国家体育场钢结构安装方案比选研究

1、国家体育场钢结构安装方案比选研究高树栋李久林邱德隆杨俊峰魏义进石荣金李文标陈桥生提要：本文主要从定性和定量两方面对国家体育场钢结构安装工程进行了整体提升、高空滑移、局部提升+高空散装和高空散装四种方案的比选，根据比选结果提出国家体育场钢结构工程最终的总体安装方案，期望对类似工程施工提供参考。关键词：钢结构、安装方案、局部提升、高空散装国家体育场工程是北京2008年奥运会主会场，其钢结构工程因其结构跨度大、节点复杂，大量采用弯扭构件、构型特异的桁架柱及巨型桁架而让世人瞩目。对于如此复杂的钢结构工程，采取何种方案顺利实现钢结构的构筑成为国家体育场工程能否胜利竣工的关键，也成为世人关注的焦点。1工程

2、概况国家体育场位于奥林匹克公园中心区的南部，主体建筑紧邻北京城市中轴线，并与国家体育馆和国家游泳中心相对于中轴线均衡布置。国家体育场主体建筑西侧为距景观路200m的中轴线步行绿化广场，东侧为龙形水系及湖边东路，距CATIC大酒店300m，北侧为中一路，南侧紧临北四环，成府路在地下空间穿过用地，如图1-1奥林匹克中心公园规划图。占地面积20.4公顷，总建筑面积25.8万m2。工程结构形式复杂、建设标准要求，大量采用混凝土斜梁斜柱、钢结构弯扭构件，无成功经验可借鉴，施工难度大；建设周期三年，且存在阶段性的“三边”情况，建筑工期特别短；施工场地狭窄，且存在多专业交叉施工，施工组织管理难度大。其中，其

3、钢结构工程由24榀门式刚架围绕着体育场内部混凝土碗状看台区旋转而成，其中22榀拉通或基本拉通。大跨度钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，交叉布置的主结构与屋面、立面的次结构一起编织成“鸟巢”的造型。所有钢结构构件形成结构及建筑外形，如图1-2。钢结构屋面呈双曲面马鞍型，最高点高度为68.5m，最低点高度为40.1m；平面上呈椭圆形，长轴为332.3m、短轴为297.3；屋盖中部的开口内环呈椭圆型，长轴为185.3m，短轴为127.5m；大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为38.0m。屋顶主结构均为箱型截面，上弦杆截面基本为1000mm1000mm，下弦杆截面基本为800mm800mm，

4、腹杆截面基本为600mm600mm，腹杆与上下弦杆相贯，屋顶桁架矢高12.0m。竖向由24根组合钢结构柱支撑，每根组合钢结构柱由两根1200mm1200mm箱型外柱和一根菱形内柱组成，每个桁架柱下设有一个T型钢柱脚，荷载通过它传递至基础。立面次结构截面基本为1200mm1000mm，顶面次结构截面基本为1000mm1000mm。设计总用钢量约42000吨。大量采用Q345C、Q345D、Q345GJC和Q345GJD级钢材，局部采用Q460E-Z35级钢材和Gs-20Mn5V级铸钢件。钢板的最大厚度110mm，铸钢件最厚达140mm。钢构件体型大、单体重量重，构件翻身、吊装难度大。作为屋盖结构

5、的主要承重构件的桁架柱最大外形尺寸达25m20m68.5m；而主桁架高度12m，双榀贯通最大跨度约260m。主桁架每延米约23t，组合柱每延米最重达10t。结构形体复杂，均为箱型断面构件，位置和方向性均极强；结构跨度大、节点复杂（如图2-3），安装精度受现场环境温度变化等因素影响大，安装精度极难控制。大量采用了巨型弯扭箱型构件，大量采用高强特厚钢板，为建筑钢结构史上首例。而且，钢结构与混凝土结构施工交叉作业，必须从安全、质量、功能、工期、造价等方面综合考虑，选择最优施工方案。根据国家体育场整体工程特点，其钢结构安装工程主要有整体提升、高空滑移、局部提升+高空散装、高空散装四种方案可供选择。2整

