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中國(guó)國(guó)家大劇院殼體鋼結(jié)構(gòu)施工工藝的研究和改進(jìn)

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]

    上海市機(jī)械施工公司
    中國(guó)國(guó)家大劇院座落于天安門(mén)廣場(chǎng)的西南側(cè)，其東面與人民大會(huì)堂為鄰，北面與中南海相望，位置顯要。由法國(guó) ADP公司著名建筑師安德魯先生設(shè)計(jì)的國(guó)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(lán)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(mén)廣場(chǎng)注入了輕靈的現(xiàn)代氣息。
    　　 或許對(duì)中國(guó)國(guó)家大劇院的建筑方案的評(píng)價(jià)，依然仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智。但在中國(guó)建設(shè)者創(chuàng)造性的努力下，其巨型的殼體鋼結(jié)構(gòu)已揭去了神秘面紗，露出其偉岸的身軀，使留連在長(zhǎng)安街上的人們得以一睹芳容。數(shù)年一劍，短短三個(gè)月的殼體鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)吊裝，既反映了中國(guó)工程技術(shù)人員們幾年來(lái)對(duì)施工工藝的不懈研究和改進(jìn)的成效，也凝聚著中法兩國(guó)建筑結(jié)構(gòu)專家的心血和智慧。
    　　 在國(guó)家大劇院這個(gè)世人矚目的項(xiàng)目建設(shè)上，安德魯先生和他的同事們對(duì)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(duì)殼體鋼結(jié)構(gòu)從制作到安裝，從結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定到節(jié)點(diǎn)的細(xì)部處理，作了詳細(xì)的考慮和詳盡的計(jì)算。當(dāng)我們揣摸著洋洋萬(wàn)言的技術(shù)要領(lǐng)書(shū)和厚達(dá)盈寸的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算資料，深感到法國(guó)同行們對(duì)這一精品工程的厚望。或許，其中還包含著對(duì)中國(guó)建筑施工能力的一絲疑慮。
    　　 這種疑慮，并非毫無(wú)道理，因?yàn)檫@畢竟是中國(guó)國(guó)內(nèi)所僅有，乃至世界上亦屈指可數(shù)的巨型鋼結(jié)構(gòu)殼體。其長(zhǎng)達(dá) 212m，寬為143m，高至45m，由一組頂環(huán)梁、148榀弧形梁架和內(nèi)外各42道環(huán)桿組成，重逾6000t。巨大的穹頂內(nèi)部沒(méi)有一根立柱，卻包含著歌劇院、戲劇院和音樂(lè)廳三幢混凝土建筑，結(jié)構(gòu)形式及施工環(huán)境之特殊，確實(shí)給施工建造出了一道難題。
    　　 承擔(dān)國(guó)家大劇院殼體鋼結(jié)構(gòu)施工任務(wù)的上海建工集團(tuán)總公司及所屬上海市機(jī)械施工公司，在業(yè)主委員會(huì)有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)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(shù)隊(duì)伍對(duì)殼體鋼結(jié)構(gòu)的施工工藝進(jìn)行了全面的探索和研究。我們和法國(guó)設(shè)計(jì)師們進(jìn)行了數(shù)十次的技術(shù)談判和書(shū)面交涉，認(rèn)真分析和吸收法國(guó)同行們的合理建議，在結(jié)構(gòu)吊裝順序、吊裝單元?jiǎng)澐郑跹b過(guò)程中結(jié)構(gòu)約束條件和構(gòu)造處理等許多方面達(dá)成共識(shí)。但由于雙方在文化或觀念上的差異，以及對(duì)中國(guó)國(guó)情認(rèn)識(shí)上的不同，在一些比較重大的施工技術(shù)措施上存在分岐。在交涉過(guò)程中，我們不唯洋是從，堅(jiān)持從中國(guó)國(guó)情和上海建工自有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(jié)構(gòu)施工技術(shù)路線。
    　　 我們和法國(guó)同行們意見(jiàn)分岐的根本之點(diǎn)，在于對(duì)鋼結(jié)構(gòu)安裝精度的控制上。眾所周知，鋼結(jié)構(gòu)安裝的精度，特別是大跨度空間復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度，是有其客觀限度的。它受到我國(guó)目前材料、制作和安裝工藝水平的限制，同時(shí)還受到日照、溫差等環(huán)境因素的影響。每一項(xiàng)超過(guò)常規(guī)要求的質(zhì)量指標(biāo)，不是一定不能達(dá)到，而是要化極大的質(zhì)量成本的。也許是法國(guó)設(shè)計(jì)師們受到追求精品工程這一欲望的驅(qū)使，為了使鋼結(jié)構(gòu)上覆蓋的鈦合金板和玻璃幕墻完美無(wú)缺，他們對(duì)殼體鋼結(jié)構(gòu)制作和安裝的精度，提出了近乎苛刻的要求：制作，任意點(diǎn)偏差小于 1mm；安裝，任意點(diǎn)偏差小于2mm，完成殼體安裝后結(jié)構(gòu)恒載作用下變形與理想橢球體任意點(diǎn)的空間位移不大于20mm，這與我國(guó)現(xiàn)行的有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)天差地遠(yuǎn)。如：按現(xiàn)行的國(guó)家鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)收規(guī)范（GB50205-2001）中，對(duì)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(xiàn)行規(guī)范要高出數(shù)十倍。