中國國家大劇院結(jié)構(gòu)施工工序（共47頁）

1、 高科技的“蛋” 中國國家大劇院中國國家大劇院 中國國家大劇院位于北京市中心天安門廣場西，人民大會堂西側(cè)，西長安街以南，由國家大劇院主體建筑及南北兩側(cè)的水下長廊、地下停車場、人工湖、綠地組成，總占地面積11.89萬平方米，總建筑面積約16.5萬平方米，其中主體建筑10.5萬中國國家大劇院標志平方米，地下附屬設(shè)施6萬平方米，總投資額26.88億人民幣（大劇院最新公布的造價數(shù)字是31億元人民幣）。設(shè)計師簡介保羅安德魯（Paul Andreu），1938年出生于法國波爾多市附近的岡戴昂，畢業(yè)于法國高等工科學(xué)校（1961年）、法國道橋?qū)W院（1963）和巴黎美術(shù)學(xué)院（1968年）。1967年，他設(shè)計了圓

2、形的巴黎戴高樂機場候機樓。從此，作為巴黎機場公司的首席建筑師，他設(shè)計了尼斯、雅加達、開羅、上海等國際機場，日本關(guān)西國際機場的基本概念也出自安德魯之手。他參與過許多大型項目的建設(shè)，像巴黎德方斯地區(qū)的大拱門、英法跨海隧道的法方終點站等。1999年，安德魯領(lǐng)導(dǎo)的巴黎機場公司與清華大學(xué)合作，經(jīng)過兩輪競賽三次修改，在中國國家大劇院國際競賽中36個設(shè)計單位的69個方案中奪標。1999年7月，獲選為最終的建設(shè)方案。安德魯曾說“我想打破中國的傳統(tǒng)，當你要去劇院，你就是想進入一塊夢想之地”。安德魯這樣形容他的作品巨大的半球仿佛一顆生命的種子。“中國國家大劇院要表達的，就是內(nèi)在的活力，是在外部寧靜籠罩下的內(nèi)部生機

3、。一個簡單的雞蛋殼，里面孕育著生命。這就是我的設(shè)計靈魂：外殼、生命和開放?！?擔任設(shè)計的是法國機場設(shè)計師安德魯，他從來沒有設(shè)計歌劇院的經(jīng)驗，而他主持設(shè)計的法國戴高樂機場候機廳在2004年5月23日發(fā)生屋頂坍塌事故，造成6人死亡，多人受傷。法國巴黎檢控官辦公室5月29日表示，負責(zé)設(shè)計戴高樂機場新翼客運大樓的總建筑師安德魯涉嫌在贏得中國北京國家大劇院投標過程中舞弊，法國當局2003年7月開始進行初步調(diào)查。 殼體結(jié)構(gòu) shell structure 由曲面形板與邊緣構(gòu)件(梁,拱 或桁架)組成的空間結(jié)構(gòu). 或桁架)組成的空間結(jié)構(gòu). 殼體用于建筑結(jié)構(gòu)雖為較早,但工程結(jié)對殼進行研究反洗核試驗則是在19世界

4、才開 殼進行研究反洗核試驗則是在19世界才開 始的.在20世紀初葉,殼體結(jié)構(gòu)的發(fā)展一 始的.在20世紀初葉,殼體結(jié)構(gòu)的發(fā)展一 直是緩慢的.主要因為計算復(fù)雜.第二次 世界大戰(zhàn)期間和戰(zhàn)后才發(fā)展起來 殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是具有很好的空間傳力性能,能以較小的構(gòu)件厚度形成 承載能力高,剛度大的承重結(jié)構(gòu), 能覆蓋或圍護大跨度的空間而不需 能覆蓋或圍護大跨度的空間而不需 中間支柱,能兼承重結(jié)構(gòu)和圍護結(jié) 構(gòu)的雙重作用,從而節(jié)約結(jié)構(gòu)材料. 室內(nèi)空間寬敞,能滿足各功能要求殼體結(jié)構(gòu) 世界之最世界最大穹頂 國家大劇院整個殼體鋼結(jié)構(gòu)重達6475噸，東西向長軸跨度212.2米，是目前世界上最大的頂。 世界最深建筑 國家大劇院地下

5、最深處為-32.5米，相當于往地下挖了10層樓的深度，成為北京最深的建筑。 亞洲最大管風(fēng)琴 音樂廳內(nèi)的管風(fēng)琴共有6500根發(fā)音管，是亞洲最大的管風(fēng)琴，造價達3000萬元。 。國家大劇院的殼體結(jié)構(gòu)施工介紹施工區(qū)域劃分施工總體布置以殼體為中心，分三塊區(qū)域進行施工平面安排，三塊區(qū)域分布布置為：吊裝區(qū)：位于殼體所在區(qū)域（即202 區(qū)）；構(gòu)件拼裝區(qū)：分第一、第二、第三拼裝區(qū)，分別位于吊裝區(qū)南北兩側(cè)；施工主信道：位于吊裝區(qū)和拼裝區(qū)東西兩側(cè)。由于殼體吊裝時，202 區(qū)地下結(jié)構(gòu)和地面建筑結(jié)構(gòu)雖然已經(jīng)施工完畢，但殼體四周的消防信道尚未施工，以及201 區(qū)部分地下結(jié)構(gòu)也未施工。因此，以上各個區(qū)域在吊裝階段處于不同

