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国家体育场
第39卷第8期2008年8月
Vol.39No.8Aug.2008
建筑技术
ArchitectureTechnology
国家体育场(鸟巢)工程施工新技术综述
李久林,杨俊锋,杨庆德,邱德隆,盛宇,张颖
(北京城建集团有限责任公司,100088北京)
摘要:
国家体育场是2008年北京奥运会的主会场。
其造型呈马鞍形,外壳由钢结构编织成鸟巢状,内部为三层碗状看台混凝土结构。
看台结构存在大量斜柱、斜梁、空间环梁等异形构件。
钢结构总用钢量约4.2万t。
施工中通过采用高强高性能混凝土技术、钻孔灌注桩后压浆技术、HRB钢筋应用技术、Q460高强钢厚板焊接技术、成套箱形弯扭构件加工制作技术等,取得了一系列研究成果,提高了我国建筑技术水平,社会经济效益和环保效益非常显著。
其中7项科技成果填补国内空白,达到国际先进或国际领先水平,完成了国家级工法4项。
本工程已获得结构“长城杯”金杯和中国钢结构金奖。
关键词:
体育场;鸟巢;钢结构;混凝土;厚板焊接
中图分类号:
TU74文献标识码:
B文章编号:
1000-4726(2008)08-0564-00
SUMMARYOFNEWCONSTRUCTIONTECHNOLOGIESINNATIONALSTADIUM
LIJiulin,YANGJunfeng,YANGQingde,QIUDelong,SHENGYu,ZHANGYing
(BeijingUrbanConstructionGroupCo.,Ltd.,100088,Beijing,China)
Abstract:
Asthemainstadiumfor2008OlympicGames,NationalStadiumhasasaddle-likeconfigurationandabirdneststeelshellwhileitsinternalstructureisthreefloorsofbowlconcretestandsinwhichalotofobliquepostsandbeamsaswellasspacialringbeamsarearranged,withtotalsteelconsumptionof42,000t.Sometechnologieswereappliedintheconstruction,includingconcreteofhighstrengthandhighperformance,postpressuregroutingintodrivencast-in-placepile,appliedtechnologyforHRBsteelbar,thickplateweldofhighstrengthsteelQ460andfabricationofbending-twistingboxcomponentsandetc.Theresearchachievementsmadeintheprojecthaveimprovedtheconstructionlevelofourcountry,reachedremarkablesocial,economicalandenvironmentalbenefits.Amongthem,7scientificachievementsattaintheinternationaladvancedorleadinglevel,4constructionmethodscompletedreachthenationallevel.Theprojecthasbeenawarded“GreatWallCup”ofstructureandgoldenprizeofChinasteelstructure.
Keywords:
