公共建筑结构施工案例

公共建筑结构施工案例
1 案例背景
国家游泳中心位于北京市奥林匹克公园中心区西南角，工程占地62828平方米，赛时建筑面积为79532m2。

标准坐席17000个，其中临时坐席约13000个（赛后将拆除）。

该工程是2008年奥运会游泳、跳水、花样游泳、水球等项目的比赛场馆。

建筑总体布置为正方形，平面尺寸为177.338m×177.338m，其造型为“充满水的立方体”。

为了体现出不同形状的水滴充满整个空间的设计理念，屋面及墙体由延性空间刚框架结构构成水滴的骨架，里外两层刚框架分别外包ETFE膜，建筑外观体现出水滴的流动状态，整体像一个透明的“冰块”。

本工程地下两层，地上五层，地下深度为12米，地上檐口高度为30.587米。

墙体与屋面结构采用了“延性多面体刚框架结构体系”，建筑外墙的厚度为3.472m，内墙为3.472m和5.876m两种，屋盖结构厚度为7.211m。

墙体和屋面围护采用ETFE膜，内膜与外膜之间形成空气层，在炎热的夏季或寒冷的冬季，空气层会阻挡外界热、冷空气侵入场馆内，场馆内的空调设备就会在温差相对小的范围内进行微量调节，达到室内节能的目的。

国家游泳中心工程建筑设计新颖，结构设计独特，机电系统设计复杂，从设计到施工的大量自主创新科技亮点运用其中：这里有100年耐久性使用年限的混凝土结构，有创造性地采用了基于“气泡理论”的新型多面体空间刚架结构，有目前世界上覆盖面积最大的应用ETFE膜进行全封闭的外围护结构，有精度、水质、温度等均要求极高的比赛泳池，有温度、湿度、混响、防眩光等控制指标极其严格的比赛大厅室内环境，有布置在两层ETFE膜结构内部的大型LED灯光投影等等，是一项极具挑战性的工程。

2 施工技术特点
2.1 耐久性100年的混凝土
国家游泳中心工程混凝土结构设计年限100年，混凝土耐久性指标要求高，对于混凝土抗裂要求非常高。

目前，国内在公共建筑中尚属少见，必须从原材料的选择、施工过程的控制等方面进行严格管理，才可达到高性能混凝土所要求的耐久性长及工作性好的特点。

2.2 预应力大梁大体积混凝土施工
国家游泳中心热身池上空设计为赛后溜冰场，为达到溜冰场防震动要求，溜冰场楼板下设计了8根有粘结预应力混凝土大梁，每根大梁截面尺寸为1.5m（宽）×3.5m（高），跨度为34m。

截面尺寸和跨度如此大的预应力混凝土大梁在实际施工中遇到以下难题： 预应力梁截面大，属于大体积混凝土构件，在施工阶段由于混凝土水化热大产生收缩而容易导致构件裂缝；
由于截面大，构件重，预应力大梁距热身池底板约14m高，同时给脚手架支撑提出了更高的要求；
施工中梁柱节点处的配筋较多，预应力筋与非预应力筋穿插多：①波纹管布设从梁中两排变为端部三排，与梁箍筋交叉多；②对拉螺杆与波纹管位置矛盾处多。

施工安排在盛夏季节，对绝对温升的控制非常不利。

2.3 结构尺寸及精度要求很高的游泳池
泳池、跳台对装修面完成后所达到的精度要求高于普通建筑，要比普通建筑的国家验收标准更加严格。

施工过程中，与完成面尺寸相关的每一个环节：测量、模板的选择与支设、混凝土的浇筑、装修面的完成等必须严格控制，才能达到最终的精度要求。

本工程的主要功能为游泳、跳水，建筑的主要空间为泳池，泳池的不透水性，即混凝土抗渗、防裂及防水材料是关键。

从混凝土的配合比设计、防水剂的选择、混凝土的浇筑与养护工艺的选择、柔性防水材料厂家的选定等做到方案合理、现场控制有效。

2.4 结构异常复杂的屋面及其支撑墙的新型延性多面体空间刚框架结构
2.4.1 安装难度大
本工程钢结构屋盖被两道内墙分割成三个区域，跨度分别为40m、50m、137m，均属于大跨度钢结构。

