體育館屋頂網(wǎng)架改建施工方案比選

體育館屋頂網(wǎng)架改建施工方案比選摘要：作為上海地標(biāo)性體育建筑，上海體育館將全面改造成符合“國(guó)際賽事之都”要求的市級(jí)公共體育文化中心。體育館改造主要難點(diǎn)又集中在保留下部結(jié)構(gòu)前提下的屋面網(wǎng)架系統(tǒng)改造一一網(wǎng)架使用逾40年，跨度大，高度高，對(duì)保留結(jié)構(gòu)保護(hù)要求嚴(yán)，社會(huì)影響大。本工程對(duì)于大型體育場(chǎng)館屋面網(wǎng)架改造方案的推進(jìn)過程，對(duì)于改造方案的綜合比對(duì)及實(shí)施方案的比選，可為以后類似工程提供了借鑒案例。1項(xiàng)目背景上海在競(jìng)技體育方面以打造“國(guó)際賽事之都”為發(fā)展目標(biāo)。東亞體育中心作為上海標(biāo)志性體育設(shè)施，在設(shè)施能級(jí)、環(huán)境品質(zhì)、賽事類型與組織等方面都存在一定差距。為促進(jìn)上海體育事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，將東亞體育中心改造為徐家匯體育公園，推進(jìn)地區(qū)功能升級(jí)和環(huán)境改善。2016年5月，市領(lǐng)導(dǎo)調(diào)研徐家匯體育公園時(shí)提出“要面向未來，站在更高的起點(diǎn)，讓它重新煥發(fā)城市的功能，重新成為面向未來的新地標(biāo)，既能夠舉辦重要頂級(jí)國(guó)際賽事，又可以日常服務(wù)于廣大市民的健身娛樂體育，成為體育公園”?！渡虾Ｊ腥嗣裾P(guān)于加快發(fā)展體育產(chǎn)業(yè)促進(jìn)體育消費(fèi)的實(shí)施意見》也明確提出上海將努力打造世界一流的國(guó)際體育賽事之都、國(guó)內(nèi)外重要的體育資源配置中心、充滿活力的體育科技創(chuàng)新平臺(tái)。圖1體育公園鳥瞰圖2上海體育館改造目標(biāo)改造后的體育館定位為“上海體育文化展示和創(chuàng)新競(jìng)演的標(biāo)桿”，體育館改造后將成為本市室內(nèi)綜合體育國(guó)際賽事場(chǎng)館，能夠舉辦CBA職業(yè)聯(lián)賽（包括NBA季前賽）、乒乓球、羽毛球、籃球、排球、斯諾克等多類別頂級(jí)賽事和文化演藝活動(dòng)的體育建筑，并可引進(jìn)拳擊、自由搏擊、電子競(jìng)技等娛樂性、觀賞性強(qiáng)的新興體育賽事，同時(shí)滿足各種文藝演出的需要，提供更加多樣化的體育文化內(nèi)容。圖2上海體育館改造效果圖3上海體育館現(xiàn)狀上海體育館地處繁華的徐家匯商圈，是上海地標(biāo)性體育建筑群的重要組成部分，1972年經(jīng)周恩來總理親自批示，由上海市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院1973年至1974年間設(shè)計(jì)，上海市第八建筑工程公司于1975年建成，這座當(dāng)年中國(guó)規(guī)模最大、設(shè)施最先進(jìn)、功能最齊全的體育館不僅成為了上海這座城市的新坐標(biāo)，在世界上也處于領(lǐng)先水平。場(chǎng)館平面呈圓形，由內(nèi)圈主館和外圈單層輔房構(gòu)成，兩者間設(shè)有沉降縫，結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立。1975年建成時(shí)主館正中為比賽場(chǎng)地，四周為環(huán)形看臺(tái)，南側(cè)看臺(tái)中部設(shè)有主席臺(tái)、北側(cè)中部設(shè)有裁判臺(tái)，主席臺(tái)和裁判臺(tái)下設(shè)有一層地下室，比賽場(chǎng)地下設(shè)地壟墻架空。場(chǎng)館1999年改造為上海大舞臺(tái)，北側(cè)將近1/4的看臺(tái)及看臺(tái)下空間被拆除改造成舞臺(tái)結(jié)構(gòu)，地上面積大為縮小，場(chǎng)館逐漸喪失了體育賽事功能，轉(zhuǎn)變成了一個(gè)以文化演藝功能為主的室內(nèi)場(chǎng)館。圖3上海體育館現(xiàn)狀4網(wǎng)架概況上海體育館現(xiàn)狀屋頂網(wǎng)架為焊接球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，呈圓形，網(wǎng)架覆蓋面積為12160平方米，重量為600噸，跨度110米，外挑7.3m，高33.62米，由均勻分布在直徑為110m圓周上的36根柱子支撐，支撐以外懸挑。