杭州奥体中心亚运三馆体育游泳馆施工关键技术

　　#头条创作挑战赛#1 工程施工背景1.1 工程概况
　　杭州奥体中心亚运三馆体育游泳馆由1.8万座的体育馆、6500座的游泳馆以及配套设施三大部分组成，将作为杭州2023年第19届亚运会的比赛主场馆。
　　工程位于杭州奥体中心北侧，西南面临七甲河、东南临地铁奥体站地块(6号线)，东北至博奥路，西北临观澜路，东西长约600m，南北宽约360m，建筑最大标高45.000m，钢屋盖最大跨度 164m。总用地面积227900㎡，总建筑面积396950㎡，其中地上建筑面积197553㎡，地下建筑面积199397㎡(图1)。
　　图1 体育游泳馆整体效果
　　体育游泳馆主体结构分为钢筋混凝土框架结构和钢结构屋盖两大部分。其中钢结构屋盖支座位置下部为劲性混凝土柱(图2)，上部屋盖为斜交斜放双曲网壳结构。网壳结构屋盖根据下部功能划分为游泳馆、体育馆、中央大厅三大部分(图3)。
　　图2 钢屋盖支座布置
　　图3 体育游泳馆网壳结构屋盖钢结构分区
　　其中体育馆和游泳馆屋盖为斜交斜放变厚度双曲鼓节点双层网壳结构，中央大厅为斜交斜放异形自由曲面单层网壳结构，体育馆和游泳馆的东西两侧各设有一个单层悬挑网壳结构，项目总用钢量约为2.5万t。
　　其中游泳馆和体育馆屋盖又可分为双层网壳、单层网壳、分界桁架、门拱桁架等，中部连接区域屋盖可分为单层网壳和 2个斗形体结构 ，分别见图4～图7 。
　　图4 游泳馆屋盖桁架分布
　　图5 门拱桁架
　　图6 分界桁架
　　图7 中央大厅钢结构分布
　　整个屋盖南北均落于8m平台的成品支座上，体育馆和游泳馆的东西两侧屋盖支座落于钢骨悬臂柱的L形钢梁的成品支座上(图8)；中央大厅南北落于8m平台的成品支座上，中部设有两个漏斗形的支撑柱(图9)。
　　图8 双层网壳支座
　　图9 中央大厅斗形柱及支座1.2 工程施工重、难点分析1.2.1 施工环境复杂
　　钢结构屋盖在土建主体结构基本完成后方可介入施工。由于场外是8m的土建室外平台，因此大型施工机械进入到场馆内部区域或上部结构楼板时其空间和楼板承载等受限。且8m平台作为钢结构的主要拼装平台，施工期间还需保证各专业材料、构配件、临时措施等的输送、倒运的运输需求，施工环境十分复杂。1.2.2 构件多、节点复杂，深化设计和加工难度大
　　体育游泳馆网壳结构以弯扭构件为主，其中双层网格区域底部为变截面箱型弯扭构件，其他构件为等截面箱型弯扭构件。网壳节点主要为鼓形节 点，节点尺寸大、构造较为复杂、节点区域钢板厚度厚、焊接变形大，深化设计和加工难度大。1.2.3 体量大，位形控制难
　　钢结构屋盖为斜交斜放的变厚度网壳结构，游泳馆和体育馆长向跨度均为164m，短向跨度分别为129.6m和141.4m，网壳结构厚度随标高按照 0. 9次方变化。结构整体尺寸大，跨度大，且为曲面网壳。由于曲面网壳结构在拼装、安装阶段结构变形大，结构体系复杂，使得卸载难度增加，屋盖位形不易控制，结构位形控制要求高。1.2.4 高空作业多，焊接质量要求高
　　网壳结构节点均为鼓形全焊接节点，现场每个节点均为全熔透一级焊缝； 吊装重量和高空焊接工作量大，且焊接要求较高，较多构件钢板较厚，高空焊接变形大，容易造成应力集中，如何采取措施保证吊装质量、控制应力和应变、减小焊接变形是钢结构安装的控制重点。2 钢结构施工关键技术研究2.1 施工总体方法
