钢结构支撑胎架安装

正式吊装前进行试吊
中心点的支架顶部
国家体育场钢结构 工程简介
上海宝冶建设国家体育场项目部
1 工程概况
工程地点
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。西侧为距景观路200m的中轴线步 行绿化广场，东侧为龙型水系及湖边东路，距CATIC大酒 店300m，北侧为中一路，南侧紧邻北四环，城府路在地下 空间穿过用地。
本工程主结构约为22700吨，其中桁架柱约为10100吨， 主桁架约为12600吨；次结构约11300吨，楼梯与马道约5000 吨，柱脚约2900吨，本工程设计钢材用量总计约41900吨。
钢板的最大厚度为110mm； 当钢板厚度≤34mm时，采用Q345D钢材； 当36mm ≤钢板厚度≤100mm时，采用Q345GJD钢材； 当钢板厚度≥ 100mm时采用Q460E-Z35钢材。 Q460E-Z35钢材在国内建筑用钢中首次使用，共计约900吨。 应用在4个柱脚和6根桁架柱中。
节点复杂，安装精度控制难度大
本工程中的构件均为箱型断面杆件，无论是主结构之 间，还是主次结构之间，都存在多根杆件空间汇交现象。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。分段吊装时 存在多个管口对接的问题，对于箱型断面，要保证多个管口 的对口精度，难度巨大。
国家体育场钢结构安装方案的选定依据不同的设计条件 情况，主要经历了三个阶段：
第一阶段：方案设计阶段。依据2003 年11 月15 日提供 的方案设计技术条件，进行了三种安装方案（I—整体提升， II—局部提升+散装，III—散装）的编制与比选，初步选定了 内环14000 吨的局部提升+散装的总体方案，
钢结构支撑胎架法安装技术（第六讲）
日本的场馆胎架安装工程
南京海事学院的图书馆有一共享空间的玻璃壳顶， 采用何种方法进行安装辐射状钢梁和玻璃是一个难题
（经济性与安全性）
采用吊装横梁旋转法安装，中间搭设安装塔架
由三部分组成：旋转中心点支架、横梁、在楼面上 滚动的支架
在楼面上滚动的支架
在楼面上滚动的支架下的滚轮
2 工程难点
工程组织难度大
本工程规模巨大，工程组织体系相当复杂，从市政府到 业主、设计、监理、总包，从总包到土建施工单位、钢结构 分部，从钢结构分部到钢结构加工单位、钢结构安装单位及 膜结构施工单位，层次众多，且存在多边设计、多边详图转 化、多边加工、多边安装现象，项目管理极其复杂。
同时，钢结构安装与土建、钢结构现场拼装等存在多方 施工交叉作业现象。现场场地狭小，施工场地布置、构件运 输及大型吊机行走路线等受到很大限制。施工各方需合理协 调、统筹管理，工程组织难度大。
国家体育场工程是奥林匹克公园内的标志性建筑，也 是北京最大的、具有国际先进水平的多功能体育场，建成 后的国家体育场将成为奥林匹克运动留给首都北京的宝贵 遗产。
国 家 体 育 场 总 体 地 理 位 置
奥运村
国家森林公园
国家会议中心 体育馆 游泳馆
龙 形 水系 国家体育场
国家体育场具体地理位置
建筑规模
工期紧
本工程的工期以钢结构施工为主线，其施工的进度直接 影响体育场看台、基座、膜结构以及其它相关工程的施工， 工期压力相当大。对于本工程钢结构的安装，无论就工程量， 还是从施工难度来说，工期都相当紧张。加上冬季低温施工 的效率低下和北京春季风沙对吊装作业的影响，更加大了工 期压力。
合拢难度大
国家体育场屋盖钢结构属于特大型大跨度钢结构，双榀 主桁架贯通最大跨度258.365m。由于结构形成过程和使用过 程存在较大的温差，使用过程中，结构中会产生较大的温度变 形和温度应力。因此，根据北京地区的极限最低温度和极限最 高温度，设计上设置了合拢温度，即屋盖结构最终形成时的温 度，以减少温度变形和温度应力。根据设计要求，本工程中的 主桁架和立面次结构各设置了四条合拢线，其中，主桁架合拢 口96个，立面次结构的合拢口28个，合拢口数量众多。虽立 面次结构和主桁架可采取分步合拢方案，但一次合拢的对接口 数量仍高达48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。同时，根据目前的施工进度和北京历年 来的气温情况，要确保设计要求的合拢温度，难度甚大，必须 进行周密的部署和施工安排，合拢组织难度大。