支撐以內(nèi)網(wǎng)架高6m，支撐處減為3.6m，在挑口處改為0.68m?；炷翗?gòu)件主要為預(yù)制構(gòu)件，構(gòu)件之間通過預(yù)埋件焊接、預(yù)埋鋼筋焊接、節(jié)點(diǎn)空隙澆筑細(xì)石混凝土的方式進(jìn)行連接?，F(xiàn)狀網(wǎng)架為正三角形三向桁架體系，由邊長(zhǎng)6.111m的三角形網(wǎng)格組成，網(wǎng)架矢高為6m，中間起拱2.5m，共有桿件11400多根，鋼球930只。結(jié)構(gòu)桿件規(guī)格主要D48X3.0?D194X11.0的鋼管，鋼球?yàn)橐?guī)格主要為D300X10、D400X14、D450X16的三種規(guī)格的焊接球，網(wǎng)架材料材質(zhì)均為16錳鋼。圖4上海體育館現(xiàn)狀網(wǎng)架由于上海體育館使用至今已逾40年。本次改建為上海市重點(diǎn)工程，將全面改造成符合“國(guó)際賽事之都”要求的市級(jí)公共體育文化中心。為此業(yè)主對(duì)體育館的新功能提出了很高的要求，必須滿足體育賽事、環(huán)保綠建、消防等諸多要求：在網(wǎng)架跨中需要增設(shè)斗屏（固定斗屏自重15噸；業(yè)主和外方建筑強(qiáng)烈要求采用可升降式斗屏，自重45噸，可滿足所有體育賽事的需要）；②滿跨設(shè)置鋁鎂錳直立鎖邊屋面系統(tǒng)，并滿足目前新規(guī)范對(duì)屋面保溫的要求，新建屋面的保溫構(gòu)造層自重將大于原有屋面自重；③建筑設(shè)計(jì)仍希望保留原來別具特色的吊頂樣式，盡最大可能“修舊如舊”，新吊頂需滿足隔音的要求；④改造后的馬道、風(fēng)管荷載均略高于原設(shè)計(jì)值。經(jīng)過新老設(shè)計(jì)荷載對(duì)比，本次改造屋蓋荷載增加較多。經(jīng)計(jì)算，有2800根桿件承載力不足（原網(wǎng)架結(jié)構(gòu)共10435根桿件），原有網(wǎng)架承載力不能滿足改建后的要求，需要進(jìn)行改造。圖5上海體育館新建網(wǎng)架效果圖5網(wǎng)架改造方案比選自上海院至上海建工，從一線設(shè)計(jì)到眾多鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?qū)＜?，他們綜合分析幾經(jīng)研討，最終從原位加固、預(yù)應(yīng)力索、新增桁架、拆除替換、拆除重建五個(gè)方案中篩選出了拆除重建這個(gè)最終方案。這個(gè)方案雖然只有短短的四個(gè)字，但它的背后卻凝聚了上海土木工程領(lǐng)域眾多工程師及專家的心血，是綜合考慮經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、施工可行性及社會(huì)影響度的智慧結(jié)晶。最初的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的是“原位加固”的方案（方案一），強(qiáng)度不足的弦桿與腹桿，采用外套鋼管且兩端與球節(jié)點(diǎn)焊接；穩(wěn)定不足的弦桿采用外套鋼管且兩端與球節(jié)點(diǎn)不焊，腹桿采用增設(shè)側(cè)向鋼管支撐。但在2018年2月份召開的結(jié)構(gòu)超限評(píng)審會(huì)上，專家提出“加固方案除滿足結(jié)構(gòu)的使用要求和抗震要求外，應(yīng)結(jié)合施工方案，充分考慮施工的可行性和安全性”、“現(xiàn)方案加固施工難度較大，經(jīng)濟(jì)性較差，是否還有更簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)、可行的加固方法宜作進(jìn)一步比選、論證”。應(yīng)專家的要求，設(shè)計(jì)方又提出了以下四種加固改造方案：1）預(yù)應(yīng)力索（方案二）：采用在主桁架下設(shè)豎向撐桿、張拉預(yù)應(yīng)力拉索的方法，對(duì)原有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)提供支撐反拱，拉索兩端固定在混凝土柱頂。但仍存在大量需加固的構(gòu)件。