众多不规则的杆件安装定位复杂，钢结构安装支撑系统的设计、钢结构安装工艺选择、安装精度的控制、合拢缝位置的确定、卸载施工挠度值的控制等难度大。

2.4.2 钢结构安装测量控制难度大
由于钢结构造型复杂，规律性差，传统钢结构安装中采用的先进技术（如滑移法、顶升法）在本工程中无法应用。

因此，安装方案采用的是“单杆+单球地面拼装高空散装法”，其细部放线工作量大，现场通视条件差，尤其是钢结构三维空间的精确定位测量工作是一个挑战，也是一个新的技术课题。

2.4.3 焊接标准要求高
本工程大量使用了国产特殊钢材Q420C级板材，焊接厚度从18mm～40mm不等，空间组拼焊接量大。

由于Q420C级钢材含碳量高，冷裂敏感性大，常温、负温焊接参数及焊前预热、层间温度控制、焊后保温等现行国家标准尚没有技术参数，需要工程实践中研究确定。

刚框架结构节点与杆件、杆件与杆件之间连接焊缝均为平、立、横、仰焊，圆钢管为全位置焊，质量等级均为一级焊缝，如何控制好焊缝及热影响区冷裂性产生，减少焊接变形是技术难点。

2.4.4 钢结构卸载难度大
钢结构安装过程中，脚手架和1474个千斤顶作为支撑受力体系，钢结构安装、焊接完毕后，要通过卸载工艺卸掉所有千斤顶，将屋盖钢结构的支撑系统拆除，使钢结构转换到自身受力状态。

本工程屋面面积为31448m2，一次卸载面积达17700 m2，最大卸载跨度137m，钢结构主要卸载支撑点设置了135个，杆件的内应力随时变化。

在选择卸载方法时，必须保证杆件内应力控制在设计允许范围内，同时应尽量保证每一个卸载点卸载动作基本同步。

如此多的支撑点在操作过程中统一协调、达到拟同步，这对整个结构卸载的工况分析与施工组织提出了很高的要求。

2.4.5 支撑系统设计复杂
墙体钢结构安装中，脚手架没有可靠拉接点，因此，脚手架必须达到自身稳定，同时还要承担钢结构安装中构件吊装、堆放荷载。

屋面钢结构安装中，下弦节点多达1474个，其中卸载点135个，卸载节点荷载值分为4t、9t、32t三种。

屋面脚手架高度高达40m，节点分布规律性极差。

脚手架工程体量巨大，如何经济合理地设计好脚手架对本工程至关重要。

3 案例分析
国家游泳中心工程是北京奥运会标志性建筑之一，在众多的奥运场馆中也是唯一一座由港澳台同胞和华侨华人捐资建设的奥运场馆，因其外观酷似一个充满了水泡的蓝色方盒子而被称为“水立方”。

其大胆而巧妙的设计在世界建筑史上还没有先例。

该工程混凝土结构设计年限100年，对混凝土耐久性指标和抗裂性能要求非常高。

目前，国内在公共建筑中如此设计尚属少见。

此外该工程空间钢架结构又是目前国内建筑中独一无二的建筑，科技含量高，体现了特、精、新、难四个方面的特点，其独特的造型在国内建筑钢结构方面树立了一个新的里程碑。

为了实现这种多面体空间刚框架结构，工程建设中钢结构安装只能采取在空中把一根根钢杆件当成气泡的边棱，逐个在空中按照设计
好的位置固定，再与钢球焊接，形成气泡形状。

结构复杂，规律性差，安装起来耗时耗工，可以说是“精雕细作”。

针对国家游泳中心工程的结构特点和施工技术难点，如何成功的解决好混凝土结构设计年限100年要求、大体积大跨度大截面预应力大梁施工、结构尺寸和精度要求很严的泳池施工以及钢结构安装技术等难题，实现设计要求是本项目研究的目的。

3.1 耐久性100年的混凝土
3.1.1 混凝土配合比
对混凝土原材料、配合比提出了比现行规范更加严格的规定，降低影响混凝土耐久性的有害物质的含量（见下表1）。