　　本项目面积大、施工周期短、钢结构屋盖造型复杂，钢屋盖施工时混凝土主体结构均已基本封闭，钢结构与土建需确保无缝穿插衔接施工，以及各专业在有限的工作面内需高效地施工。在充分分析结构设计意图、结构的受力特点和与土建施工方针对施工方案反复讨论研究的前提下，确定＂过程穿插、限时限地和楼面设置大型行走式塔吊分块吊装，结合局部液压整体提升＂的施工方案来完成钢结构屋盖的施工。
　　其中在体育馆和游泳馆南北两侧的8m平台上各布置臂长均为80m的1台ZSC1400和1台ZSC1600型行走式塔吊，中央大厅的北侧布置1台ZSC1200C固定塔吊。同时将体育馆中央和游泳 馆游泳池、跳水池区域正上方的网壳结构作为局 部液压整体提升区(图10)，其他区域采用塔吊进 行分块吊装，分块单元及吊装区与提升区之间的 后补杆件采用以汽车吊为主、塔吊为辅的吊装方 式进行同步补杆。此施工方法的优点是可实现多个作业面 、多个工序同步开展 ，大大缩短建设 周期。
　　图10 行走式塔吊及提升区平面2.2 安装总体思路
　　钢结构体量大，根据钢屋盖区域名称划分游泳馆区、中央大厅区以及体育馆区三大分区，结合现场条件及结构特点将整个屋盖部分划分为施工一区～五区，共计5大施工分区(图11)。其中施工一区和施工二区屋盖根据施工方法的不同分为提升区与分块吊装区两部分。
　　图11 屋盖钢结构施工分区示意
　　屋盖钢结构总体施工顺序为： 施工一区、施工二区同时开工，并兼顾施工三区(全部弯扭构件)的安装，施工四区和施工五区在施工一、二区施工完成后进行。
　　体育馆屋盖至西向东依次南北对称吊装，游泳馆屋盖至西向东依次南北对称吊装，提升区域的网壳结构在体育馆和游泳馆馆内比赛中心场内提前进行提升区域的地面拼装。
　　待分块吊装区域屋盖钢结构吊装就位后，对提升区域屋盖结构进行整体提升，提升就位后进行连接区域的补杆。
　　在完成体育馆和游泳馆网壳的吊装区与提升区的补杆合龙之后，拆除吊装区下部的支撑架，最后通过分级、分步卸载提升架来实现整个体育馆和游泳馆的网壳结构的卸载。
　　在安装体育馆和游泳馆的双层网壳时，采用汽车吊同时安装中央大厅的斗形柱吊装，中央大厅单层网壳结构采用＂下部搭设满堂操作架+ 汽车吊高空散件安装＂方案进行施工安装，实现整个钢结构的安装。2.3 双层网壳结构安装技术
　　双层网壳结构采用＂大型行走式塔吊分块吊 装+局部液压整体提升＂的施工方法。
　　分块单元在两馆的南北两侧8m平台的拼装场地上设置拼装胎架，按吊装顺序全面铺开拼装； 根据方案确定分块单元大小，根据预先确定的分块吊装单元(图12)，每块吊装单元(图13)下方均设置四个组合式支撑架，在看台位置处设置转换平台(图14)。
　　图12 游泳馆吊装分块划分
　　图13 支撑架看台转换平台设置
　　图14 分块单元吊装
　　局部整体提升区位于游泳馆和体育馆的比赛内场，其中游泳馆比赛内场有游泳池和跳水池，通过支撑架将两池内的拼装面与正负零面找平，提升区网壳从一端向另一端依次进行地面拼装(图15)。根据预先确定的施工方案和相关计算，将两馆比赛内场的基础大底板作为提升支架的基础，后期利用行走式塔吊安装提升支架和提升器等。
　　图15 中间区提升
　　各工序均可同时进行，分块吊装单元可实现大面积拼装，分块单元的拼装、吊装及提升区网壳单元的拼装均可同步进行，互不影响。
　　南北底部弯扭构件的变截面段采用25t汽车吊原位散件安装，下部设置临时定位支撑钢管，上部一网格的弯扭构件采用地面组拼，再由80t汽车吊吊装就位。2.4 中央大厅单层网壳结构安装技术