6、体提升和高空滑移方案分析整体提升方案的总体思路为先在地面完成主体钢结构和次结构的安装，整体提升到位后，再开始内部混凝土结构等的施工。如果采用此方案进行施工，钢结构施工的准备时间因处于关键线路将占用很长的绝对工期，看台混凝土结构因被围罩钢结构内部而不能先期施工，因而室内装修工程、机电设备工程等无法提前插入，导致整个施工现场在前期基本没有施工任务，总体工期很难保证。另外，如果看台混凝土结构后于钢结构施工，则导致混凝土施工穿插于钢结构的柱网中进行，将会对钢结构的成品保护和混凝土结构的施工效率等产生巨大影响，进一步影响了整个工程的施工工期。高空滑移方案的总体思路为先开始混凝土结构的施工，同时在场地外围

7、异地将整个结构分为两半分别高空组装，组装完成后将两半钢结构滑移到设计位置，再对接合拢完成钢结构安装。该方案为主体钢结构的施工和混凝土的施工同期进行，这样整个工程的工期就有了最大限度的交叉和压缩，对实现整个工程的工期目标非常有利。但是采用该方案的前提条件是在场地外侧必须要存在与半个椭圆主体结构相当的临时场地，以便进行半个椭圆结构的安装，但是根据目前的施工场地现状，无论是从东西划分还是南北划分，均没有满足在场地外组装半个椭圆结构的场地，因此该方案很难实施。另外，即使能够解决场地问题，半个钢结构整体重量达到近两万多吨，开口桁架跨度大于100m，整个滑移结构跨度297m，因此滑移的临时滑道设计和结构加

8、固等措施也都是非常难解决的技术难题。根据上述分析知，国家体育场工程钢结构安装方案不宜采用整体提升和高空滑移方案。3高空散装和局部提升+高空散装方案比选通过前面的分析，国家体育场钢结构安装工程已经排除采用整体提升和高空滑移两种方案。因此，其安装方案只能在高空散装和局部提升+高空散装两种方案中进行抉择。下面重点对这两种方案进行分析比较，从而确定国家体育场钢结构工程安装方案。对于这两种安装方案，由于其桁架柱及次结构的安装方法基本相同，最大区别在于顶面主桁架的安装方法不同。因此，在进行这两种安装方案比选时重点进行关于主桁架安装方法的分析比较。3.1局部提升+高空散装方案总体思路“局部提升+高空散装”方

9、案的总体思路为将整个“鸟巢”钢结构分成四块来施工，即内环整体提升块、立面桁架柱、外围主桁架和次结构。总体施工顺序为：1、立面桁架柱安装就位；2、内环整体提升块施工，内环整体提升块拼装在低高空原位拼装胎架上完成（内环整体提升块拼装和装立面桁架柱安装同时施工），拼装完成后用提升设备将其提升到设计位置，并临时固定于提升支架上；3、将外围主桁架安装于桁架柱及内环整体提升块各自挑出的牛腿上；4、立面、肩部及顶面次结构安装就位；5、整体钢结构形成自承重体系后进行卸载工作，从而完成钢结构工程的施工。其中，内环提升块范围经综合比较后选定为B轴以内（此部分混凝土结构施工需在钢结构卸载完成且提升架拆除后施工）；外

10、圈整体吊装钢桁架共为16榀，为对称分布，主桁架的最大吊装单元：重163t，长64m。如图3-1所示。工况分析根据总体安装思路安排，“局部提升+高空散装”方案的工况分析分三部分：一是内环局部提升部分整体提升工况分析，二是主桁架吊装工况分析，三是外圈主桁架吊装就位后工况分析。（1）内环局部提升工况分析在进行整体提升之前，需要对提升点进行合理布置，提升点合理布置的原则是尽可能使得各提升架在提升过程中受力分配均匀，并尽量限制桁架悬挑端的变位使得后续的施工安装过程能够顺利的进行。故在此目的之下，根据内环提升块的特点、按照均布对称的原则并结合以往工程的实践经验分别对进行了提升点为24点和28点两种工况分析