表1
序号环境类别最大水灰比 最小水泥用量 最大氯离子含量 最大碱含量
1 一类0.55 275kg/m30.06% 3kg/m3
2 二a类0.50 300kg/m30.03% 2.8kg/m3
3 二b类0.45 325kg/m30.03% 2.8kg/m3
注：表中加黑标注内容为提高项，原规范分别为0.06%，3kg/m3。

3.1.2 保护层厚度设置
表2 普通构件保护层一览表
一般构件梁 板、墙柱保护层厚度（mm）35 20 45
表3 防水混凝土构件保护层一览表
防水混凝土部位
或构件地下室底板
地下室外墙、外柱
水池底板、侧壁
墙柱
保护层厚度 （mm）上50 内20 内45 迎水面30 下50 外50 外50 背水面25
从以上表格中可以看出，100年耐久性混凝土设计，比一般建筑物保护层厚度大，另外还针对一些特殊情况略加说明：
①梁、板（墙、柱）存在多层纵筋交汇的情况，上表应为最外层纵筋保护层厚度，其他内层纵筋比此表相应增加；
②受力主筋保护层厚度应不小于主筋直径；
③当保护层厚度大于40mm时，采取增加抗裂钢筋的措施：墙体为 4@100双向钢丝网片，底板为 4@200双向钢丝网片；
④墙体结构中水平向钢筋尽量放置在竖向钢筋外侧，有利于防止裂缝的产生。

3.1.3 施工保障措施
（1）混凝土施工前，由搅拌站进行混凝土试配，按规定的设计要求控制水泥、粉煤灰、砂、石、外加剂、各掺加料的质量及数量，严格控制氯离子、碱含量、砂含泥量等有害物质的含量，并提前做好混凝土强度和抗渗试验，并记录各组混凝土的塌落度、和易性，以使混凝土各项性能指标符合要求。

（2）混凝土的胶凝材料采取普通硅酸盐水泥与粉煤灰结合的方式，其中粉煤灰的替代比例达到25%左右。

掺合料的增加，降低了水化热，改善了混凝土的和易性，增强了混凝土的密实度。

（3）适当添加外加剂，减少裂缝产生。

为减少混凝土早期裂缝的产生，在防水性能较高的泳池池壁结构上掺加了聚丙烯纤维（掺加量为0.9kg/m3）。

聚丙烯纤维掺入混凝土后，在其内部形成一种均匀的三维不定向拉结体系，增加了混凝土的抗折强度，抑制混凝土早期塑性裂缝的产生，起到有效的防裂抗渗作用。

（4）对于薄壁结构每段施工距离不超过30m。

（5）对于混凝土水平结构，由于混凝土的干缩产生的非结构性表面裂缝应在混凝土终凝前予以二次压光，将缝隙闭合。

（6）混凝土的浇水养护采取“及早养护”和“带模养护”的方式。

混凝土强度上升的早期，水泥的水化热所需水分最多，因此在混凝土终凝之后，可以上人即开始养护；竖向结构在模板拆除之前即在结构上表面和模板侧壁上浇水养护，及时补充水分。

3.2 预应力大梁大体积混凝土施工
3.2.1 大体积混凝土防裂控制
调动各相关单位，包括设计、施工、外加剂厂家、混凝土搅拌站、甚至水泥厂、砂子和石子的原产地等积极配合，从各个方面进行控制。

（1）设计构造措施
为降低混凝土已有结构约束，防止构造裂缝温度裂缝，设计单位采取了类简支梁的构造措施，在梁柱节点断开一部分混凝土连接。

如下图1：
15090015030023550235300600
50600
101179
A
A 预应力混凝土梁
8＠50钢筋网片
尺寸：800×1000
(三排)填塞沥青麻丝
1200混凝土柱
212
图1 预应力梁端部节点构造
结构设计采用二级裂缝控制，即无裂缝设计，通过裂缝控制计算确定预应力筋配筋量，可通过提前（拆模前）施加预应力的措施控制温度裂缝。