　　中央大厅屋盖单层网壳整体安装顺序为： 先完成斗形柱的安装，再以斗形柱南北向为中轴线，使南北向连接斗形柱的网壳贯通，并与落地支座相连，再以南北贯通的网壳为起始单元，依次同时向东西两端高空散装，并最后与体育游泳馆的分界桁架及南北落地支座相连。
　　为便于斗形柱深化设计及现场安装，将相互交织的构件的一个方向定为主杆，另一个方向为次杆，主杆长度约为两个网格，次杆与主杆相贯焊接 (图16)。采用25t汽车吊原位散装法安装，安装时需确定一个主杆，以主杆先开始分段安装，主杆与主杆之间的次杆依次安装。按斗形柱的圆周从下到上依次进行。
　　图16 斗形柱安装
　　定位主杆坐标为斗形柱安装的关键，若定位稍有偏差，将会导致构件对接错边及累积误差，影响结构质量和外观。主杆在测量定位时，采用6点控制法，即每根主杆的上下口各在模型中提取3个坐标值(图17)。根据提取的坐标值，采用全站仪对每根主杆进行测量定位，确保构件的加工和施工误差在安装过程中及时予以消化，保证斗形柱的整体质量和美观。
　　图17 斗形柱安装定位控制坐标点示意
　　屋盖网壳安装时，除在下方按需搭设满堂操作架外，还需在悬挑主杆的下方设置临时支撑架，作为屋盖悬挑安装时的临时支撑(图18)。依次以南北贯通的起始单元 ，逐步对屋盖网壳进行安装( 图19)。最后与两馆的分界桁架连接。
　　图18 主杆下方临时支撑架
　　图19 单层网壳安装2.5 分界桁架和门拱桁架安装技术
　　分界桁架及门拱桁架的弦杆均为双曲构件，根据现场施工分段，杆件在工厂弯曲加工完成后，散件发至现场，其中分界桁架在地面分段拼装完成后，采用160t汽车吊分段吊装。门拱桁架下部设置临时支撑架，采用80t汽车吊原位散件安装。
　　分界桁架下弦管为Φ1000×35，上弦管为Φ800×30，分段最大质量为30t。根据深化设计模型，提取分段模型，并在AutoCAD中将模型转化至地面拼装状态，提取拼装时构件坐标值，采用全站仪楼面上放样画点，并设置拼装胎架对分段桁架进行拼装焊接(图20)。
　　图20 分界桁架楼面拼装
　　因分界桁架自身高度约达6m，且为平面双曲桁架，为确保安装过程中桁架自身的平面外稳定，采用门式支撑架，对其上弦杆进行支撑稳固( 图21、图22)。
　　图21 分界桁架分段和支撑架设置
　　图22 分界桁架平面外稳定示意2.6 合龙卸载技术
　　本项目结构合龙分为两个阶段，第一阶段为两馆馆内双层网壳吊装区和提升区的合龙； 第二阶段为中央大厅与两馆东西两侧分界桁架的合龙。
　　其中体育馆和游泳馆在完成分块吊装区和提升区网壳单元的安装后，采用行走式塔吊对吊装 区和提升区之间的网格杆件进行补装作为合龙过程。
　　根据施工仿真分析，选取变形最小的地方作 为最终合龙点，其中游泳馆设在东南角和西北角，体育馆设在西南角和东北角，中央大厅设在与东 西两侧分界桁架的最高点(图23～图25)。
　　图23 游泳馆最终合龙位置分析mm
　　图24 体育馆最终合龙位置分析mm
　　图25 中央大厅最终合龙位置分析
　　补杆区南北杆件对称补杆安装后，再对东西杆件安装，最后选择在温度达(15±7.5)℃时安装最终合龙的杆件，且最终合龙杆件采用同时对称安装。
　　体育游泳馆与中央大厅为整体屋盖，但根据全过程施工仿真对比分析，体育游泳馆和中央大厅独立卸载对结构受力及变形影响极小。因此考虑整体工期及便于下道工序尽早开始等因素，本项目体育馆、游泳馆及中央大厅屋盖均独立卸载。