6、的標高位置，其中：吊裝區(qū) 位于-6.750 標高位置；構(gòu)件第一拼裝區(qū) 位于-9.000 標高位置；構(gòu)件第二拼裝區(qū) 位于0.000 標高位置和位于-7.000 標高位置；大型機械和構(gòu)件進出場信道 位于0.000 標高位置。各施工區(qū)域劃分及標高位置見圖3。整個殼體鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件平面分布情況見圖4；考慮到設(shè)計要求及結(jié)構(gòu)體形特點，吊裝作業(yè)劃分為五個區(qū)域，安排多臺起重機分別進行綜合吊裝。五個作業(yè)區(qū)域的具體劃分如下：CC2800（600t）履帶式起重機（一臺）：先采用超起（SFSL）性能，接60m 主臂84m 副臂，后掛300t 超起配重，停在殼體北面，定點中心位置在土建坐標（0.000，+86.000），

7、跨外綜合吊裝，完成第一作業(yè)區(qū)域施工；然后向北退8m，采用SW 性能，安裝M440D 塔吊二臺。再恢復(fù)使用SFSL 性能，在原位進行梁架吊裝。最后在殼體安裝完成后拆除M440D 塔式起重機。（見圖5）各吊機吊裝范圍施工時剖面圖 國家大劇院鋼殼體結(jié)構(gòu)呈半橢球形,其長軸(東西向) 長212120m ,短軸(南北向) 長143164m ,建筑總高度為461285m。鋼殼體結(jié)構(gòu)由頂環(huán)梁、梁架(分長軸梁架與短軸梁架) 、斜撐和環(huán)向連系桿件組成。其中頂環(huán)梁呈橢圓形,長軸長約60m ,短軸長約38m ,由環(huán)形鋼管、箱形梁以及H 型鋼等構(gòu)件組成。長軸梁架由H 型鋼拼焊而成,短軸梁架用60mm 厚鋼板拼焊而成。梁

8、架呈中心對稱輻射狀布置。斜撐與連桿采用140195 的鋼管制作。連桿沿水平環(huán)向布置,上下、里外共82 道,并采用鑄鋼連接件或套筒連接件與梁架連接。鋼殼體平面如圖1 所示,梁架編號由正北開始,往西依次為W01W74 ,往東依次為E01E74 ,在正南匯合。國家大劇院的鋼殼體為超大型空間結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)體量大,整個結(jié)構(gòu)待殼體完全形成后,方為穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。因而,在施工階段保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全至關(guān)重要。 國家大劇院 大劇院的殼體鋼結(jié)構(gòu)總重6750噸，網(wǎng) 殼面積3.5萬平方米，沒有一根立柱支 撐，全靠148榀弧型鋼梁承重。雖然這 一殼體的高、重、大為中華第一，但 它同時也是大跨度空間結(jié)構(gòu)中單位用 鋼量最少的

9、，每平方米不到200公斤， 僅為盧浮宮鋼結(jié)構(gòu)每平方米用鋼的三 分之一。如此“輕便”的穹頂大大減 少了承重鋼梁的壓力，建筑物的安全 系數(shù)將會很高。另外，考慮到風(fēng)、雪、 地震等自然因素，殼體鋼結(jié)構(gòu)還體現(xiàn) 了柔性設(shè)計理念。鋼梁接觸地面的一 端允許相應(yīng)滑動，整個結(jié)構(gòu)的最大變 形度大約為20厘米。 戴高樂機場和國家大劇院雖然同為拱 型結(jié)構(gòu)，受力原理卻是大相徑庭，戴 高樂機場是鋼筋混凝材質(zhì)的筒殼結(jié)構(gòu)。 而國家大劇院則是空間雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)， 這一結(jié)構(gòu)更完整，更純粹。整個鋼殼體共有148 榀梁架,由于在安裝程中,殼體未形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系,因此必須采取一系列措施,來保證過程中的結(jié)構(gòu)安全,其中包括設(shè)置必要的支撐與支

10、架,以及采用合理的安裝順序等。鋼殼體的施工包括吊裝階段和卸載階段兩個部分。鋼殼體梁架的吊裝順序如表1 所示。臨時支撐的拆除方案須通過分析予以確定。根據(jù)施工方案,將吊裝階段按表1 相應(yīng)劃分為20 個施工工況 整個殼體鋼結(jié)構(gòu)東西長212.20m，南北長143.64m，高約46m，中間無一柱子。鋼結(jié)構(gòu)總重約6750t，殼體表面積約3.5萬m2。每平米重約193kg。 短軸可見區(qū)域的梁架截面僅為60mm鋼板制作的板梁，不可見區(qū)域為上下翼緣不等寬的焊接H型鋼截面（100mm,160mm）整體線性屈曲特征值僅3.5左右，按照國內(nèi)規(guī)范，是通不過的。換句話說，按照國內(nèi)規(guī)范，用鋼量將遠超6750t。原設(shè)計用鋼量