如果接受法方要求，就意味著要化極大的施工代價(jià)來(lái)強(qiáng)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(jí)工程師作了極為形象的比喻，幕墻與鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)系，就好比靴子與人足的關(guān)系，唯有以靴子來(lái)適應(yīng)雙足，而絕不能以人足來(lái)適應(yīng)靴子。因此我們堅(jiān)持以國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，按照或參照標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)內(nèi)容，制訂了切實(shí)可行的適當(dāng)高于國(guó)家規(guī)范規(guī)定值的《中國(guó)國(guó)家大劇院殼體鋼結(jié)構(gòu)制作，安裝質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》，得到了中國(guó)鋼協(xié)有關(guān)專家和北京市標(biāo)辦的認(rèn)可。當(dāng)然，在確定鋼結(jié)構(gòu)安裝標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，我們及時(shí)與幕墻施工單位香港建設(shè)進(jìn)行了技術(shù)協(xié)調(diào)，在幕墻結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)及施工時(shí)，消化鋼結(jié)構(gòu)安裝過(guò)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(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)安裝的高精度，法方專家提出了一系列相應(yīng)的施工措施。如在詳圖設(shè)計(jì)、制作和安裝過(guò)程中實(shí)施空間三維反變形；又如制作階段殼體鋼結(jié)構(gòu)整體預(yù)拼裝；再如計(jì)算機(jī)控制實(shí)時(shí)檢測(cè)的安裝測(cè)量控制等等。這些措施不僅耗費(fèi)巨大，而且難以操作。我們?cè)趯?duì)其逐一研究分析的基礎(chǔ)上，提出了針對(duì)性的改進(jìn)方案。
    　　 其一，在詳圖設(shè)計(jì)、制作和安裝過(guò)程中實(shí)施空間三維反變形。這是指根據(jù)計(jì)算機(jī)建模后的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，要求殼體鋼結(jié)構(gòu)的每一節(jié)點(diǎn)針對(duì)結(jié)構(gòu)在恒載條件下的變形值進(jìn)行三維反向預(yù)變形，以求殼體結(jié)構(gòu)在支撐拆除后，完美地符合設(shè)計(jì)要求的空間尺寸。根據(jù)這一思路，由于每榀梁架所有節(jié)點(diǎn)的變形各異，詳圖設(shè)計(jì)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(yù)拼裝難以實(shí)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(cè)量和定位無(wú)法把握。顯然法方的技術(shù)措施是無(wú)法操作的。我們經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)殼體鋼結(jié)構(gòu)的變形雖然是復(fù)雜的，由于結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性，其質(zhì)量中心與幾何中心不重合，而導(dǎo)致殼體既有平移，又有下?lián)希€有扭轉(zhuǎn)，但是其各點(diǎn)的空間矢量位移的絕對(duì)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(jì)，下?lián)现祪H為跨度的1/1000，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)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(nèi)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(shè)想。并在同濟(jì)大學(xué)的協(xié)助下，基于上述設(shè)想方案可能導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)初始偏差對(duì)殼體整體穩(wěn)定性的影響作了反復(fù)的驗(yàn)算和分析，證明其整體穩(wěn)定性與法國(guó)的方案相當(dāng)。有結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果作依據(jù)，我們堅(jiān)持了自己的做法，為順利制作、安裝創(chuàng)造了條件，實(shí)施結(jié)果良好，結(jié)構(gòu)變形的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值十分接近。
    　　 其二，制作階段殼體鋼結(jié)構(gòu)整體預(yù)拼裝。根據(jù)法方結(jié)構(gòu)及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的原先設(shè)計(jì)，每榀桁間連桿的水平夾角均不相同，且用高強(qiáng)螺栓連接，只有經(jīng)過(guò)整體預(yù)拼裝，才能實(shí)現(xiàn)制作階段的正確定位，從而保證制作和安裝精度，對(duì)于一個(gè)長(zhǎng) 212m，寬143m，高45m的巨型殼體，進(jìn)行整體預(yù)拼裝談何容易。首先必須落實(shí)一塊250mm×200m的預(yù)裝場(chǎng)地，然后搭設(shè)高達(dá)40余m（近十幾層樓高）的滿堂臨時(shí)支撐架，再由大型吊車(chē)進(jìn)行預(yù)裝，最后解體外運(yùn)。業(yè)主早已發(fā)現(xiàn)這一措施在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的不合理性，雖經(jīng)多次交涉，法方仍不允諾。我們?cè)诜治隽私Y(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出從節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的改進(jìn)入手，簡(jiǎn)化制作階段預(yù)拼裝的方案。幾經(jīng)交涉，我們提出的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造型式最終被法方所接受，而整體預(yù)拼裝方案也改為頂環(huán)梁部分立體預(yù)拼裝，弧形梁架平面預(yù)拼裝。這樣既保證了制作質(zhì)量，還大大降低了制作成本，縮短了工期。