stadium;birdnest;steelstructure;concrete;thickplateweld
图1国家体育场
国家体育场(图1)位于奥林匹克公园中心区南部,是北京2008年第二十九届奥运会的主会场,承担开幕式、闭幕式和田径比赛,赛时可容纳观众91000人,其中临时坐席11000个(赛后拆除)。
工程占地面积20.4hm2,总建筑面积25.8万m2。
建设单位为国家体育场有限责任公司,设计单位为瑞士赫尔佐格和德梅隆、中国建筑设计研究院、奥雅纳组成的设计联合体,总承包单位为北京城建集团。
工程于2003年12月24日开工建设,2008年6月27日竣工。
1工程概况
1.1建筑工程概况
本工程分体育场、基座和热身场地三部分,体育场建筑造型呈椭圆的马鞍形,外壳由4.2万t钢结构有序编织成鸟巢状独特的建筑造型;内部为三层混凝土结构碗状看台;钢结构屋顶上层为4.2万m2ETFE单层张拉膜,下层为5.3万m2PTFE膜声学吊顶。
建筑物南北向(长轴)长333m,东西向(短轴)长280m;观众看台下地下2层,地上4~7层,建筑物高69.21m(混凝土结构高51.1m),±0.00相当于43.50m。
本工程为特级体育建筑,工程设计使用年限为100年,耐火等级为一级,抗震设防烈度8度,人防等级为6级,物资库防化等级丁级。
地下工程防水等级为Ⅰ级,采用三道设防。
其中一道为钢筋混凝土自防水;在钢筋混凝土结构外侧,基座底板、外墙采用柔性防水层为两道4+4SBS改性沥青卷材防水;基座顶板采用柔性防水层为两道3+4SBS改性沥青卷材防水。
室内防水采用1.5mm厚单组分聚氨酯涂膜。
总体设计贯彻“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”三大理念。
1.2结构工程概况
1.2.1混凝土结构
本工程混凝土结构工程是由12个混凝土剪力墙形成的核心筒与周边梁、板、柱组成的异型框架-剪力墙结构,框架结构上部支撑着预制看台板,约14700块预制看台板与大跨度斜梁组成观众看台。
除预制看台板外均为现浇混凝土结构。
基础采用桩承台式基础,基础桩采用后压浆钻孔灌注桩,桩顶承台通过混凝土筏板连接为整体。
看台结构存在大量斜柱、斜梁、空间环梁及弧形墙等大量异形构件。
其中斜柱断面尺寸为1000mm×1000mm,共分两种形式;一种为单向倾斜,另一种为在单向倾斜基础上沿纵向旋转一个角度(简称斜扭),倾斜角度从59°~89°不等,共70种,旋转角度从1°~89°不等,共36种,跨层(二、三、四)与楼板相连的斜柱最大垂直高度达18.65m。
斜梁为超长鱼腹式T形结构,中层看台斜梁断面尺寸1000mm×(333~2278)mm不等,上层看台斜梁截面尺寸1000mm×(442~1200)mm不等;上层看台斜梁端部为椭圆形马鞍状空间环梁,断面尺寸最大1200mm×1615mm。
基础外墙大量为弧形墙体。
零层顶板、下层看台叠合现浇斜板采用无粘结预应力,直线布置;通道转换梁、看台悬挑梁采用有粘结预应力。
各层结构外边梁为折线形,边线里出外进极不规则,6条变形缝间板长约172m,为超长结构。
基础底标高变化大,其中钢结构组合柱P承台-3.9m、-9.5m、-11.0m,最大14m×26m×9.5m,为大体积混凝土结构。
钢结构与混凝土结构为独立受力结构,但在空间上相互交叉在一起,钢结构组合柱、大楼梯柱局部穿过混凝土结构楼板(图2)。
图2国家体育场东西向剖面图
1.2.2钢结构
钢结构主结构(图3)由24榀门式桁架组成,其中22榀是直线贯通或近似直线贯通。
屋盖开口长轴方向(南北向)长度约为185m,开口边缘接近跑道的外侧;短轴方向(东西向)约为125m,边缘接近一层看台内侧。
组合柱间共设置12对瀑布状大楼梯。
