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发布时间:2020-02-17 13:05:37 阅读: 来源:外墙岩棉板厂家

建筑空间结构求变——奥运场馆钢结构工程概览

建筑的空间结构的变化并不是偶然的。随着时代的发展,客观上需要越来越多的大规模建筑,为了满足这种需要,大跨度、多功能、形状复杂、技术要求高的现代空间结构的建筑技术应运而生,而这种新的空间构成方式的主要语言是“钢结构”。在北京奥运会申办成功后,中国开始了大规模的奥运场馆建设,正是这次大规模的建设为这些新技术在中国搭设了表演的舞台。 说起奥运场馆的钢结构,不能不提到“鸟巢”。它的结构可以用一个“怪”来形容,它已经完全摆脱了以往建筑棱角分明的结构样式,以一种全新的姿态出现在我们面前。在它身旁的“水立方”也是一个“怪胎”,但它似乎走了与“鸟巢”完全相反的路,不但棱角分明,而且干脆弄成了一个几何形状的样子。它们两个可以说是奥运工程的典型代表,在建筑样式方面纯粹地表达了建筑求新、求变、求异的倾向,而在更深的屋次上,也在表达着中华民族追求创新的历史和时代主题。

精彩的空间结构

很多人把国家体育场称作是仿生式的网格结构,因为它的外形很像一个鸟儿筑好的巢。它的主体钢结构由24榀格构式钢架组成,它们绕着中央椭圆孔相互交叉布置,形成复杂而规律的空间网格体系。在此基础上,加上以随机方式布置的次构件,最终形成了“杂乱无章”却显得十分自然,宛如金属树枝编织而成的巨大鸟巢。单纯从结构角度看,将格构式钢架用于如此大的跨度并不十分理想,其梁柱连接部位及跨中部位受力均较大,这会导致结构用钢量过大,也使结构永久荷载所占比例过高。因此在2004年曾对设计方案进行过一次调整,即取消了原有的可开启屋盖,并相应扩大了屋顶开口;这样调整仍然保持了“鸟巢”的设计理念,但用钢量减少了22.3%,相应也提高了结构的安全性。“鸟巢”现在建成了,它那具有震撼力的独特建筑造型在国内外引起了巨大反响。这种建筑与结构浑然一体,貌似无序的自由编织而成的结构体系不仅为国家体育场提供了新颖的建筑造型,也为大跨空间结构家族增添了一个富于个性的新成员。 国家游泳中心的钢结构设计方案是以经过适当改良的W-P模型为基础,以多面体的棱为实体构件,形成由空心多面体单元构成的空间网格体系,再以适当的角度进行平面切割,形成平板状的网格结构,以之作为“水立方”的屋顶和墙体的承重结构。这种结构体系新颖、独特,其不规则的复杂形体其实是由相对简单的元素经多次重复形成的,这也是空间结构形态学的杰出创新。 张弦结构是近年来在空间结构方面的重要创新形式。但此前的工程中各种形式的空间张弦结构应用还比较少;此次奥运场馆建设则在这方面取得了重大突破。 国家体育馆屋盖呈波浪形,南北长144m,东西宽114m,采用双向正交张弦结构,是目前世界上跨度最大的双向张弦结构。北京工业大学体育馆(奥运会羽毛球馆)采用净跨度为93m的弦支联方型球面网壳,是目前世界上跨度最大的弦支网壳结构。北京大学体育馆(奥运会乒乓球馆)的矩形屋盖采用由中央球面网壳与两条螺旋形屋脊构成的复杂曲面造型,平面投影93.2m×72m,净跨度为80m×64m,它采用了一种较为特殊的弦支网壳结构——由一系列按辐射方向布置的张弦桁架再加上环向竖直支撑和屋面水平支撑组成,或可称之为矩形平面弦支肋环型网壳结构。