11、將達8萬噸。長軸梁架分段短軸梁架分段頂環(huán)梁分段安裝示意圖梁架(短軸)分段安裝示意圖梁架(長軸)分段安裝示意圖下段梁架吊裝步驟下段梁架吊裝步驟梁架安裝順序示意圖 上海建筑工程總公司機械施工公司進行了長達兩年的技術(shù)準備，先后攻克了殼體施工過程中整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、曲面結(jié)構(gòu)高精度測量、百米超遠距離吊裝等一系列難題，形成了一整套與國家大劇院結(jié)構(gòu)特點相吻合的“中國式”的科學(xué)施工方案。施工順序： 鋼架分為頂部和底部，先做頂部，然后底部分成三段吊裝 全部都是腳手架，腳手架是那種球交的（可能在廣州較早的63層的時候曾經(jīng)用過） 節(jié)點全部都是焊接，就是焊接兩個半球，中間混凝土早就做好了國家大劇院殼體鋼結(jié)構(gòu)安裝之第一件頂

12、環(huán)梁區(qū)域鋼箱梁構(gòu)件尺寸：長約38m，重約35t。吊裝機械：DEMAGCC2800600t履帶吊，吊裝高度約45m。 由頂部到底部施工順序給施工的過程帶了相應(yīng)的難度，對鋼構(gòu)件的結(jié)合精度帶了更高的要求。鋼架位置矯正結(jié)構(gòu)特殊要求帶來的是精度上苛刻，工人對每一個安裝好的梁架進行測量，保證其偏差的值在允許的范圍內(nèi)，對有偏差的進行矯正，以保證工程的順利進行。南面合攏儀式伴隨著南面合攏儀式的舉行標志著國家大劇院的主體殼體鋼骨架結(jié)構(gòu)的完成北面合攏 殼體鋼架完成好的國家大劇院內(nèi)部鋼梁交錯帶來的特殊光影效果產(chǎn)生的視覺沖擊力給人留下了深刻的影響。 殼體表皮安裝 在鋼結(jié)構(gòu)之上，作為屋面的殼體最外層由鋪設(shè)在KAL-ZI

13、P鋁合金龍骨系統(tǒng)上的2萬多塊鈦金屬板和1200多塊大小不等的有色玻璃幕墻組成。鈦金屬板的厚度只有 0.44 毫米，既輕且薄，如同一張薄薄的紙，因此，下面必須有一個由復(fù)合材料制成的襯板；每一塊襯板也將切割成與其上的鈦金屬板同樣大小的尺寸，工作量非常大。由于殼體的橢圓造型，每一塊鈦板都變成一個雙曲面，面積、尺寸、曲率都不同，因此，安裝角度總在變化，施工難度也就相當大。由于鋼材與玻璃的膨脹系數(shù)差異很大，鋼材與玻璃的結(jié)合問題最初也被視為技術(shù)難點。一方面玻璃要安裝得非常精確；另一方面，裝上玻璃的鋼結(jié)構(gòu)往往會在一段時間內(nèi)產(chǎn)生變形，鋼結(jié)構(gòu)一鬧別扭，原來裝得嚴絲合縫的玻璃，也會變得參差不齊。這個問題是所有幕墻

14、施工時都會遇到的，施工中鋼結(jié)構(gòu)變形的實際情況是:總的脹縮量較大，但經(jīng)過平均，分擔在每一部分上的脹縮量就很小了。比如穹頂上環(huán)梁計算脹縮量為8厘米，但是平均到環(huán)梁周長上的每個點，鋼材脹縮量僅為零點零幾毫米，并不影響大局。鈦金屬板細部鈦金屬板的厚度只有 0.44 毫米，既輕且薄，如同一張薄薄的紙鈦金屬板與鋼梁的交接處構(gòu)造由于支撐鈦金屬板的鋼結(jié)構(gòu)中有5000多個結(jié)點要穿過屋頂防水層，所以，如何確保這5000多結(jié)點個個都“滴水不漏”，對施工質(zhì)量也提出了很高的要求。 工人開始安裝國家大劇院外的鈦金屬板，工程也隨之進入到了殼體外表皮的安裝，鈦金屬的使用使得建筑遠遠看去宛如落在北京城內(nèi)的一顆大珍珠，光彩奪目！屋面透明區(qū)域連接節(jié)點預(yù)制的特殊構(gòu)件國家大劇院殼體玻璃部分連接兩個鋼梁的連桿其特殊的構(gòu)造方式 由于鋼材與玻璃的膨脹系數(shù)差異很大，鋼材與玻璃的結(jié)合問題最初也被視為技術(shù)難點。通過工程師的和工人的合作最總也等到了解決。 建筑建造的過程中對于成品的保護至關(guān)重要，成品的質(zhì)量直接影響到建筑的外觀，進而影響到建筑的藝術(shù)表現(xiàn)，在完成所有的裝配過程以后，工人們開始一