杭州奥体中心主体育场工程关键施工技术

 李小玥，徐双全，陈正立，卢敬科

 （中天建设集团有限公司，浙江  杭州  310008）

[摘要]针对杭州奥体中心主体育场工程多项施工重点及难点，介绍了工程采用的BIM施工技术、百年耐久性混凝土施工技术、铸钢内埋式节点施工技术、塔式起重机标准节支承高空支模钢平台体系、大跨异形钢结构施工技术以及异形空间复杂屋面板施工技术等。多项先进施工技术综合运用，工程保质保量按期完工，取得显著的社会效益和经济效益。

[关键词]安装；钢结构；体育场；混凝土；铸钢节点；施工技术

[中图分类号]TU745.2[文章编号]1002-8498(2016)09-0041-05

1工程概况

 杭州奥体中心主体育场工程位于杭州市钱塘江与七甲河交汇处南侧，建筑平面投影呈椭圆形（见图1），由3层碗状看台和环形钢结构罩棚组成，罩棚为空间管桁架+弦支单层网壳钢结构体系。屋面为7.8万m2铝镁锰金属屋面板+聚碳酸酯阳光板。主体育场长轴（南北向）333m，短轴（东西向）280m，占地面积82 904m2，地下1层，地上6层，总建筑面积212 310m2，建筑物高59. 4m，其中混凝土结构高42. 26m。本工程属于特级特大型体育建筑，工程设计使用年限为100年。

2  工程特点与难点

2.1  超高弧形劲性梁施工难度大

 本工程顶部看台环梁截面尺寸大，形状变化多，标高较高且向外悬挑，环梁投影全部落在下层楼板以外，一层顶板上，垂直距离最大为40m左右，其模板支撑体系的设计与施工难度很大。

2.2工程测量定位要求高

 结构构件的形状复杂，存在大斜梁、环形梁、V形梁和柱、阶梯形板，立面及空间曲线、曲面相互联系，同一空间受几个参数（如圆心、半径、高程）限制，对工程施工放样、测量定位、轴线标高控制、模板支架设计、钢筋绑扎定位、钢结构起重吊装等施工带来难度。另外，土建布置测量控制网的同时，还需充分考虑后续钢结构、幕墙等测量的方便，保证互相之间测量系统的统一。

2.3  混凝土结构耐久性要求高

 混凝土结构的耐久性设计使用年限为100年，如何保证混凝土结构的百年耐久性是现场工程实践中必须面临的难题。

2.4  顶部环梁铸钢节点施工难度大

 主体育场上层看台顶部环梁与上部钢罩棚相连，共有79个支座节点，支座为异形铸钢件，铸钢件埋入钢筋混凝土环梁中，每个节点由7个构件交汇组成，如图2所示，分别为2根变截面环梁(截面尺寸1500mm×(2 320-1200)mm，内包钢骨H600×400×30×25)，2根斜梁（截面尺寸800mm×1000mm，内包钢骨H700×250×20×30），2根斜柱(截面尺寸800mm x1 200mm，内包钢骨H700×250×20×30)以及1根短柱与上部钢结构连接。铸钢内埋式节点的施工难度大，面临钢筋穿插、锚固及与铸钢件碰撞的问题；节点区钢筋密集，空间狭小，节点区形状不规则。

2.5钢结构工程

 本工程钢结构桁架弦杆为不同曲率半径拟合而成的空间曲线，大直径厚壁弯钢管的加工难度较大，且各构件的结构形式各异，整个罩棚杆件规格达21种，共有21 308件，其深化设计与加工制作工作量非常大；钢结构杆件采用对接或相贯焊连接，现场焊接工作量大，且主桁架为空间结构，现场拼装的进度和质量对钢结构的吊装有较大影响；最后，本工程钢结构为大悬臂空间结构，悬挑长度达52. 5m,经三维模拟计算，自重作用下，结构的最大变形值为159mm，其支撑架的设置与卸载顺序的选择与控制是本工程的施工控制难点。

2.6异形屋面板工程

 外屋面体系划分为直立锁边铝镁锰屋面板系统和聚碳酸酯阳光板系统，两个体系之间交界面的防水控制是质量控制的难点。另外，花瓣造型的空间管桁架，金属屋面与弦支单层网壳钢结构体系的有效连接也是一个难点。

3施工中主要创新技术

3.1  BIM施工技术

3.1.1  在建筑设计中的应用

 利用三维设计软件将设计师构思的草图进行参数化，设计荷花花瓣的外形，并对不同花瓣数量的模型进行对比，确定了最终方案，整个建筑设计过程实现了快速、直观、精准的高度同步（见图3）。