屋顶桁架矢高12m,其中上弦杆(组合柱外柱相连)截面基本为1000mm×1000mm,下弦杆(组合柱内柱相连)为800mm×800mm,腹杆截面基本为600mm×600mm。
组合柱(菱形内柱+2方形外柱)的截面保持1200mm×1200mm不变,次结构截面为1000mm×1000mm。
钢板的最大厚度不大于110mm。
板厚不大于34mm时采用Q345钢材;板厚不小于36mm时,采用Q345GJ钢材;板厚不小于100mm时采用Q460E钢材,此种钢材在国内建筑用钢中首次使用,共约700t,应用在4个柱脚和6根桁架柱中。
桁架柱的菱形内柱下端(标高+1.5m)的上部采用了Gs20Mn5V铸钢件。
铸钢件单件重量最大近30t,共计约600t。
钢材Z向性能要求:
40mm≤t≤60mm,Z15;60mm<t≤90mm,Z25;t>90mm,Z35。
设计用钢量总计约42000t。
1.3装饰装修工程概况
本工程装饰装修设计将中国元素、人文关怀、国际潮流相融合,通过不同材料、不同色彩、不同元素的运用,将不同功能分区有机结合在一起。
体育场的外立面与结构是统一的,各个结构元素之间相互支撑,汇聚成网格状,就如同一个由树枝编织成的鸟巢。
其中3层餐厅层外侧、4层包厢层内外两侧设置隐框全玻幕墙,采用60×120钢框、中空玻璃,其中玻璃内侧彩釉图案处理。
集散厅墙面采用红色涂料、亚麻地面、顶棚平板部位喷涂黑色涂料,看台板下表面喷涂红色涂料。
混凝土柱喷涂与钢结构一致的金属银灰色面漆。
其中1层集散厅地面采用机切碎拼石材拼砌。
内隔墙除钢筋混凝土墙外,主要墙体均为300、250、150mm厚陶粒混凝土空心砌块及轻钢龙骨轻质隔墙。
外墙保温材料为100mm厚岩棉保温层,二层以上集散厅楼板保温材料为30mm厚挤塑板保温层,部分看台板下面有用房的,在底板做50mm厚挤塑板保温层,一层集散厅及基座平台保温材料为50mm厚挤塑板保温层。
1.4机电工程概况
机电设备安装工程包括给排水、通风空调、电气、智能建筑及电梯五大系统38个专业系统。
给排水工程中给水系统采用紫铜管,最大口径达250mm,钎焊连接;生活排水系统卫生间坐便器均采用同层排水方式;观众区域设直饮水系统,采用食品级薄壁不锈钢管材;钢结构屋面雨水排水系统采用重力和虹吸相结合的排水方式,屋面雨水及场区径流雨水经6个雨水收集处理池收集处理后补充市政优质中水供体育场内消防、喷灌、后期改造卫生间使用。
通风空调工程中空调主导冷源采用双工况冷水机组,赛时为空调工况,赛后采用冰蓄冷模式;体育场部分区域采用地源热泵系统,比赛场地下设置地源换热器。
电气工程中变配电系统采用10kVA四路进线、两路供电模式,设两台1680kW柴油发电机组作为应急电源,另设UPS作为计算机类负荷应急电源,EPS作为应急照明的电源;照明工程包括一般、应急、场地、景观及立面照明。
智能建筑工程中除常规的建筑设备监控等系统外,还包括安全防范系统、场地扩声系统及体育赛事系统。
1.5节能环保技术
1.5.1雨洪利用
国家体育场雨洪利用系统设施,年回收利用的雨水量可能达到年平均总降水量的66%,年回收总量近6.7万m3。
既可有效地减少北京市的供水负担,降低径流量,减少对市政水管网的压力,又能为体育场运营中年回用水提供约23%的补水量;与使用自来水相比,还能为业主节约大量水资源费、自来水费和排污费,同时每年节约约400多万元的城市防洪费,具有显著的效益。
其技术水平达到国际先进水平:
(1)体育场内70%的供水由回用水代替,其中23%来自雨水;
(2)世界范围内建筑雨洪利用系统处理标准最高的处理设施;(3)世界范围内建筑雨洪利用系统处理规模最大的设施之一;(4)世界范围内建筑再生水处理设施供水最洁净、最卫生的系统;(5)供水水质标准和先进的收集、处理、自控技术填补国内再生水处理领域空白,相关技术处于国际先进水平。
1.5.2地源热泵技术应用
