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中国国家大剧院壳体钢结构施工工艺的研究和改进

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:10 [收藏]

    上海市机械施工公司
    中国国家大剧院座落于天安门广场的西南侧，其东面与人民大会堂为邻，北面与中南海相望，位置显要。由法国 ADP公司著名建筑师安德鲁先生设计的国家大剧院，其外形似一颗椭球形的珍珠，半浮于如镜水面之上，在蓝天白云的衬托下，浮光掠影，璀灿夺目。这给具有厚重历史色彩的天安门广场注入了轻灵的现代气息。
    　　 或许对中国国家大剧院的建筑方案的评价，依然仁者见仁，智者见智。但在中国建设者创造性的努力下，其巨型的壳体钢结构已揭去了神秘面纱，露出其伟岸的身躯，使留连在长安街上的人们得以一睹芳容。数年一剑，短短三个月的壳体钢结构的现场吊装，既反映了中国工程技术人员们几年来对施工工艺的不懈研究和改进的成效，也凝聚着中法两国建筑结构专家的心血和智慧。
    　　 在国家大剧院这个世人瞩目的项目建设上，安德鲁先生和他的同事们对此倾注了巨大的心力。他们不仅在建筑方案上几易其稿，而且对壳体钢结构从制作到安装，从结构的整体稳定到节点的细部处理，作了详细的考虑和详尽的计算。当我们揣摸着洋洋万言的技术要领书和厚达盈寸的结构验算资料，深感到法国同行们对这一精品工程的厚望。或许，其中还包含着对中国建筑施工能力的一丝疑虑。
    　　 这种疑虑，并非毫无道理，因为这毕竟是中国国内所仅有，乃至世界上亦屈指可数的巨型钢结构壳体。其长达 212m，宽为143m，高至45m，由一组顶环梁、148榀弧形梁架和内外各42道环杆组成，重逾6000t。巨大的穹顶内部没有一根立柱，却包含着歌剧院、戏剧院和音乐厅三幢混凝土建筑，结构形式及施工环境之特殊，确实给施工建造出了一道难题。
    　　 承担国家大剧院壳体钢结构施工任务的上海建工集团总公司及所属上海市机械施工公司，在业主委员会有关领导的充分信任和支持下，在北京双圆监理的鼎力相助下，自 2000年始，即组织了精干的技术队伍对壳体钢结构的施工工艺进行了全面的探索和研究。我们和法国设计师们进行了数十次的技术谈判和书面交涉，认真分析和吸收法国同行们的合理建议，在结构吊装顺序、吊装单元划分，吊装过程中结构约束条件和构造处理等许多方面达成共识。但由于双方在文化或观念上的差异，以及对中国国情认识上的不同，在一些比较重大的施工技术措施上存在分岐。在交涉过程中，我们不唯洋是从，坚持从中国国情和上海建工自有的技术优势出发，以我为主，集思广益，形成了一条既有创新，又可操作的钢结构施工技术路线。
    　　 我们和法国同行们意见分岐的根本之点，在于对钢结构安装精度的控制上。众所周知，钢结构安装的精度，特别是大跨度空间复杂钢结构的安装精度，是有其客观限度的。它受到我国目前材料、制作和安装工艺水平的限制，同时还受到日照、温差等环境因素的影响。每一项超过常规要求的质量指标，不是一定不能达到，而是要化极大的质量成本的。也许是法国设计师们受到追求精品工程这一欲望的驱使，为了使钢结构上覆盖的钛合金板和玻璃幕墙完美无缺，他们对壳体钢结构制作和安装的精度，提出了近乎苛刻的要求：制作，任意点偏差小于 1mm；安装，任意点偏差小于2mm，完成壳体安装后结构恒载作用下变形与理想椭球体任意点的空间位移不大于20mm，这与我国现行的有关规范和标准天差地远。如：按现行的国家钢结构验收规范（GB50205-2001）中，对大于60m的大跨度桁架的平面外挠曲值为≤50mm，法方的要求（2mm）比现行规范要高出数十倍。如果接受法方要求，就意味着要化极大的施工代价来强求。即便如此，由于客观因素的影响，其效果也不得而知。正如业主方有一位高级工程师作了极为形象的比喻，幕墙与钢结构的关系，就好比靴子与人足的关系，唯有以靴子来适应双足，而绝不能以人足来适应靴子。因此我们坚持以国家现行标准为基础，按照或参照标准中的有关内容，制订了切实可行的适当高于国家规范规定值的《中国国家大剧院壳体钢结构制作，安装质量验收标准》，得到了中国钢协有关专家和北京市标办的认可。当然，在确定钢结构安装标准的同时，我们及时与幕墙施工单位香港建设进行了技术协调，在幕墙结构和节点构造设计及施工时，消化钢结构安装过程中不可避免的误差，并得了到了他们的理解和支持。
    　　 为了实现钢结构安装的高精度，法方专家提出了一系列相应的施工措施。如在详图设计、制作和安装过程中实施空间三维反变形；又如制作阶段壳体钢结构整体预拼装；再如计算机控制实时检测的安装测量控制等等。这些措施不仅耗费巨大，而且难以操作。我们在对其逐一研究分析的基础上，提出了针对性的改进方案。