3.1.2在技术管理中的应用

 利用三维模型的可视化以及简单的三维标注，进行三维交底，由2D平面交底转化为4D可视化交底，效果更加清晰、直观、方便，较大程度上减少因理解不当造成的返工现象。

3.1.3  在施工方案模拟及优化中的应用

 本工程顶层看台弧形环梁铸钢节点的钢筋布设采用局部结构构造BIM技术，结合实体试验模型，形成了具有可操作性的实施方案（见图4）。在钢结构吊装施工中，采用相关的软件配合BIM模型，输出了直观的施工方案模拟动画，形成了切实可行的施工方案并顺利指导施工（见图5）。

3.2  百年耐久性混凝土施工技术

3.2.1  高耐久性混凝土原材料控制

 1)降低混凝土原材料的自身收缩和提高混凝土的抗裂性能是混凝土配制的重点。本工程为提高混凝土耐久性，从以下几方面进行控制：①选用优质的原材料；②降低水泥用量，采用“双掺”技术，降低水胶比，降低砂率；③剪力墙结构掺用聚丙烯纤维，提高抗裂性；④采取适当缓凝措施，配制出具有良好体积稳定性，有利于裂缝控制的混凝土。

 2)混凝土原材料技术控制指标：采用P. 042.5水泥，比表面积≤400m2/kg，碱含量<0.6%；天然砂，中级细度模数，含泥量<2.0%；石子采用颗粒级配为5  N 31. 5mm连续级配碎石，紧密孔隙率<40%，含泥量<1.0%；缓凝型外加剂，聚羧酸，减水率> 20%，且与胶凝材料之间具有良好的相容性；采用自来水，不使用回收水。

 3)控制水胶比≤0. 40，砂率38%~42%。地下超长剪力墙结构取消矿渣粉用量，用粉煤灰替代，同时，适当掺加聚丙烯纤维以提高混凝土早期抗裂性能。

3.2.2  百年耐久性混凝土结构施工控制技术

 1)混凝土保护层厚度控制  控制混凝土保护层厚度是耐久性混凝土的基本要求。本工程混凝土保护层在普通混凝土的基础上加大了40%，厚度> 45mm时，加ɸ4@ 200×200的钢筋网防止开裂。本工程采用特制的混凝土垫块进行控制，垫块的尺寸与形状需满足保护层厚度和定位的允许误差要求，且强度高于构件本体混凝土。

 2)混凝土低温人模控制  百年耐久性混凝土低温入模要求：夏季< 30℃，冬季≥8℃。本工程在场地附近设置了混凝土搅拌站，缩短了运输距离；夏季，混凝土配制采用低温水或冰水。

 3)超长剪力墙增设十字钢板诱导控制裂缝产生并根据裂缝分布规律，在剪力墙跨中或柱边200mm处增加十字钢板，诱导并控制裂缝产生部位，检验十字钢板的作用（见图6）。

 采用十字钢板将长度38. 97m的墙板分为4段，每段8. 23~11. 95m，各墙段中部没有出现裂缝，裂缝出现在十字钢板设置的位置，钢板内外墙面皆发现相应的裂缝，这表明十字钢板的设置起到了诱导裂缝的作用，它缩短了墙体的长度，释放了混凝土的收缩应力，减少了裂缝的数量。另外，十字钢板可以起到止水作用，避免墙板的漏水。

 4)混凝土浇筑工艺优化  混凝土浇筑的重点是控制混凝土的拌合物均匀性和密实性。采用合理分层连续浇筑，振动棒快插慢拔，布棒排列均匀，振动间距控制在400mm左右，适当延长振捣时间，以不再出现气泡，表面不显著沉降和泛出灰浆为准。并于20~ 30min后，进行复振。混凝土浇筑后，要及时排出泌水，待混凝土收水后，采用木抹子搓平2次，并及时覆盖薄膜进行养护。

 5)不同结构部位的养护方法  本工程基础底板为大体积混凝土，在冬季施工时，覆盖1层塑料薄膜和2层纤维毯进行保湿保温养护。剪力墙、柱养护与拆模要求结合进行，适当延长剪力墙、柱的拆模时间，待混凝土达到一定强度后，松开对拉螺杆，进行浇水养护。剪力墙模板拆除后，外挂纤维毯，墙顶布设钻孔PVC管，不间断喷淋养护。柱模板拆除后，立即包裹2层塑料薄膜，并在柱顶设置滴灌器进行点滴养护。楼板与梁覆盖薄膜与纤维毯后浇

水养护。

3.2.3混凝土耐久性检测与评估

 经检测，混凝土材料的强度均满足要求，所检测区域内的钢筋保护层厚度符合设计和规范偏差要求，混凝土碱含量在3. 0kg/m3以下，通过RCM法和电通量法检测混凝土抗渗，所取样品氯离子扩散系数均小于3.0×10-2 cm/s，电通量满足设计<1200C的要求。虽少量构件存在收缩裂缝，经处理后对耐久性影响不大。经预测，体育场混凝土结构使用寿命超过100年。