通过专项研究,利用体育场足球场草皮下的土壤资源,设计地源热泵冷热源系统,高效、节能、环保。
本工程在足球场草坪下部设了312口深75m地源热泵井,夏季可提供1500kW制冷量,冬季可提供1800kW制热量。
这样既减少了部分负荷运行时的能耗,又充分利用可再生能源,积极响应了“绿色奥运”和“科技奥运”的理念。
1.5.3膜结构技术应用
采用新型、绿色建材ETFE及PTFE膜结构覆盖屋顶,并已编制完成了由设计联合体作为主编单位的《国家体育场膜结构技术规程》、由施工总包作为主编单位的《国家体育场ETFE膜结构施工验收规程》和《国家体育场PTFE膜结构施工验收规程》,作为国家体育场膜结构设计的技术指导性文件。
膜结构具有燃烧性能优越、透光率好的特点,根据采用的膜材和使用部位的不同,具有防水、透光、吸声等作用。
本工程的膜结构由两部分构成:
上层镶嵌在主体钢结构上层钢梁区格之间透明的ETFE膜结构,下层悬挂在主体钢结构下层钢梁下面半透明的PTFE膜结构吊顶。
2施工概况
2.1施工特点和难点
2.1.1混凝土结构工程
(1)桩基设计施工难度大。
国家体育场为大跨度空间结构,基础受力复杂,同时抗浮水位较高,桩基承受的抗压、抗水平、抗拔荷载极大,且工程基底土质复杂,对于桩基设计参数的取得,尤其是水平荷载作用下桩顶嵌固效应以及桩土承台共同作用效应需通过系统的试桩确定,国内外民用建筑领域尚无成熟经验借鉴。
(2)异型框架结构复杂。
为实现鸟巢独特的建筑效果,混凝土结构中大量采用斜梁、斜柱构成异形框架结构。
1800根混凝土柱中斜柱、斜扭柱占80%,最大倾角60°;其中跨三层、四层斜扭柱124根,最大高度21m;大断面、大跨度斜梁长25m,倾角30°。
结构外边缘不规则,支撑架体施工难度大,采用现浇混凝土建造异形框架结构,国内外尚无先例。
(3)耐久性指标高。
地上结构单块最大长度为170m,钢结构柱下承台厚达10m,基础底板不设伸缩缝,面积300m×400m,结构裂缝控制难度大。
工程为具有重大意义的标志性建筑,混凝土结构需满足100年耐久性要求,对此类民用建筑工程国内外没有相应的规范可以依据,也无同类工程可供借鉴。
(4)预制看台板数量大、要求高。
国家体育场由约1.5万块预制混凝土看台板组拼而成。
预制看台板型号多,约2400种,工程量大,构件形式复杂;重量大,最重18t,且为非预应力薄壁长构件,最长约11m。
看台板设计要求为清水混凝土构件,不做任何饰面处理,加工标准极高,构件制作以及安装技术需研究解决。
2.1.2钢结构工程
(1)大量采用空间弯扭构件、节点复杂,加工制作及安装难度大。
为体现鸟巢独特的建筑造型,本工程1/3以上的构件采用空间弯扭构件,无固定的线型。
同时,本工程中无论是主结构之间,还是主次结构之间,都存在多根杆件(达14根)空间汇交现象;加之次结构复杂多变、规律性少,造成主结构的节点构造相当复杂,节点类型多样,制作、安装精度要求高(图4)。
(a)(b)
图4桁架柱施工示意图
(a)桁架柱上柱弯扭段;(b)桁架柱下柱顶节点
(2)构件体型大、单体重量重,构件翻身、吊装难度大。
作为屋盖结构的主要承重构件的桁架柱最大外形尺寸达25m×20m×68.5m,分两段吊装,吊装单元最重达360多t,吊装高度最高达68.5m。
而主桁架高度12m,双榀贯通最大跨度约260m,吊装单元最重262t,构件最长约43m。
由于构件体型较大,重量重,各类构件重心位置互不相同,翻身时吊点的设置和吊耳的选择难度较大,特别是桁架柱的翻身,吊耳在翻身和吊装时的受力有所变化,需考虑三向受力。
翻身过程中的稳定性控制难度大。
起吊时,必须调整好分段构件的角度和方位,而对于体型大、重量重的构件,角度调节相当困难,吊装难度大。
(3)焊接量大、焊接难度大。
本工程为全焊接钢结构,焊缝总长度约30万m,焊缝折算总长度约280万m。