11、，期望选取出最佳的提升点布置方案。图3-2为提升点布置图。在进行内环局部提升工况分析时，主要考虑两部分变形，即内环整体提升块在与外围主桁架对接口处上下弦节点的变形和内环提升点以内构件变形。内环整体提升块与外圈主桁架对接口处上下弦节点变形：图3-3为内环整体提升块与外圈主桁架对接口上弦节点编号，图3-4为内环整体提升块与外圈主桁架对接口下弦节点编号。内环整体提升块与外圈主桁架上下弦对接口在工况一（24点提升）和工况二（28点提升）的变形值基本一致，差别很小，详见表3-1和表3-2。从表3-1和表3-2知，在内环局部提升块与外圈主桁架对接口上下弦节点最大变形值为：X方向10.2mm，Y方向9.2m

12、m，Z方向8.9mm。内环整体提升块内变形：工况一：24点提升变形：内环整体提升块最大变形发生在内环短轴方向Y轴坐标最大处(如图3-5(a)，扰度值为：-47mm；另外，内环长轴方向扰度值为-15mm。内环整体提升块内各杆件的应力比如图3-6(a)所示，最大应力比为0.8；提升点最大反力为3942KN，发生短轴部位提升点上。.工况二：28点提升变形：内环整体提升块内最大变形发生在长、短轴四个交角区域（如图3-5(b)），其最大挠度值为19mm；内环整体提升块内各杆件的应力比如图3-6所示，最大应力比为0.4；提升点最大反力为2769KN，发生在靠内的四个提升点上。（2）外圈主桁架吊装工况分析外

13、围主桁架各段长短不等，取最长的主桁架吊装单元进行分析，其长度为64m。吊装时，采用四吊点吊装。其工况分析分三部分：主桁架卧拼起吊工况、立吊工况和吊装就位工况。主桁架起吊时其变形如图3-7所示，其最大变形值为5.7mm，发生悬臂端；吊点最大反力为282KN，支点最大反力为257KN，其应力比如图3-8所示。主桁架立吊时其变形如图3-9所示，其最大变形值为5.9mm，发生悬臂端；吊点最大反力为610KN，其应力比如图3-10所示。外圈主桁架吊装就位后其其最大变形为21mm，发生在主桁架的跨中部位；提升点最大反力为3725KN，发生在外围24个提升点中长、短轴四个交角处；其杆件的应力比图如图3-11

14、所示，构件应力比均在0.2以内。同时，外圈主桁架吊装后导致结构的内力重分布，内环杆件应力比有提高，其应力比如图3-12所示。由前面分析知，内环整体提升及外圈主桁架吊装过程，各杆件变形均处于弹性变形范围内，其强度、刚度，稳定性均满足要求。但是，其内环整体提升块与外圈主桁架接口变形相对较大，约50%以上的接口错边超过钢结构施工质量验收标准（GB50205-2001）关于错边不大于t/10或3mm规定，对口错边问题很难解决。设计修改后主桁架内环特点调整初步设计后，设计将原有的钢结构活动屋盖取消，钢结构固定屋盖的“内环桁架”开口加大约增加约20m。该“内环桁架”因平面尺度很大、截面板厚较设计修改前有较

