國家體育館工程中的關(guān)鍵技術(shù)(觀摩演示PPT)

1、參觀“鳥巢”工程學(xué)習(xí)國家體育館工程中的關(guān)鍵技術(shù)一、引言2002年10月北京市國家體育場(chǎng)（2008年奧運(yùn)會(huì)主體育場(chǎng)）建筑概念設(shè)計(jì)方案舉行國際競(jìng)賽。 2002年12月，經(jīng)過對(duì)參賽單位資格審查，14家單位參加了概念設(shè)計(jì)方案的角逐。2003年3月，國內(nèi)外的建筑大師、建筑評(píng)論家、體育專家、結(jié)構(gòu)專家、奧運(yùn)會(huì)組織專家及北京奧組委的代表組成評(píng)審委員會(huì)。 2003年3月下旬，由評(píng)審委員會(huì)評(píng)出三個(gè)優(yōu)秀設(shè)計(jì)方案，“鳥巢”方案以其獨(dú)特的風(fēng)格居三甲之首。 2003年4月，經(jīng)嚴(yán)格的評(píng)審和群眾投票，由瑞士赫爾佐格和德梅隆設(shè)計(jì)事務(wù)所及中國建筑設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)聯(lián)合體共同設(shè)計(jì)的“鳥巢”方案最終中選。 二、概況 “鳥巢”國家體育場(chǎng)位

2、于北京市成府路南側(cè)，是08年北京第29屆奧運(yùn)會(huì)的主體育場(chǎng)，承擔(dān)奧運(yùn)會(huì)開、閉幕式與田徑比賽。國家體育場(chǎng)建筑頂面呈鞍形，長(zhǎng)軸為332m，短軸為296m，最高點(diǎn)高度為68.5m，最低點(diǎn)高度為40m，固定坐席可容納8萬人，活動(dòng)坐席可容納1.1萬人，總建筑面積約25.8萬平方米。設(shè)計(jì)使用年限為100年。 國家體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用后壓漿鋼筋混凝土鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，持力層承載力為卵石層。其大跨度屋蓋支撐在24根桁架柱之上，柱距為38.0m。大跨度屋蓋中間開洞長(zhǎng)度為185.3m，寬度為127.5m。大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)采用交叉平面桁架體系，由于主桁架與內(nèi)環(huán)相切，其中一些主桁架在平面外微彎。主看臺(tái)采用鋼筋混凝土框架剪力墻

3、結(jié)構(gòu)體系，與大跨度鋼結(jié)構(gòu)完全脫開。 “鳥巢”主結(jié)構(gòu)布置圖 國家體育場(chǎng)由24根桁架柱與主桁架+立面次結(jié)構(gòu)共同形成抗側(cè)力體系。而交叉布置的主結(jié)構(gòu)與屋面及里面的次結(jié)構(gòu)一起形成“鳥巢”的建筑造型 。三、工程中的關(guān)鍵技術(shù)1、首次采用CATIA軟件解決復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)建模問題頂面次結(jié)構(gòu)與立面次結(jié)構(gòu)均位于屋蓋結(jié)構(gòu)的外表面，存在大量空間扭曲構(gòu)件，在設(shè)計(jì)中采用了航空、汽車制造業(yè)得以應(yīng)用的三維建模CATIA軟件，以解決復(fù)雜建筑的空間建模問題。2、首次提出下風(fēng)振系數(shù)計(jì)算方法根據(jù)大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的特性，按照最大上吸力、最大下壓力和半跨荷載差值最大原則確定最不利風(fēng)向角，保證結(jié)構(gòu)安全。但對(duì)自重效應(yīng)顯著的大跨度結(jié)構(gòu)，下壓風(fēng)荷載效

4、應(yīng)起主要控制作用，在現(xiàn)行的規(guī)范建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中未做出相關(guān)規(guī)定。在國家體育場(chǎng)設(shè)計(jì)中首次提出并采用下風(fēng)振系數(shù)的概念，采用時(shí)域法與頻域法計(jì)算風(fēng)振系數(shù)。3、在ANSYS軟件平臺(tái)上開發(fā)大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化功能結(jié)合國家體育場(chǎng)工程，在ANSYS軟件平臺(tái)上開發(fā)大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化功能，滿足復(fù)雜大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求。主要針對(duì)空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將與大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范條文引入ANSYS軟件，利用ANSYS的計(jì)算機(jī)語言開發(fā)工具，開發(fā)了大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化功能的模塊，并可以與ANSYS軟件原有功能配合使用，實(shí)現(xiàn)大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算分析與設(shè)計(jì)技術(shù)一體化，填補(bǔ)國內(nèi)的空白。4、大跨度罕遇地震分析在設(shè)計(jì)中編制了由地震波轉(zhuǎn)化