钢板厚度3~110mm,焊接位置涉及平焊、横焊、立焊和仰焊,且焊接工作跨整个冬季。
既有高强钢(Q460E-Z35)的焊接,又有铸钢件(GS-20Mn5V)的焊接。
薄板焊接变形大,厚板焊接熔敷量大,温度控制和劳动强度要求高。
而高空焊接、冬雨季焊接的防风雨和防低温措施更使得焊接难度增大。
(4)安装精度控制难、施工质量要求高。
由于施工过程中结构本身因自重和温度变化均会产生变形,结构形体复杂,均为箱形断面构件,位置和方向性均极强,安装精度受现场环境、温度变化等多方面的影响极难控制。
另外,本工程无论是外观质量,还是内在质量(如焊缝质量等级等),都要求相当高。
其中,钢板拼接、弯扭段构件组装焊缝及现场拼装、安装焊缝均为全熔透一级焊缝;钢结构立面在距视线10m内可见焊缝的余高要求为0~1mm,所有焊缝表面均需进行磨光处理。
(5)合拢口多,合拢温度要求严,实施难度大。
根据设计要求,本工程中的主桁架和立面结构各设置了四条合拢线。
其中,主桁架合拢口100个(含上、下弦和腹杆),立面结构的合拢口28个,合拢口数量众多。
虽立面结构和主桁架可采取分次合拢方案,但一次合拢的对接口数量仍高达50个,为确保合拢线上的对接口同时合拢,需组织大量的人力和物力。
而且,整个钢屋盖安装及制作误差最终均集中在这四条合拢线,选择何种合拢方式来消纳误差难度特别大。
同时,对于如此复杂的结构和复杂的温度场分布情况,要保证分次合拢时的温度条件基本一致,满足(19±4)℃要求,难度巨大。
(6)卸载点多、吨位重、设计要求高,同步控制难度大。
本工程卸载点多、卸载吨位大,屋盖总面积约60000m2,卸载吨位约14000t,78个卸载点,设计要求“结构整体分级同步卸载、严格进行比例控制”,单点卸载吨位大、最大点支撑力约300t,卸载实施难度大。
(7)顶面及肩部次结构安装难度大。
按设计要求,4000t顶面及肩部次结构在主结构卸载之后进行安装,卸载之后主结构发生变形,而现有的加工制作依据是卸载前位形,所以卸载前后的变形量将会严重影响次结构的安装精度。
2.1.3装饰装修工程
装饰面层材料的选择以及节点构造追求与钢结构乱形相呼应的效果,具体装饰节点作法上体现了粗犷与细腻相结合的方式,不追求选材的高档次,而是选择特异的材料,通过特殊的作法来表达设计师的意图,具体实施起来难度很大,如异形金属格栅吊顶、自然面石材地面拼砌。
2.1.4防水工程
室内外空间连续过渡,室内外建筑作法混合运用。
由于钢结构和混凝土结构相互穿插,其变形缝受温度影响长期存在45~72mm大变形,变形缝防水难度极大;基座顶板和楼板采用挤塑板保温形成所谓的漂浮地面;大面积轻钢龙骨墙体内墙外用,防裂难度大。
2.1.5机电工程
本工程专业设备大量采用了国内乃至国际建筑智能化的前沿技术,科技含量高,例如雨洪利用技术、地源热泵技术、智能照明综合控制技术等。
本工程规模宏大,各专业系统复杂,子系统项目繁多,各现场控制设备分散,机电管线纵横交错,随异形结构敷设,机电综合排布预控要求高。
2.1.6其他
(1)国家体育场功能繁多,科技含量高,世界领先的建筑新技术、新材料、新工艺、新设备多,是世界上独一无二的特大型体育场馆建筑,特别是重型钢结构和顶面大面积ETFE和PTFE膜结构,没有先例,近10项专项施工没有验收标准或国家现行施工验收标准不能覆盖,需要在施工过程中进行研究,制定专项验收标准用于指导施工,具有巨大的技术、质量风险。
(2)建设标准要求高。
建设验收标准要求严格,综合调试、体育场地、体育设施技术标准必须与IOC、SPOC、BOCOG及国际单项体育联合会最新技术标准相一致;工程建设及工艺质量验收标准除了符合规范及国家最高质量标准——“鲁班奖”要求外,还应与国际接轨,接受国际奥委会、田联等国际相关组织的验收,满足体育场馆建设有关国际技术标准规定。
(3)施工时间短,工期紧。