大型空间钢结构施工技术理论化

空间钢结构的变化多样,充分体现了设计师的设计理念,但对施工企业来说却是巨大的考验。在奥运工程建设中,参建单位集思广益、自主创新,对不同结构形式采用了不同的安装工艺,在这个过程中,施工企业和一些专家学者总结了大量的大型空间钢结构的施工技术。 高空散装法,是指小拼单元或散件直接在设计位置进行总拼的方法。高空散装法有全支架(即满堂脚手架)法和悬挑法两种。全支架法多用于散件拼装,而悬挑法则多用于小拼单元在高空总拼或者球面网壳三角形网格的拼装。国家体育场钢结构工程正是采用了高空散装法进行安装。 分条或分块安装法,是指将结构分成条状或块状单元,分别由起重机吊装至高空设计位置就位,然后再拼装成整体的安装方法。北京奥林匹克篮球馆钢结构工程、国家体育馆钢结构工程都是采用这种方法安装的。 整体吊装法,网架或桁架整体吊装法,是指网架或桁架在地面总拼后,采用单根或多根拔杆,一台或多台起重机进行吊装就位的施工方法。就地与柱错位总拼方案,网架或桁架起升后对方(矩)形平面结构在空中需要平移,对圆形结构在空中需要旋转一个角度再下降就位,此方案适合拔杆吊装。场外总拼方案采用于履带式、塔式起重机吊装。这种施工方法在奥运工程钢结构施工中应用的典型代表是老山自行车馆的施工。 整体提升法,是指将网架在地面就位拼成整体,用起重设备(一般为液压千斤顶和钢绞线)垂直地将网架整体提升至设计标高并固定的方法。国家会议中心工程是采用这种方法进行安装的。

除了施工方法的系统化、理论化之外,国内钢结构工程施工企业由于亲历了大型空间钢结构的施工,在钢结构施工中的细节问题方面积累了大量的可参考数据和经验,这些对于钢结构施工企业今后的发展,对于中国钢结构施工整体水平的提升都将产生深远的影响。

施工技术和施工能力大幅度提升

大型空间钢结构的施工任务最终落到了施工企的肩膀上,在施工过程中,国内的钢结构施工企业都表现出了极强的综合施工能力,多年以来在施工领域的摸爬滚打中积累的施工能力和科技创新能力在奥运工程的建设中大放异彩。不少国内的钢结构施工企业在奥运建设中承担了多项工程的施工任务,比如浙江精工钢结构股份有限公司承担了国家体育场、天津奥体中心体育场、北京首都国际机场T3航站楼等多个项目。浙江东南网架股份有限公司承担了国家游泳中心、北京射击馆、沈阳奥体中心体育馆屋面系统程等项目。江苏沪宁钢机股份有限公司承担了国家体育场、天津奥体中心体育场等项目。此外,中建一局钢结构工程有限公司、北京城建精工钢结构工程有限公司、中铁建工集团钢结构公司、北京住总钢结构工程有限责任公司在奥运工程中也有颇多斩获。

奥运工程的施工使这些施工企业面临严峻考验,他们凭借在以往施工中积累的技术和施工经验,化解奥运工程施工中遇到的难题。同时,这些施工企业普遍采取了科研单位与企业合作的方式,用科研单位的力量帮助解决施工中的难题。浙江精工钢结构股份有限公司在国家体育场和首都机场T3航站楼施工中就曾多次邀请专家到现场商讨工程施工技术难题的解决方案。经过这样的过程,参施工企业的施工能力和理论水平都获得前所未有的提高,大量的施工技术理论成果在这些企业中产生了。

在奥运场馆的建设中,中国开创了在许多国家这还没有有过的先例。奥运工程的洗礼也使国内很多一线的钢结构施工企业掌握了先进的钢结构施工技术,有了进行大跨度、高难度钢结构施工的能力,这是国内的钢结构企业参与奥运工程的收获之一。但这种收获还是极为表面的,在更深的层次上,国内的钢结构企业获得的是品牌影响力和自信。奥运场馆建设中的完美表现,用事实让所有的人相信,中国企业可以做工程,而且可以把工程做得很好。

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