5、為反應(yīng)譜的程序，為準(zhǔn)確選擇地震波提供了有效的工具，并開發(fā)了人工合成地震動(dòng)程序，根據(jù)不同場(chǎng)地類型生成與地震動(dòng)特性相吻合的人工波，對(duì)國家體育場(chǎng)大跨度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了從施工過程至罕遇地震作用的全過程分析，找出結(jié)構(gòu)的薄弱部位，并對(duì)出現(xiàn)塑性鉸的位置，根據(jù)實(shí)際情況予以適當(dāng)加強(qiáng)，從而滿足“大震不倒”的目標(biāo)要求。5、提出大跨度結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)計(jì)算方法 “鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)暴露于室外，所以在鋼結(jié)構(gòu)表面使用太陽輻射吸收系數(shù)小、紅外線反射能力強(qiáng)的淺顏色防銹涂層，盡量降低太陽輻射吸收系數(shù)。并通過對(duì)大跨度結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的分析，確定鋼屋蓋在使用期間的最大溫差，確定屋蓋合理的合攏溫度，保證結(jié)構(gòu)的安全性和受力的合理性。6、焊接薄壁箱形構(gòu)件設(shè)計(jì)方法

6、為有效減少用鋼量，在焊接箱形截面構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)采用較小的壁厚。然而，根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行薄壁焊接箱形構(gòu)件時(shí)，一般只考慮箱形構(gòu)件在軸心受壓、純彎及壓彎時(shí)有效寬度的計(jì)算方法，鳥巢設(shè)計(jì)過程中，以板件應(yīng)力狀態(tài)的基礎(chǔ)，提出焊接薄壁箱形構(gòu)件有效截面的計(jì)算方法，考慮了受壓較小板件應(yīng)力值較低對(duì)有效寬度的有利影響與有效截面偏移量的影響，并給出構(gòu)件在拉、壓、雙彎、扭作用下的計(jì)算公式。7、扭曲構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法與空間表示方法國家體育場(chǎng)屋蓋肩部次結(jié)構(gòu)扭曲構(gòu)件主要以受彎為主，壁厚較薄，受力性能復(fù)雜。在設(shè)計(jì)中提出設(shè)置內(nèi)部加勁肋的方式提高箱形扭曲構(gòu)件的抗彎剛度，使翼緣的應(yīng)力分布均勻，從而降低應(yīng)力峰值。由于國家體育場(chǎng)扭曲

7、構(gòu)件在建筑工程中尚無應(yīng)用，傳統(tǒng)的制圖方式無法描述其幾何定位，因此提出一種適合于復(fù)雜空間扭曲構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)表示法，根據(jù)精度要求選取構(gòu)件棱線上的特征點(diǎn)、端點(diǎn)或與其他構(gòu)件的交點(diǎn)，采用三次B樣條曲線擬合空間扭曲構(gòu)件的棱線。8、箱形截面桁架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)在“鳥巢”大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，遵循“節(jié)點(diǎn)與構(gòu)件等強(qiáng)度”的原則，充分發(fā)揮構(gòu)件材料的強(qiáng)度，確保節(jié)點(diǎn)不先于構(gòu)件破壞，構(gòu)造簡(jiǎn)單、傳力直接，保證其在各種荷載作用下的安全性，同時(shí)，加工制作相對(duì)容易。提出了大尺寸焊接薄壁箱形截面桁架單K節(jié)點(diǎn)、雙K節(jié)點(diǎn)的幾何構(gòu)型方法。通過調(diào)整板件的角度，改善其傳力的合理性。采用調(diào)整板厚、設(shè)置加勁肋等方法，在保證節(jié)點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)性前提下，提高節(jié)點(diǎn)承載力