施工专业多,国际、国内分包单位多,特殊、特种专业施工队伍多,现场质量协调、管理与控制难度大。
2.2施工部署
2.2.1部署原则
(1)施工总体顺序:
先体育场,后基座、热身场地。
以钢结构安装为主线,综合考虑施工工期,先行施工混凝土结构,合理安排混凝土结构施工顺序,为钢结构施工创造条件。
对影响钢结构吊装的混凝土结构,根据设计图纸要求留设施工缝,待钢构件吊装后进行施工。
预制混凝土看台板待钢结构支撑卸载完成,随支撑塔架的分区拆除适时插入施工,同时保证顺序交接、先后有序、自然过渡。
总体施工程序见图5。
图5总体施工程序
(2)时间上的原则:
计划先行、统筹考虑,综合安排施工作业,尽量避开雨季、冬季不利因素,同时兼顾北京地区季节性气候影响;否则提前布置,为施工创造条件。
(3)空间上的原则:
平面分区段,立体分流水,交叉作业,合理组织,保证施工的连续性、均衡性、节奏性;做好分阶段验收安排,提前插入二次结构、钢结构、装饰装修、机电安装工程。
2.2.2施工区域划分
(1)体育场混凝土结构工程依照6条变形缝划分为六个大的施工区域:
NE区、E区、SW区、SE区、NW区、W区。
安排三支施工队,每队负责二个区,区内流水施工。
(2)钢结构工程划分为南北对称安装区域,总体划分为内环、中环及外环,安排两支安装队,分区对称安装。
主结构的安装顺序遵循对称同步、尽早形成安装区域局部稳定的原则。
总体上分为三个阶段八个区域,第一阶段安装1、2区域;第二阶段安装3、4区域,第三阶段安装5、6、7、8区域(图6)。
图6主结构安装顺序
次结构的安装顺序对整体钢结构的安装具有重要的影响,为加强在每个安装阶段及支撑塔架卸载过程中的整体侧向稳定性,确定在支撑塔架卸载前随每个阶段钢组合柱的安装进行立面次结构的安装。
根据设计要求,顶面及肩部次结构在主结构卸载完成后进行安装。
3施工中主要创新技术
本工程除大量推广应用建筑业十项新技术中的近50个分项技术外,还结合本工程的特点难点,在新技术的应用中有所突破创新。
3.1混凝土结构耐久性技术
3.1.1高耐久性混凝土配制试验研究
配制本工程高耐久性混凝土,主要应符合以下要求。
(1)混凝土各种原材料技术指标必须符合耐久性设计要求,且相互之间具有良好的适应性。
关键控制指标应包括:
P·O42.5水泥,碱含量小于0.6%;非碱活性或低碱活性砂石,其中砂含泥量小于2.0%,石子最大粒径5~25mm,连续级配,空隙率小于40%;缓凝型外加剂,减水率大于20%,28d收缩率比小于125%。
(2)C40以上强度等级混凝土,水胶比不应大于0.41,砂率40%~42%。
地下结构可采用大掺量粉煤灰混凝土,上部结构混凝土中水泥用量不可降低过多,以免影响混凝土的抗碳化能力。
(3)在地下墙体混凝土中同时掺加适量微膨胀剂和聚丙烯纤维,可以较好地解决混凝土的开裂问题。
(4)应采用缓凝和低收缩的高效减水剂,并适当结合其他缓凝措施,控制混凝土初凝时间至少在12h以上,避免混凝土早期强度发展过快。
3.1.2大体积混凝土、超长结构的裂缝控制研究
3.1.2.1大体积混凝土和超长结构温度场和应力场的仿真分析
(1)计算结果分析
基础底板内承台温度与其相连的混凝土底板之间的温度梯度较大,因此大承台表面及其与底板相连区域的温度应力会比较大,可能超过混凝土的抗拉强度;底板转角处的应力基本上较同期的强度高,属于几何形态引起的应力集中问题,应力集中的部位基本在内角处。
钢结构承台计算最高温度为86℃,内外最大温差46℃;最高温度出现在3~7d之间,表明在表面出现裂缝的可能性很大;最大应力出现在表面和角部,内部应力较小;根据计算表面和转角处应力大部分区域出现超过同期砼强度的情况,承台表面可能出现龟裂;
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