3.3  铸钢内埋式节点施工技术

3.3.1  足尺模型试验与节点区深化设计

 在现场制作足尺模型试验，对实际施工难度进行分析模拟。采用木模板制作龙骨，铁皮卷合而成的方法制作铸钢节点，进行1：1足尺模型试验。针对模型试验中反映的问题，利用计算机进行三维模拟，对空间位置、铸钢件形状、钢筋排布及箍筋形式等进行优化调整。

 铸钢件与钢筋的连接形式主要有：套筒连接、连接板焊接。对内埋式铸钢节点来说，采用套筒连接工厂预先加工的形式，可以减少铸钢件节点突起部分太多阻碍钢筋穿过的情况，但对施工时钢筋准确定位要求较高，不易实现；采用连接板连接的形式，适合连接从不同角度延伸至节点区的钢筋，但连接板的设置应避免阻碍到其他主筋穿过。另外，在铸钢件表面设置突沿，剪力件、连接板在突沿处焊接，减轻焊接引起的不利影响。

3.3.2模板放线控制技术

 对于复杂的梁柱节点，由于斜梁柱较多，梁或柱向两个方向倾斜，用传统的放样方法工作量大且精度不高，这时需要在计算机上建立三维模型，再利用三维模型进行现场放样，具体的方法有2种：①利用三维模型在水平面上的投影，在铸钢节点下方已完工的楼层面上，测量铸钢节点的投影线，利用线锤向上引测，控制模板支设；②当铸钢节点距下层楼面过高时，无法利用平面投影向上投测，可先根据已连成整体的型钢初步支设模板，然后在模板上按一定标高统一抄出水平线，利用三维模型切面，得到劲性柱外包混凝土4个角点坐标，再利用全站仪对劲性柱进行复核。

3.3.3节点区混凝土浇筑

 内埋式铸钢节点外裹钢筋密集排布，铸钢件表面剪力件、连接板数量多，都会阻碍混凝土顺利通过导致离析。普通混凝土即使能够顺利灌人，也会因缺少振捣而导致密实度问题。另外，考虑到内埋式铸钢节点属于大体积混凝土，需要加强控制水化热。为减少水化热，控制节点区裂缝，在保证混凝土良好的黏聚性和均匀性的基础上，选用粗骨料粒径≤20mm，控制混凝土人泵坍落度(240 +20) mm、扩展度600~ 700mm，配置了高流态小石子混凝土，既能满足较高流动性的要求，又能较顺利通过钢筋排布密集区域，减少混凝土离析。

3.4塔式起重机标准节支承高空支模钢平台体系

 主体育场顶层看台劲性混凝土环梁支撑模架搭设高度约36m，其模板支撑体系的设计和施工难度很大，传统的模板支撑体系在该工程顶环梁的施工中适用性不强，不能满足施工需求。

 塔式起重机标准节支承高空支模钢平台体系是格构式转换平台支模体系的一种，主要由立柱基础、塔式起重机标准节、钢平台、主龙骨、次龙骨及主次龙骨上部钢管支撑模架组成。整个支模体系传力路径如下：悬挑结构→钢管支撑模架→平台次龙骨→平台主龙骨→钢平台→塔式起重机标准节→立柱基础。当立柱基础落于楼层结构时，可采用钢管支撑模架、格构柱顶撑等加固方式将上部荷载往下传递至地下室底板或自然地坪；当立柱基础落于自然地坪时，可对自然地坪土方进行压实、硬化，使其承载力满足要求。

3.5大跨度复杂空间钢结构施工技术

3. 5.1  钢结构现场拼装

 钢结构的拼接主要有3种：铸钢节点拼装、弦杆对接拼接以及腹杆拼装。由于各杆件的外形尺寸都不相同，需要根据不同的体型特征，设置不同形状的堆放支垫和拼装支座。

 现场拼装前按照地面放好的杆件中心线投影线设置拼装胎架，然后采用汽车式起重机将构件吊至胎架上，并利用千斤顶等工具调整节点位置，固定后进行焊接，焊接完成后，割掉对接口的临时连接耳板并按要求打磨。

3.5.2钢结构吊装

 钢结构的吊装方法为：大型履带式起重机分段吊装、高空对接。主要分成3个部分：铸钢支座安装、花瓣分单元吊装、花瓣间散件杆件连接。钢结构的吊装顺序为先铸钢支座，后从下至上分段吊装桁架单元。当支座吊装到位后，用仪器量测支座安装位置，微调使之到设计坐标位置，保证支座中心线与上、下部结构安装线重合，上、下部结构与支座的连接板应平整。连接板与预埋板应平行，四角和中心相对误差<0.1%，且应<1.5mm。