15、大减少，同时存在较大的高差，整体刚度较差，已经没有真正意义上的“内环桁架”。主结构设计修改前后变化情况见图3-13。同时，由于钢屋盖内边界在东西侧已经扩大到一层看台的边线、南北侧到跑道的外侧，如果采取该方案（即采取在地面进行“内环桁架”的整体拼装、提升的方案）将对混凝土看台施工产生巨大影响。根据前面的分析知，局部整体提升方案已不具有优势。因此，国家体育场钢结构安装工程不宜采用”局部提升+高空散装”方案进行施工。3.2高空散装方案总体思路“高空散装”方案的总体思路为将整个“鸟巢”钢结构在原位高空散装就位，然后进行支撑卸载工作完成钢结构的安装。在进行“高空散装方案”分析时，根据工程特点分别进行了支

16、撑点为50个（简称“散装方法一”）和支撑点为78个（简称“散装方法二”）两种安装方案的比较，支撑点布置如图3-14。散装方法一总体上分为三个阶段五个区域，第一阶段安装1、2区域，即南北侧各7个立柱(含部分立面次结构)、部分内圈和主桁架；第二阶段安装3区域，即内环区域的剩余的主桁架，内环形成封闭区域；第三阶段安装4、5区域5即东西侧各5个立柱(含部分立面次结构)和主桁架；主结构安装完成后进行肩部及顶面次结构安装；整体钢结构形成自承重体系后进行卸载工作，从而完成钢结构工程的施工。主结构安装顺序如图3-15(a)。散装方法二总体上分为三个阶段八个区域，第一阶段安装1、2区域，即南北侧各3个立柱(含部

17、分立面次结构)、部分内圈和主桁架；第二阶段安装3、4区域，即东西侧各3个立柱(含部分立面次结构)、部分内圈和主桁架；第三阶段安装5、6、7、8区域（即4个角区各3个立柱(含部分立面次结构)及剩余主桁架；主结构安装完成后进行肩部及顶面次结构安装；整体钢结构形成自承重体系后进行卸载工作，从而完成钢结构工程的施工。主结构安装顺序如图3-15(b)。这两种安装方法均为吊装时首先形成稳定单元，然后逐步分块、分区对称安装，其不同点为：主桁架分段长度不同，方法一最大长度为64米（从柱端至第三节点），方法二最大长度为38.5米（第二至第四节点），对应的构件分段不同。内环吊装分块不同，相应的高空组拼顺序不同、对

18、混凝土施工的影响程度不同。支撑点设置不同，方法一支撑数量50个，均在第三个节点以内，其中内圈22个、中圈14个、外圈14个；方法二支撑数量78个，其中内圈30个、内圈24个、外圈（第一节点处）24个。吊机选择不同，方法一外圈需要两台1000t履带吊、内圈一需要两台500t履带吊，且工况不均衡；方法二外圈需要两台800t履带吊、内圈一需要两台600t履带吊，工况基本均衡；工况分析对于散装方法一，主桁架的最大吊装单元长64m，其工况分析同前文“局部提升+高空散装”方案中关于外圈主桁架工况分析的有关内容，这里不在赘述。其最大变形为值为5.9mm，发生悬臂端。该变形值远超过钢结构施工质量验收标准（GB

19、50205-2001）关于错边不大于t/10或3mm规定，对口错边问题很难解决。因此，不宜采取此安装方法。下面重点研究散装方法二的工况分析。对应于78个支撑塔架的“高空散装”方案，主桁架最大吊装单元长38.5m。在进行工况计算时，分别对主桁架的翻身和吊起状态进行了分析，计算结果如表3-3所示。909N/mm,发生在下弦中部0.6mm，发生上弦端部在翻身吊装的过程中，其最大应力为13N/2，最大位移为2.5。因此在翻身、吊装整个过程中主桁架都不会产生永久变形，不会对结构产生不利影响；而且，对接口错边均满足钢结构施工质量验收标准（GB50205-2001）关于错边不大于t/10或3mm规定。3.3结论由前面的分析结果知，如果采用“局部提升+高空散装”方案，将会因接口错边问题给安装带来极大困难，不宜采用。而如果采用78个支撑点的“高空散装