（2）混凝土配合比设计
①选用聚羧酸系减水剂
为了降低水泥用量，配合比设计采用了聚羧酸系高效减水剂。

常规减水剂以萘系居多，配制的混凝土坍落度损失影响比较明显，不易掌握，采取了聚羧酸系高性能混凝土减水剂，即使在低掺量时也能使混凝土具有高流动性，并且在低水灰比时也具有低粘度和坍落度保持性能。

本次减水率达27%，可有效调节混凝土凝结时间。

在同等水灰比下可有效提高混凝土强度，外加剂掺量为水泥重量的1.2%。

②用粉煤灰替代一部分水泥
采用Ⅰ级粉煤灰替代部分水泥，粉煤灰掺量25%，取代系数1.1，可有效提高混凝土和易性，减少水化热。

（3）混凝土初始温度控制
为了降低混凝土初始温度，分别对搅拌用水泥、水、砂、石等采取了降温措施。

①通过对水泥出厂后较长时间的放置降温，使水泥入搅拌机温度控制在45℃以下。

②通过在搅拌用水中加刨冰，降低水温。

③通过砂石料场加顶盖防日光直射，用地下抽取的冷水冲洗石料堆等措施，可保证砂石原材料温度控制在25℃以内。

（4）拌合物温度控制
通过对拌合物温度的计算，对实际浇筑混凝土的出机温度限定为26℃，控制入泵温
度在26℃～28℃，控制混凝土入模温度在30℃以下。

为了严格控制上述温度限定值，加强对驻站人员的管理，在搅拌前测量每盘原材料的温度，混凝土到达现场后进行测温，混凝土有个别入泵温度高于1℃～2℃时，也可用于大梁混凝土浇筑；对于入泵温度高于3℃以上时，在有施工条件的情况下可浇筑在同等混凝土强度等级的部位。

另外，为了防止运输中混凝土温度的损失，对部分运输车辆进行罐体防护，当拌合物的温度高于环境温度时，采用裸罐车辆运输；当拌合物的温度低于环境温度时，用带有保温被的车辆进行运输。

（5）混凝土浇筑控制
为了避开夏季中午高温阶段浇筑混凝土，宜在夜间低温阶段浇筑，根据混凝土一次浇筑工程量，配置了相应的混凝土供应设备和泵送浇筑设备。

为此，把八道混凝土大梁分成两次浇筑，每次浇筑四道，施工缝留置在次梁净跨中段的1/3范围内。

（6）混凝土养护控制
混凝土养护对控制早期塑性裂缝具有极其重要的作用，及时、长期的保湿养护可有效防止混凝土因水化阶段失水而产生干缩裂缝和塑性收缩裂缝，并保证混凝土内外温差不超过25℃。

对顶板上表面，已浇筑完的混凝土应及时覆盖塑料布洒水养护，待混凝土终凝后，采用蓄水养护的措施，蓄水50mm高，养护15天。

对混凝土侧面，采取带模养护的措施，混凝土初凝后对大梁侧模进行喷水养护，松开侧面对拉螺栓，但不拆除模板，利用原有模板起到保湿作用。

在炎热及干燥气候条件下浇水湿润养护21天。

3.2.2 梁下脚手架支撑体系
8根预应力大梁梁底距热身池底板约14m高，在施工中采用了满堂红扣件式脚手架进行支撑（见图2）。

图2 预应力大梁模板及支撑断面图
3.2.3 梁中钢筋与波纹管、对拉螺杆位置设计调整
（1）应用计算机，根据图纸和波纹管曲线走向对梁箍筋进行CAD放样；
（2）与设计协商，对梁中局部箍筋与波纹管位置冲突处进行箍筋间距调整；
（3）严格按照规范进行计算对拉螺杆的间距，根据计算结果进行对拉螺杆定位，并
在计算机制图中再现对拉螺杆的实际位置，避免现场施工时波纹管与对拉螺杆相碰。

图4 与设计协商后，梁箍筋与波纹管位置调整图
图5 对拉螺杆位置调整图
3.3 结构尺寸及精度、抗裂性能很高的泳池施工
除运用了上述保证耐久性100年的施工技术外，在设计上还采取了竞赛池底板与大底板脱开的方法，在两个底板之间设计了50mm的沥青砂滑动层（由40厚AC-5型沥青砂层+10厚水泥压力板垫层组成），起到隔振和便于竞赛池自由伸缩的作用。

