中，其最大應力為13N/?2，最大位移為2.5?。因此在翻身、吊裝整個過程中主桁架都不會產生永久變形，不會對結構產生不利影響；而且，對接口錯邊均滿足《鋼結構施工質量驗收標準》（GB50205-2001）關于錯邊不大于t/10或3mm規定。
    3.3結論
    由前面的分析結果知，如果采用“局部提升+高空散裝”方案，將會因接口錯邊問題給安裝帶來極大困難，不宜采用。而如果采用78個支撐點的“高空散裝”方案，將會很好的解決高空對接口的錯邊問題，同時也不會影響到混凝土結構的施工，對總工期的保證非常有利。
    因此，國家體育場鋼結構工程最終選定78個支撐點的“高空散裝”方案進行安裝。
    4結束語
    按照上述確定的方案，國家體育場鋼結構工程采用“高空散裝”的方法進行施工。其中，肩部及頂面次結構應設計要求在主結構卸載完成后再進行安裝。安裝總吊數1130吊。其中，鋼柱腳130吊、桁架柱48吊、主桁架182吊，次結構820吊。主結構安裝時，外圈采用兩臺800T、內圈采用兩臺600T大型覆帶吊車進行吊裝。
    鋼結構安裝工作自2005年10月28日正式開始吊裝，歷時約9個月于2006年7月16日完成主結構及立面次結構的吊裝與焊接工作，完成鋼結構總重量約4萬噸。2006年8月31日完成鋼結構合攏工作。2006年9月17日完成鋼結構卸載工作。目前，正進行肩部及頂面次結構的安裝。
    自檢及第三方監測數據表明，國家體育場鋼結構工程的施工質量完全滿足設計文件及《國家體育場鋼結構施工質量驗收標準》的有關要求。
    圖4-1為目前鋼結構安裝全景。


    致 謝
    本文在編寫過程中，周文瑛、關憶盧和劉子祥等鋼結構專家給予了大力的支持和幫助，在此表示誠摯的感謝。



    參考文獻
    （1）楊俊峰、邱德隆、高樹棟等，國家體育場鋼結構施工組織設計，2004.12
    （2）中華人民共和國國家標準，鋼結構工程施工質量驗收規范（GB20205-2001）
    （3）劉樹屯、李久林、高樹棟、邱德隆，“鳥巢”鋼結構關鍵施工技術介紹，第六屆全國現代工程學術研討會，2006.7
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