顶面次结构安装难度大
根据设计要求，本工程的顶面次结构需在支撑塔架卸 载完毕后再进行安装。由于在支撑塔架的卸载过程中，屋 盖钢结构会产生一定的变形，从而导致顶面次结构的安装 边界条件发生了改变，但考虑到工期和设计难度，顶面次 结构仍是按照卸载前的边界条件（即原设计坐标）进行加 工和拼装的，这两者之间存在一定程度的尺寸偏差，所以 顶面次结构的安装对口和精度控制难度增大。
国 家 体 育 钢 结 构 顶 面 布 置 图
在钢结构上弦格构之间作排水天沟和ETFE膜结构，在 看台后部，钢结构下弦下面作PTFE声学吊顶。ETFE膜材为 乙烯－四氟乙烯共混物，无色薄膜，透明、磨砂，或印刷 金属银色圆点，透光率：93～95％。PTFE膜材为聚四氟乙 烯纤维织物，经漂白后为乳白色，透光率：30％。内环立 面PTFE膜为防水膜，其余为PTFE膜具有吸声功能，吸声率： >0.75。
国家体育场钢屋盖主要由48榀主桁架围绕屋盖中间的开 口放射型布置而成，主桁架与顶面及立面的次结构一起形成 了“鸟巢”的特殊建筑造型，大跨度空间钢屋盖支撑在周边 的24根桁架柱之上，并将荷载传至基础。体育场看台部分采 用钢筋混凝土框架－剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全 脱开。
国 家 体 育 钢 结 构 主 结 构 轴 侧 图
3 钢结构安装 总体方案
钢结构安装方案的演变过程
针对本钢结构工程规模大（4.2 万吨设计用钢量）、结 构形式复杂（马鞍形、双曲杆件）、节点复杂、测量测控及 安装技术的挑战性、工期紧迫以及与其它分项工程交叉作业 复杂等特点，本工程钢结构施工以实现建设“国内最好、世 界一流”的体育场，全面贯彻落实“绿色奥运、科技奥运、 人文奥运”的理念为指导思想，坚持科学管理、科技创新， 秉承“建立完善的技术创新机制，高效运用现代信息技术， 充分利用国内外各方面技术、资源优势”原则进行组织部署， 以确保圆满完成工程安全、质量、功能、工期和造价等方面 的建设目标，保证2008 年奥运会成功举办。
除C19柱外，所有桁架柱的菱形内柱 下端（标高＋1.5m处）采用了Gs20Mn5V 铸钢件。铸钢件高2020mm，壁厚最厚为 130mm，单件最重为18.09吨，共计276吨。
工程组织
建设单位：国家体育场有限责任公司 设计单位：瑞士赫尔佐格和德梅隆设计事务所（H＆ DeM）、奥雅纳工程顾问公司（ARUP）及中国建筑设计研 究院设计联合体 监理单位：中咨工程建设监理公司 质量监督单位：北京市建设工程质量监督总站 施工总承包单位：北京城建集团有限责任公司 A区承包单位：中信建设国华公司 钢结构加工单位：江苏沪宁钢机、浙江精工、江南重工 钢结构安装单位：上海宝冶建设、北京城建精工 根据国家体育场施工任务的分工情况，国家体育场钢结 构工程共分为Ⅰ、Ⅱ两大施工区域，I区施工范围为C21立 柱—C8立柱区域，II区施工范围为C9立柱—C20立柱区域，I 区由我司负责安装， 钢结构设计总量约21000吨。
国家体育场规模巨大，奥运会期间，可容纳观众91000 人，其中临时坐席11000个(赛后拆除），主要承担奥运会开 幕式、闭幕式和田径比赛；奥运会后，国家体育场可容纳观 众80000人，可承担特殊重大比赛、各类常规赛事以及非竞 赛项目。
国家体育场占地面积20.42公顷，总建筑面积（含看台面 积的一半以及立面楼梯）257989平方米，屋面投影面积 59814平方米，绿地面积79300平方米，地下一层，地上七层， 附属商业区建筑面积15902平方米。地上高度68.5米，地下 高度7.1米，基底面积69548平方米。