    　　 其一，在详图设计、制作和安装过程中实施空间三维反变形。这是指根据计算机建模后的结构分析结果，要求壳体钢结构的每一节点针对结构在恒载条件下的变形值进行三维反向预变形，以求壳体结构在支撑拆除后，完美地符合设计要求的空间尺寸。根据这一思路，由于每榀梁架所有节点的变形各异，详图设计量成倍增加；制作难度增大，φ 1070×30钢管顶环梁须做成三向弯曲，预拼装难以实施；特别是安装阶段除顶环梁三向弯曲外，每榀桁架平面外均是不同程度挠曲的，测量和定位无法把握。显然法方的技术措施是无法操作的。我们经过结构分析和计算，发现壳体钢结构的变形虽然是复杂的，由于结构的非对称性，其质量中心与几何中心不重合，而导致壳体既有平移，又有下挠，还有扭转，但是其各点的空间矢量位移的绝对值并不大，最大部分发生在顶环梁范围，其极大值亦仅140mm（主要是垂直位移），以椭球短轴143m计，下挠值仅为跨度的1/1000，远小于设计规范要求。为了方便施工，我们提出抓住变形的主要矛盾，仅在上段梁架以上范围内作竖直方向的单向反变形（起拱），在制作和安装阶段保持环梁和梁架的平面状态不变的设想。并在同济大学的协助下，基于上述设想方案可能导致的结构初始偏差对壳体整体稳定性的影响作了反复的验算和分析，证明其整体稳定性与法国的方案相当。有结构验算结果作依据，我们坚持了自己的做法，为顺利制作、安装创造了条件，实施结果良好，结构变形的实测值和计算值十分接近。
    　　 其二，制作阶段壳体钢结构整体预拼装。根据法方结构及节点构造的原先设计，每榀桁间连杆的水平夹角均不相同，且用高强螺栓连接，只有经过整体预拼装，才能实现制作阶段的正确定位，从而保证制作和安装精度，对于一个长 212m，宽143m，高45m的巨型壳体，进行整体预拼装谈何容易。首先必须落实一块250mm×200m的预装场地，然后搭设高达40余m（近十几层楼高）的满堂临时支撑架，再由大型吊车进行预装，最后解体外运。业主早已发现这一措施在技术和经济上的不合理性，虽经多次交涉，法方仍不允诺。我们在分析了结构和节点构造特点的基础上，提出从节点构造的改进入手，简化制作阶段预拼装的方案。几经交涉，我们提出的节点构造型式最终被法方所接受，而整体预拼装方案也改为顶环梁部分立体预拼装，弧形梁架平面预拼装。这样既保证了制作质量，还大大降低了制作成本，缩短了工期。
    　　 其三，计算机控制实时检测的安装测量控制。鉴于该壳体钢结构外形特殊，形体复杂，结构安装控制点众多，而安装精度要求又很高，法方提出了一整套测量控制方案，即在工地四周设置由八至十个测站组成的平面测量控制网（有部分测站设在东侧人民大会堂屋顶上）；在壳体外表面设置数百个专用测量梭镜，内表面粘贴数以万计的测量反光标志；同时在每一测站上各设一台高精度全站仪，八至十台全站仪与中央计算机联网，进行不间断实时检测；通过实测空间坐标与理论模型对照，从而控制壳体安装的全过程。这一测量方案投入设备数量之多，代价之大是显而易见的。实施操作中也存在一系列问题，如人民大会堂的屋顶就不准设置测站，所组成的测量控制网由于无法通视而不能工作，再加上环境影响，如日照、温差等，造成结构在整个安装过程中无序变形，并非计算机所能精确模拟的等等。我们借鉴以往工程的成功经验，把这一超级椭球壳体分解成 150个平面（顶环梁、底（砼）环梁各一个平面，梁架一百四十捌个平面）把复杂的空间结构转化为平面结构，即可用传统的测量工艺和手段来解决上述难题。实施过程中，我们仅用了两台全站仪，十个测量棱镜，并辅以数台经纬仪和水准仪，即完成了整个结构在安装阶段的测量控制，并采用由壳体内部向外测设来根本解决通视问题。经验收，结构安装精度均符合质量标准要求。
    　　 另外，壳体钢结构在安装过程中采用的临时支撑系统，不仅对施工阶段的结构稳定和安全十分重要，而且对结构的安装精度亦有重大影响。法方建议的独立支撑，局部轮换的方案是难以满足上述要求的。我们结合工程实际情况，综合了装、拆，荷载扩散及支撑竖向刚度和水平刚度的各种因素，创造性地把螺栓球节点网架引入组合支撑系统，不仅把上千吨的荷载扩散至成万个支点上，最大支点反力小于 15t，砼结构基本可不作加固；支撑系统的刚度特别大，确保了结构在安装阶段定位的精确和结构稳定；而且装拆方便，特别是拆卸时由于无法使用起重机械，仅能用人力拆除，球节点网架化整为零的优点就更突出了。采用如此大量的球节点网架组成承重支撑系统，堪称一绝。
    　　 在整个施工工艺研究和改进过程中，我们请了同济大学对壳体钢结构施工的各个阶段进行了内力、变形和整体稳定的全面复算，请浙江大学对球节点网架支撑系统进行了设计，请北京冶金设计研究院上海分院承担详图设计，特别是通过中国钢结构协会邀请了全国知名的专家，学者对钢结构的选材、总体施工组织设计及制作质量专项标准等关键技术问题进行了咨询和请教，使整个施工工艺更臻完善。
    　　 回顾中国国家大剧院壳体钢结构施工工艺研究和实施的全过程，我们有理由相信，随着中国大规模建设的持续推进，只要我们集聚国内产学研的各方面优势，自强不息，不懈努力，中国的钢结构施工技术必将达到国际先进水平。
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