 1)铸钢支座分布情况  体育场钢结构按照标高区别设计有上、中、下3种形式的铸钢支座。罩棚结构的自重及上部荷载先由主花瓣骨架桁架承受，荷载通过骨架一部分传递给四叉柱支撑，四叉柱通过上支座再传递到看台结构；一部分荷载直接通过下支座传递到7. 800m标高混凝土结构，中支座主要控制花瓣桁架平面外的变形（见图8）。

支座的安装精度直接影响到整体结构的安装质量，支座通过连接耳板与劲性结构连接后，经过全站仪测量校正后才能实施焊接。

 2)钢桁架分段安装  由于铸钢节点的肢管多，高空对接难度较大，本工程考虑将铸钢节点带进弦杆单元一起吊装。桁架分段主要分为柱脚段、立面桁架段、肩部桁架段和悬挑桁架段，其中，肩部桁架段有组合单元和单榀2种形式，悬挑桁架段有单榀和组合2种形式。主桁架拆分为8个单元进行吊装，如图9所示。

 各桁架单元在地面上拼装完成后进行吊装，立面段分3段吊装，最大质量约78t;肩部段单独吊装，最大质量约50t;悬挑段采用2榀组合或单榀独立吊装，最大质量为75t;铸钢支座、环桁架等独立吊装。施工前，应对各单元吊点的位置和数量、绑扎方式和吊绳长度以及吊装中的应力和变形进行仿真模拟，控制吊装变形，确保吊装单元各接口准确对接。

3.5.3支撑架设置

 为方便节点和构件就位，钢结构主体结构的吊装需要设置临时支撑胎架。根据本工程钢结构受力特点，采用钢管格构柱支撑架，在主桁架悬挑段底部设置56个临时支撑点，北部开口处设置12个临时支撑点。格构柱每个标准节尺寸为2. 5m×2. 5m×1.5m，最大设计高度44m。支撑架设置时，需要对胎架底部进行点对点加固，将胎架支承在钢平台上，钢平台立柱支承在看台混凝土柱顶，最终通过混凝土柱将荷载传递至基础。当桁架吊装至支撑胎架上时，采用千斤顶对桁架进行调整，根据设计验算对桁架进行预起拱处理，然后抽出千斤顶，将桁架支承在两侧刚性支撑短柱上。

3.5.4钢结构卸载

 本工程采用6大区块等比同步分级卸载方法，共分5级，每次卸载量约为总变形量的20%。为确保结构体系的安全，卸载每进行完一步应稍作停顿，进行检查。

3.6异形空间复杂屋面板施工技术

 铝镁锰直立锁边屋面板和阳光板系统相结合，既能承担结构基本的防水、保温和支撑功能，又因其表面光鲜亮丽，造型美观，有着装饰屋面作用。

3. 6.1  金属屋面板系统设计构造

 本工程金属屋面材料为1. 2mm厚直立锁边铝镁锰合金板，设计宽度（立边距）约400mm，相邻板块通过T形码咬合连接，金属屋面系统构造如图10所示。

  3.6.2屋面分区

 为适应屋面空间造型及外观设计需求，金属屋面板将根据结构主檩条的布置划分施工区域，并根据各施工区域的空间特点和设计要求进行板线划分。本工程按照标高递增的顺序，在主结构上标记主檩条的记号，以相邻的两条主檩条划分为屋面工作区。整个工作区域大致分为3个部分，立面较平缓部位均为直板，立面弯曲扭曲部位为XT板与直板（收腰板）按1：2均匀布板，屋面部分为扇板与直板按1：1均匀布板，如图11所示。在调整好基准线后（主檩条之间中心线），采用先均分后拉直线的方法进行排布，各区域板线间距约405mm。

  3.6.3  聚碳酸酯阳光板系统

 阳光板系统组件由聚碳酸酯中空板、T形紧固件、紧固螺钉、PC连接件、PC连接堵头和铝制密封条等组成。阳光板厚20mm，漫射白，具有匀光效果。

3.6.4屋面双排水系统

 整个工程屋面排水系统导水、排水与防水相结合。沿金属屋面挑出端设置600mm×400mm钢制内环雨水沟，雨水沟下设匹配雨水斗，ɸ250mm雨水横管（沿罩棚下部钢架排水），ɸ200mm雨水立管（沿罩棚下部钢架排水），雨水顺着管道经2层平台排入覆土内管沟。

4结语

 针对杭州奥体中心主体育场工程多项施工重点及难点，介绍工程采用的BIM施工技术、百年耐久性混凝土施工技术、铸钢内埋式节点施工技术、塔式起重机标准节支承高空支模钢平台体系、大跨度异形钢结构施工技术以及异形空间复杂屋面板施工技术等。多项先进施工技术综合运用，工程保质保量按期完工，取得显著社会效益和经济效益。