8、，實(shí)現(xiàn)了“等強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的設(shè)計(jì)理念。 9、異型柱腳及桁架柱復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)國家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)桁架柱由一個(gè)菱形內(nèi)柱和兩個(gè)近似方形的外柱組成，由于交匯于菱形內(nèi)柱腹桿的數(shù)量多，角度復(fù)雜，對(duì)稱性差，內(nèi)柱與主桁架下玄桿節(jié)點(diǎn)最多有13根桿件交匯在一起。如果采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)，其噸位很大，對(duì)材質(zhì)要求很高，超過我國目前鑄鋼生產(chǎn)能力。并且質(zhì)量控制比較困難。于是在設(shè)計(jì)中提出將腹桿側(cè)壁與菱形柱內(nèi)壁板共面，使得腹桿與內(nèi)柱傳力直接。在菱形內(nèi)柱內(nèi)設(shè)置水平加勁肋，增強(qiáng)菱形內(nèi)柱在節(jié)點(diǎn)域的剛度，使得腹桿翼緣的內(nèi)力能得到有效傳遞。桁架柱復(fù)雜節(jié)點(diǎn)圖10、大跨度鋼結(jié)構(gòu)安裝國家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)工程由48榀門字鋼架圍繞混凝土看臺(tái)旋轉(zhuǎn)而成，主次結(jié)構(gòu)截面均為

9、箱形截面，桁架柱為三角形格構(gòu)柱，其吊裝單元最重達(dá)370t，吊裝高度達(dá)68m。主桁架斷面中心高度為12m，桁架最大跨度達(dá)102.4m，其吊裝單元最重達(dá)262t。 11、臨時(shí)支撐架的設(shè)置因大部分看臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)先行施工，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)部分隨后進(jìn)行施工，要協(xié)調(diào)鋼結(jié)構(gòu)安裝與混凝土結(jié)構(gòu)施工的關(guān)系，保證混凝土看臺(tái)部分連續(xù)施工、鋼結(jié)構(gòu)安裝順利進(jìn)行，所以在屋蓋主桁架交叉點(diǎn)的位置設(shè)立78個(gè)臨時(shí)支撐架。 步驟一：吊裝主桁架柱用2臺(tái)800t的吊車分南北兩區(qū)同時(shí)進(jìn)行。對(duì)國家體育場(chǎng)的24根主桁架柱進(jìn)行吊裝。步驟二：吊裝主結(jié)構(gòu)構(gòu)件主桁架柱吊裝完畢后。對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋主結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行吊裝。步驟三：屋蓋鋼結(jié)構(gòu)合攏由于國家體育場(chǎng)外露

10、的鋼結(jié)構(gòu)，尺度較大，溫度應(yīng)力占它結(jié)構(gòu)作用力里很大的一部分，所以要嚴(yán)格控制鋼結(jié)構(gòu)的合攏溫度（經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算確定為194）。為保證施工時(shí)的溫度滿足設(shè)計(jì)要求，由專業(yè)的氣象部門每天在現(xiàn)場(chǎng)跟蹤、監(jiān)控“鳥巢”的氣象資料，同時(shí)委托專業(yè)的科研單位，在整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)上布置60個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。8月份的北京，只有凌晨才有可能達(dá)到設(shè)計(jì)的合攏溫度（194），所以施工單位便選擇在每天的后半夜進(jìn)行合攏焊接。步驟四：鋼結(jié)構(gòu)卸載鋼結(jié)構(gòu)的卸載是國家體育場(chǎng)施工最重要的環(huán)節(jié)。成功卸載說明“鳥巢”不需要支撐就能獨(dú)立抵抗外力。卸載就是拆除主桁架交叉點(diǎn)下的78個(gè)臨時(shí)支撐架，每個(gè)支撐架上設(shè)兩個(gè)液壓千斤頂，安排1個(gè)焊工，2個(gè)機(jī)操工和一個(gè)記錄人員。在場(chǎng)地中央

11、設(shè)置中央控制室，統(tǒng)一指揮，控制支撐架同步卸載。步驟五：吊裝次結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝順序?qū)τ诖罂缍冉Y(jié)構(gòu)受力狀態(tài)影響較大。在安裝過程中，如果屋頂次結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)同時(shí)安裝，次結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力會(huì)明顯增大，導(dǎo)致次結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面壁厚增大，結(jié)構(gòu)總用鋼量增加，主、次結(jié)構(gòu)之間區(qū)別不明顯，地震作用效應(yīng)增大，難以按指定的順序出現(xiàn)塑性鉸而形成良好的抗震體系。 次結(jié)構(gòu)吊裝完成12、高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的低溫焊接為確保國家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)施工的順利進(jìn)行，通過試驗(yàn)，試制出滿足工程需要的Q460厚鋼板，并總結(jié)出Q460厚鋼板焊接技術(shù)。在確保Q460高強(qiáng)鋼材、鑄鋼件的焊接必須在正溫環(huán)境實(shí)施的前提下，確定對(duì)Q345D、Q345GJD兩種材質(zhì)進(jìn)行負(fù)溫焊接試驗(yàn)，涉