本次采用的做法具有独创性，很好地解决了强度和滑动两个功能的需求。

此外因为热身池与跳水池直接座于大底板，为减少大底板不均匀沉降对泳池的影响，在每个泳池四周均设置了沉降后浇带；且因为竞赛池的重要性，竞赛池底板上设置了收缩后浇带，宽度均为800mm。

3.4 钢结构主要施工技术
3.4.1 钢结构安装技术
为保证施工进度，解决钢结构安装难度大的难题，同时达到经济节约的目的，从钢结构深化设计入手，采用计算机技术对钢结构构件类型进行深化设计；利用CAM制造模拟分析技术，优化构件下料和加工；广泛收集研究国内外钢结构安装技术方法及施工工艺，制定本工程特点的钢结构安装方案和安装工艺路线。

采用计算机技术对安装方案的实施进行工况模拟试验，对钢结构安装施工工序的合理性和施工临时支撑的经济性提供具体的计算依据；安装过程中实施实时监控，通过对有代表性的节点杆件应力的监测、数据采集、数据对比，及时掌握应力变化情况，指导施工，达到安装质量要求。

3.4.1.1 钢结构深化设计
（1）材料及构件类型的归并
针对主体钢结构节点空间规律性差，构件规格多样，节点种类繁多，某些规格板材用量很少。

为保证施工进度，同时达到经济节约的目的，对施工图纸进行深化设计，减少了材料采购的规格和球节点的模具数量。

（2）杆件与节点的归并
设计图纸给出了所有的杆件和节点规格与空间坐标，由于切割和边界封闭等原因，根据空间坐标计算出部分节点距离很近，杆件长度很短，对这些节点杆件进行合并。

在设计图纸的节点大样合并原则指导下，对图纸又进行了进一步的深化，找出所有需要合并的构件，确保构件正常加工制作。

（3）刚接节点深化
结构整体为全焊接结构，所有节点均设计为刚接节点。

杆件不仅承受轴力，还要承受相当大的弯矩，所以节点区域受力状况相当复杂。

为增加结构的延性，部分高应力杆件进行了外套管加强，极大的增加了现场焊接工作量。

因而与制作安装厂商紧密配合，在设计与施工之间搭建起沟通的桥梁，优化焊接形式与焊接顺序，提高工厂化生产制作的比例，加快了施工进度，保证施工质量，提高了安装效率。

（4）构件加工详图深化设计
总包与制作、安装各方进行紧密沟通，对钢结构设计图进行深化设计，将设计图转化为制造厂的构件加工图纸。

深化详图分为现场安装与构件加工详图两部分，作为加工安装的指导文件。

（5）钢结构CAM制造技术
本工程在钢结构加工制造中大量应用了钢结构CAM制造技术，解决了所有与球节点相贯杆件的加工，保证杆件与板材的优化下料，钢管相贯节点下料及杆件与节点的连接，实现了计算机辅助加工。

3.4.1.2 钢结构安装方案选择
本工程杆件和球节点的空间规律性差，在安装方案的选择中，总包方、制作方、安装方共同配合并及时协商沟通，认真研究安装方案，特殊的多面体空间结构决定了“水立方”钢结构需要在满堂红脚手架支撑体系基础上，采用高空散装的安装工艺。

我们对钢结构施工安装技术方法进行了多项优选工作，召开专家论证，通过不同技术方案对比，选择三种安装方法进行综合经济对比分析。

（见下表4）
表4 墙体、屋盖三种安装方案优缺点对比分析
方法 墙体 屋盖 优点 缺点
整体提升法 空中散
装
地面拼
装整体
提升
1、地面组装成型，操作
环境较好。