另外，本工程规模大，难度高，主结构按照不同的分区 进行安装，时间跨度长，每个分区的初始安装温度与最后主 结构合拢时的温度存在较大差异，同时合拢段的安装温度与 合拢温度也存在一定程度的差异，温度作用对主结构的安装 和合拢有很大影响。为此，必须依据设计给定的合拢口位置， 考虑各种因素引起的温度变化，计算合拢口的杆件温度变形 值和应力，以确定合拢口的预留间隙和合拢口的搭接工艺， 确保结构安装过程中的安全和合拢的顺利进行。
可开启屋盖 瘦身前的国家体育场全貌
瘦身前的国家体育场全貌
瘦身前的国家体育场剖面图
瘦身后的国家体育场全貌
瘦身后的国家体育场全貌
瘦身后的国家体育场剖面图
屋盖洞口尺寸确定原则
国家体育场剖面
钢结构概况
国家体育场建筑顶面呈马鞍型，长轴为332.3m，短轴 为297.3m，屋盖中间开洞长度为185.3m，宽度为127.5m。 钢结构最高点高度为68.5m，最低高度为40.1m。屋面东西 方向最高点标高69.084m，最低点标高58.111m；南北方向 最高点标高50.429m，最低点标高40.138m。
同时，对于大跨度空间结构，构件长度受温度变化的 影响较大，安装精度极难控制。
主桁架节 点构造
桁 架 柱 节 点 构 造
冬季施工与焊接难度大
本工程工地连接均为焊接，根据总体散装方案，吊装分 段数量众多，现场焊缝长度长，加之厚板焊接、高强钢焊接、 铸钢件焊接等居多，造成现场焊接工作量相当大，难度高， 高空焊接仰焊多。同时，主结构安装与厚板焊接正值冬季施 工，焊前预热、焊后保温、高空防风、防滑、防寒措施必不 可少，施工难度大。
构件体型大来自百度文库重量重，吊装难度大
本工程中，桁架柱最大断面达25m×20m，高度为67m， 单榀最重达700吨。主桁架高度12m，双榀贯通最大跨度 258.365m，构件体型庞大，单体重量重。为降低构件的拼 装难度，桁架柱采用卧拼法，主桁架将采用平拼法（内圈主 桁架立拼除外），所以，构件的起吊直立、吊装就位及高空 稳定难度极大。而立面次结构虽重量相对较小，但形状怪异， 且倾斜向外，操作平台与稳定措施很难设置。
国 家 体 育 场 钢 结 构 施 工 分 区
工期和质量目标
开工日期为2005年4月30日，钢结构安装开工日期为 2005年9月15日，竣工日期为2006年11月30日。
工程总体质量目标： 结构工程：北京市建筑结构“长城杯”金奖； 单位工程：北京市建筑工程“长城杯”金奖
中国建筑工程“鲁班奖”（国家优质工程）
卸载难度大
本工程钢结构受力体系为中央大开口的钭交桁架双层 网壳，表现出很强的空间非几何线性作用。根据总体施工 方案，结构安装阶段，整个屋盖设置了80个支撑塔架，作 为主桁架安装时的临时支撑，主结构安装完毕后，再进行 卸载和拆除。在进行支撑塔架的卸载过程中，结构体系逐 步转换，结构本身和支撑塔架的受力均产生变化，卸载的 先后顺序、卸载等级及工艺都会对其产生影响，需进行详 细的工况分析。对于如此复杂的结构体系，工况分析及同 步卸载控制难度大。
国家体育场钢屋盖全貌
屋盖均为箱型构件，其中，主桁架断面高度为12m，上弦 杆截面为1200mm×1200mm～1000mm×1000mm，下弦杆 截面为1000mm×1200mm～800mm×800mm，腹杆截面基 本为600mm×600mm，主桁架沿洞口斜角交叉布置。桁架柱 为三角形格构柱，每根格构柱由两根1200mm×1200mm箱型 外柱和一根1200mm×1200mm菱形内柱组成，腹杆截面为 1000mm×1200mm。桁架柱上端大、下端小，上端与主桁架 相连，下端埋入钢筋混凝土承台内，并将屋盖荷载传至基础。
工程投入大、成本高
本工程安全、质量及管理要求很高，施工时，需投入大 量的人力、物力。大型吊机（800t履带吊、600t履带吊、 300t履带吊等）台班费用高，支撑塔架及其它临时措施工作 量大，安装支撑塔架总量达5500吨，工程成本高。
质量要求高，控制难度大
本工程无论是外观质量，如外形尺寸、焊缝外观，还是 内在质量，如焊缝质量等级、焊接残余应力消除等，都要求 相当高。为此，还专门制订了《国家体育场钢结构施工质量 验收标准》。对于如此复杂的结构，如此困难的条件和环境， 控制难度很大。