　　对体育馆和游泳馆内部吊装区支撑架及提升区提升支架卸载的先后顺序，同样进行了施工仿真对比分析。若先对提升区支架进行卸载，卸载后的力将直接传递给支撑在看台上的支撑架，且竖向荷载相比原先的成倍增加，对支撑架的承载力及看台结构的承载力极其不利。结合分析结果，确定先对吊装区支撑架按分区分级卸载，最后按分步分级对提升支架进行卸载。经卸载后监测发现： 实际应变值与施工仿真卸载分析模拟的应变值接近。2.7 测量控制技术
　　本项目屋盖为斜交斜放变厚度鼓节点及单层异形双曲网壳结构，为全焊接连接形式，测量控制技术主要应用在网壳分块单元楼面拼装、分块单元吊装、提升区域的整体提升监测，单层网壳杆件高空散装定位测量等。本项目为空间网壳体系，测量技术是控制施工质量的关键点。
　　整个屋盖共计约2万根构件，每根构件均具有唯一性；分块吊装单元共计162块，每块单元均不相同，每次拼装均需重新设置胎架；弯扭构件每根杆件均需测量定位。项目高峰期共计投入12位测量人员。
　　根据深化设计模型，提取每一分块吊装单元模型，将三维坐标值转换成楼面拼装形态的坐标控制值，分块单元内的每个鼓节点均需进行测量放样(图26)，并对不同分块单元的拼装胎架重新放样。
　　图26 分块吊装单元楼面拼装测量
　　分块吊装单元在吊装至安装位置时，预先将下部临时支撑架的位置和顶标高初次定位后，根据深化设计模型安装定位坐标，采用全站仪对安装控制坐标进行测量、校正后，再将分块单元搁置在支撑架上连接固定(图27)。
　　图27 分块单元吊装测量
　　项目在网壳的拼装、安装、提升过程标高控制、卸载，以及单层网壳、斗形柱的安装等部位均应用了精确的测量控制技术。2.8 钢结构数字化预拼装和管理平台
　　项目近5000t的箱体弯扭构件，通过3D3S软件在空间上确定每块箱体板件的定位控制坐标，从而形成空间弯扭曲线坐标系，在加工制作过程中需要制定＂工厂定位控制坐标、板件加工控制坐标、现场安装控制点坐标＂，并将实测数据与模拟数据进 行对比、调整(图28～图30)。
　　图28 箱体弯扭板单元构件深化
　　图29 箱体弯扭梁单元构件深化
　　图30 箱体弯扭构件坐标控制点深化
　　同时通过Tekla软件建立深化模型，对每根构件单独编号，利用SEBIM信息管理平台，从深化设计、材料采购到加工制作及现场安装进行二维码信息管理。并将深化模型与项目其他专业模型进行叠合，检查碰撞数字化管理。3 结束语
　　本项目在施工准备阶段通过对大跨度单双层网壳结构体系的分析研究，包括箱体弯扭构件、异形截面弯扭梁、新型＂鼓＂节点等深化设计及加工制作关键技术的研究及应用，为施工现场的顺利实施奠定了坚实的基础。
　　同时在施工阶段，采用＂大型行走式塔吊分块吊装+ 局部液压整体提升＂的综合施工方法，并应用有限元分析软件对结构全过程的施工进行仿真分析，实现了大型行走式塔吊设备楼面上作业行走、新型鼓节点双曲(异曲)网壳结构及斗形柱的拼装机安装、大面积整体网壳屋盖液压整体提升及分区独立卸载等技术的应用。采用理论和实践相结合、过程严格把控的科学施工方法，解决了本项目工期紧、钢结构体量及安装难度大、各专业交叉施工多等难题。
　　通过前期反复的对比分析及验算，过程严格按方案执行，最终成功验证上述关键技术的应用在项目的进度、质量、安全管理及绿色施工方面的成效，同时大大降低了施工成本，也为其他类似大型体育场馆大面积整体网壳结构屋盖等的施工提供重要参考。
　　体育游泳馆实景图
　　体育馆内内景效果图
　　屋盖钢结构整体提升
　　屋面安装示意图
　　本文转自《钢结构》——杭州奥体中心亚运三馆体育游泳馆施工关键技术，作者周观根谢董恩等；仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！