2、可以减少部分脚手架
支撑的投入。

1、需要投入临时刚性支撑作为提升点。

2、提升到位后，由于大跨度结构自挠，
与墙体节点对位困难，结构合拢处理复
杂。

3、在合拢带焊接完成前，提升点须始
终受力，或加入临时支撑点，在合拢带
焊接完成后，卸掉支撑点，结构会产生
二次变形，无法控制。

分段滑移 空中散
装
分段安
装下滑
移脚手
架
1、减少脚手架支撑的投
入量。

2、可提前插入二次结构
施工
1、由于屋盖下方是阶梯看台及其他附
属结构，脚手架滑移轨道铺设及架体牵
引措施复杂。

2、在每段施工完毕后，须对该段的结
构进行卸载后，滑出架体。

如此阶段安
装、阶段卸载对与屋盖整体的变形趋势
以及墙体变形无法控制。

3、分段卸载后，前一段结构卸载产生
的竖向位移，对下一段组装将产生很大
影响，整体精度难以控制。

散装 地面单
杆+单
球拼
装，高
空组装
地面单
杆+单
球拼装
高空组
装
1、空中组装，整体卸载，
对整体结构的施工精度
与变形趋势可控。

2、组装精度好，可以较
好的消除累计偏差。

1、高空组装须投入大量脚手架支撑。

2、二次结构插入时间晚。

通过方案优缺点的比较，结合本工程钢结构设计特点，最后选定了“单杆+单球地面拼装高空组装法”工艺。

3.4.2 钢结构节点杆件空间快速定位测量技术
由于本工程钢结构的内部点均为空间三维座标点,且测量定位点均为球体或半球体，各部位定位及测量难度非常大。

测量方案主要研究以计算机技术建立节点坐标数据库，将复杂的杆件节点三维空间坐标（X、Y、Z）分解为简单的二维平面坐标（X、Y）和高程（Z）定位，计算各放样点坐标存入全站仪内存。

因此，钢结构三维空间定位测量思路是：采用高精度测量仪器对球节点的三维空间
进行定位，按照节点球上标记安装杆件，保证杆件中心线过球中心。

经过试验探索并结合现场实施的可操作性，本工程钢结构测量采用“钢结构三维空间快速定位测量施工”的定位测量方法，满足钢结构杆件中心线穿过两端球中心的精度要求，现场操作简捷，对保证这一体量大、规律性差的特殊钢结构工程如期完成提供了良好的保障。

3.4.3 钢结构安装焊接技术
3.4.3.1 厚钢板焊接技术
本工程大于40mm厚的钢板总重约为440t，主要用于焊接球节点，最厚达到60mm。

钢材采用有Z向性能要求的钢板，为了符合国家标准《厚度方向性能钢板》GB／T5313的规定。

我们针对质量要求，采取以下技术保证措施：
⑴ 焊缝形式合理设计，以减小层状撕裂；
⑵焊接材料采用低氢型焊条；
⑶焊接工序选择合适的预热温度与焊后热控制，并严格控制焊接顺序。

3.4.3.2 Q420C级钢板焊接
⑴项目针对技术难点，组织焊评试验研究，对Q420C级钢板材在常温、负温的焊接、钢材预热方法、焊接层间温度控制、测温及杆件组对焊接工艺等进行试验。

探索专门的工艺参数，制定焊接工艺评定质量标准。

⑵根据工程构件实际使用钢材的碳当量、强度等级、接头拘束度大小及一般低氢焊接材料或焊接方法的实际扩散氢含量确定了最低预热温度，解决了杆件焊后消氢热处理和加热温度条件，防止焊缝及热影响区形成脆性金相组织和焊缝冷裂性问题；
3.4.3.3 焊接工艺流程
对现场组对构件焊接工艺流程进行试验，确定了杆件地面小面积拼装焊接和杆件空中组对焊接方法，在地面拼装采用专用胎架上进行转动焊接，空中管球组对采用全位置焊接等措施。

通过试验确定了钢材与焊材的匹配技术指标，摸索出一套较为成熟的焊接工艺，编制出相应的焊接施工工艺规程，解决了现场的焊接难题。

经超声波探伤检查，工程焊接质量一次合格率达到98.2%以上，达到了钢结构工程焊接质量要求。

3.4.4 钢结构卸载技术
项目结合工程结构的特点难点，为保证屋盖钢结构自重荷载挠度控制在设计允许范。