    　　 其三，計(jì)算機(jī)控制實(shí)時(shí)檢測(cè)的安裝測(cè)量控制。鑒于該殼體鋼結(jié)構(gòu)外形特殊，形體復(fù)雜，結(jié)構(gòu)安裝控制點(diǎn)眾多，而安裝精度要求又很高，法方提出了一整套測(cè)量控制方案，即在工地四周設(shè)置由八至十個(gè)測(cè)站組成的平面測(cè)量控制網(wǎng)（有部分測(cè)站設(shè)在東側(cè)人民大會(huì)堂屋頂上）；在殼體外表面設(shè)置數(shù)百個(gè)專用測(cè)量梭鏡，內(nèi)表面粘貼數(shù)以萬(wàn)計(jì)的測(cè)量反光標(biāo)志；同時(shí)在每一測(cè)站上各設(shè)一臺(tái)高精度全站儀，八至十臺(tái)全站儀與中央計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行不間斷實(shí)時(shí)檢測(cè)；通過(guò)實(shí)測(cè)空間坐標(biāo)與理論模型對(duì)照，從而控制殼體安裝的全過(guò)程。這一測(cè)量方案投入設(shè)備數(shù)量之多，代價(jià)之大是顯而易見(jiàn)的。實(shí)施操作中也存在一系列問(wèn)題，如人民大會(huì)堂的屋頂就不準(zhǔn)設(shè)置測(cè)站，所組成的測(cè)量控制網(wǎng)由于無(wú)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(jié)構(gòu)在整個(gè)安裝過(guò)程中無(wú)序變形，并非計(jì)算機(jī)所能精確模擬的等等。我們借鑒以往工程的成功經(jīng)驗(yàn)，把這一超級(jí)橢球殼體分解成 150個(gè)平面（頂環(huán)梁、底（砼）環(huán)梁各一個(gè)平面，梁架一百四十捌個(gè)平面）把復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為平面結(jié)構(gòu)，即可用傳統(tǒng)的測(cè)量工藝和手段來(lái)解決上述難題。實(shí)施過(guò)程中，我們僅用了兩臺(tái)全站儀，十個(gè)測(cè)量棱鏡，并輔以數(shù)臺(tái)經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀，即完成了整個(gè)結(jié)構(gòu)在安裝階段的測(cè)量控制，并采用由殼體內(nèi)部向外測(cè)設(shè)來(lái)根本解決通視問(wèn)題。經(jīng)驗(yàn)收，結(jié)構(gòu)安裝精度均符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。
    　　 另外，殼體鋼結(jié)構(gòu)在安裝過(guò)程中采用的臨時(shí)支撐系統(tǒng)，不僅對(duì)施工階段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全十分重要，而且對(duì)結(jié)構(gòu)的安裝精度亦有重大影響。法方建議的獨(dú)立支撐，局部輪換的方案是難以滿足上述要求的。我們結(jié)合工程實(shí)際情況，綜合了裝、拆，荷載擴(kuò)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(diǎn)網(wǎng)架引入組合支撐系統(tǒng)，不僅把上千噸的荷載擴(kuò)散至成萬(wàn)個(gè)支點(diǎn)上，最大支點(diǎn)反力小于 15t，砼結(jié)構(gòu)基本可不作加固；支撐系統(tǒng)的剛度特別大，確保了結(jié)構(gòu)在安裝階段定位的精確和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；而且裝拆方便，特別是拆卸時(shí)由于無(wú)法使用起重機(jī)械，僅能用人力拆除，球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架化整為零的優(yōu)點(diǎn)就更突出了。采用如此大量的球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架組成承重支撐系統(tǒng)，堪稱一絕。
    　　 在整個(gè)施工工藝研究和改進(jìn)過(guò)程中，我們請(qǐng)了同濟(jì)大學(xué)對(duì)殼體鋼結(jié)構(gòu)施工的各個(gè)階段進(jìn)行了內(nèi)力、變形和整體穩(wěn)定的全面復(fù)算，請(qǐng)浙江大學(xué)對(duì)球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架支撐系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，請(qǐng)北京冶金設(shè)計(jì)研究院上海分院承擔(dān)詳圖設(shè)計(jì)，特別是通過(guò)中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)邀請(qǐng)了全國(guó)知名的專家，學(xué)者對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的選材、總體施工組織設(shè)計(jì)及制作質(zhì)量專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了咨詢和請(qǐng)教，使整個(gè)施工工藝更臻完善。
    　　 回顧中國(guó)國(guó)家大劇院殼體鋼結(jié)構(gòu)施工工藝研究和實(shí)施的全過(guò)程，我們有理由相信，隨著中國(guó)大規(guī)模建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，只要我們集聚國(guó)內(nèi)產(chǎn)學(xué)研的各方面優(yōu)勢(shì)，自強(qiáng)不息，不懈努力，中國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)必將達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
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