12、及：板厚20mm、60mm，焊接材料有焊條、藥芯焊絲、實(shí)芯焊絲，涵蓋橫、立、仰三種焊接位置，試驗(yàn)溫度確定在-10 5，焊接參數(shù)執(zhí)行正溫焊接參數(shù)。焊前預(yù)熱及層間溫度的控制，采用測(cè)溫器具測(cè)量，預(yù)熱區(qū)在焊道兩側(cè)，其寬度為焊件厚度的2倍。預(yù)熱工作由專業(yè)人員進(jìn)行操作，質(zhì)量控制人員進(jìn)行溫度檢查并做好記錄。焊接完畢后，焊工必須清理焊縫區(qū)的熔渣和飛濺物，檢查焊縫外表面質(zhì)量，合格后在工藝規(guī)定的焊縫及部位打上焊工鋼印。13、矩形鋼管永久模板砼斜扭柱的施工技術(shù) 針對(duì)國家體育場(chǎng)124根跨層超高斜扭柱鋼筋密集、普通模板支設(shè)難度大及建筑效果要求高等特點(diǎn)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最終確定采用矩形鋼管作為混凝土斜扭柱的永久模板，采用高

13、流態(tài)混凝土泵送頂升工藝澆筑混凝土。解決了泵送頂升工藝在配制密集鋼筋矩形鋼模柱混凝土施工的可行性，為超長(zhǎng)砼澆筑提供新思路。配合施工監(jiān)測(cè)，提出類似工程最大泵送高度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算理論。矩形鋼管永久模板砼斜扭柱施工采用10mm14mm厚的鋼板組拼成矩形鋼管作為永久模板：技術(shù)相對(duì)可靠；能有效保證節(jié)間質(zhì)量；極大降低了斜扭柱的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和安全風(fēng)險(xiǎn)；整體性好，施工簡(jiǎn)便，可節(jié)約工期。矩形鋼管永久模板砼斜扭柱施工鋼筋綁扎：按設(shè)計(jì)要求的角度和一定的模數(shù)綁扎鋼筋，并設(shè)置10的導(dǎo)向鋼筋。方鋼管永久模板制作：用鋼板焊接而成，上表面設(shè)5的溢漿孔 。矩形鋼管永久模板砼斜扭柱施工高流態(tài)混凝土的泵送頂升：輸料管的出料彎頭焊接固定在永久鋼

14、模的下部。用軟管連接輸料管和出料彎頭，以減少輸料管對(duì)柱腳模板的沖擊力。泵送混凝土，混凝土從斜扭柱的下部進(jìn)入，慢慢頂升至上部。在工期緊張的情況下，相比采用普通模板分階段進(jìn)行施工，在柱體調(diào)整就位后即可進(jìn)行頂部梁模板及鋼筋的施工，有效縮短工序銜接時(shí)間。大大加快施工進(jìn)度，同時(shí)，混凝土澆注過程中不需振搗，可節(jié)省大量的混凝土用工和機(jī)械臺(tái)班。14、屋面雨水排水系統(tǒng)國家體育場(chǎng)屋面雨水排水系統(tǒng)是采用重力排水系統(tǒng)和虹吸式排水系統(tǒng)的組合系統(tǒng)，重力和虹吸兩種系統(tǒng)的連接部位為積水槽。屋面雨水排水采用42個(gè)組合系統(tǒng)。每個(gè)典型的雨水排水系統(tǒng)有以下部分組成：在屋面雨水天溝中設(shè)置重力雨水斗，約500平方米范圍內(nèi)的膜單元及其維護(hù)機(jī)構(gòu)內(nèi)的雨水以重力排水方式接入懸吊在屋面主維護(hù)結(jié)構(gòu)梁下的一個(gè)水平的集水槽中。集水槽中設(shè)虹吸式雨水斗。23個(gè)相近標(biāo)高的集水槽內(nèi)的虹吸式雨水斗由一條虹吸虹吸排水懸吊管和立管連接，立管沿建筑外圍框架的指定位置的鋼立柱下降并排入建筑物周圍的雨水管道中。15、雨水的回收利用技術(shù)國家體育場(chǎng)雨洪利用系統(tǒng)是將體育場(chǎng)用地范圍內(nèi)的雨水收集起來，通過處理，與市政優(yōu)質(zhì)