2）新增桁架（方案三）：在原網(wǎng)架的外圍新增桁架結(jié)構(gòu)，與原網(wǎng)架獨(dú)立，新增桁架上下弦桿分別置于原網(wǎng)架上、下兩側(cè)。新增桁架的腹桿從原網(wǎng)架桿件縫隙中穿過，與新增桁架的上下弦桿螺栓連接。新增桁架用以承擔(dān)斗屏、馬道、風(fēng)管荷載；若建筑要求設(shè)置吊頂，吊頂荷載也由新增桁架承擔(dān)。屋面荷載與風(fēng)荷載仍由原網(wǎng)架承擔(dān)。通過新增桁架承擔(dān)部分荷載后，原網(wǎng)架在其余荷載作用下仍需要進(jìn)行加固，但僅存在穩(wěn)定不足桿件。3）拆除替換（方案四）：原網(wǎng)架總重約560噸，采用若干臺(tái)塔吊整體起吊平移放到地面，在地面對(duì)計(jì)算不滿足的桿件進(jìn)行切割、拆除、替換。4）折除重建（方案五）：采用36根徑向鋼結(jié)構(gòu)平面鋼管桁架方案，周邊通過鋼鉸支座擱置于混凝土柱上，中心通過倒三角形圈環(huán)結(jié)構(gòu)相連，環(huán)向通過若干環(huán)桁架形成一個(gè)整體。針對(duì)以上共五種加固方案，設(shè)計(jì)方與業(yè)主、總包以及加固顧問進(jìn)行了多次討論，并于2018年5月28日邀請(qǐng)到多位專家召開了“屋蓋鋼結(jié)構(gòu)方案比選專家咨詢會(huì)”，對(duì)上述五種方案進(jìn)行了可行性對(duì)比。各方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)見表1所示。表1體育館鋼屋蓋加固方案對(duì)比新建鋼屋蓋外形與原網(wǎng)架完全相同，采用空間鋼管桁架方案，構(gòu)造簡(jiǎn)潔，自重較輕，施工簡(jiǎn)便，安全性高，耐久性好，可滿足業(yè)主對(duì)體育館功能的全部要求，且總造價(jià)最低，工期也較短。從使用功能、安全性、工期以及造價(jià)等各方面考慮，“拆除重建”方案均優(yōu)于其他方案，因此選擇“拆除重建”的方案作為最終實(shí)施6網(wǎng)架拆除重難點(diǎn)網(wǎng)架拆除的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于如何確保整個(gè)拆除過程的安全性，做到萬(wàn)無(wú)一失?，F(xiàn)狀網(wǎng)架為正三角形三向球節(jié)點(diǎn)桁架體系，結(jié)構(gòu)桿件、球節(jié)點(diǎn)多，屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜，網(wǎng)架的拆除方式和拆除順序直接影響到網(wǎng)架的內(nèi)力重分布，因此選取合理的拆除方式拆除順序是防止網(wǎng)架局部坍塌乃至整體坍塌的關(guān)鍵。目前社會(huì)上部分人認(rèn)為：雖說跨度124.6m的上海體育館在當(dāng)時(shí)是規(guī)模最大、設(shè)施最先進(jìn)、功能最齊全……占了許多全國(guó)第一，甚至世界第一，可是，從我國(guó)現(xiàn)在的設(shè)計(jì)、施工以及機(jī)械的水平來說難度都不是很大。這種觀點(diǎn)忽略了幾個(gè)很重要的問題：（1）上海體育館是上世紀(jì)70年代建造的，當(dāng)時(shí)人民的生活水平不高，物資匱乏。根據(jù)體育館的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師林穎儒先生回憶，網(wǎng)架所需的鋼材是由周總理特批，鞍鋼冶煉的。在這種情況下，他們通過計(jì)算，幾乎把材料的性能在規(guī)范允許的范圍內(nèi)發(fā)揮到了極致，幾乎做到了用料最?。ㄔO(shè)計(jì)荷載：支撐以外200kN/m%支撐以內(nèi)250kN/m2。而且這批鋼材在高應(yīng)力下工作了40多年，材性有無(wú)發(fā)生變化，既無(wú)可靠依據(jù)，又無(wú)類似的可參考的案例。（2）該工程位于繁華的徐家匯商業(yè)區(qū)，毗鄰3條地鐵線路及內(nèi)環(huán)高架，場(chǎng)地周邊均屬交通要道，人流密集，社會(huì)關(guān)注度高，屬環(huán)境敏感區(qū)域，現(xiàn)場(chǎng)周邊可用場(chǎng)地空間狹小，在如此諸多苛刻的條件下，不僅要做到最高標(biāo)準(zhǔn)的安全文明施工，還要從更高一層的社會(huì)影響度考慮施工的可行性。（3）體育館中心區(qū)域?yàn)榈貕艍芸?，承載能力極為有限，甚至連中型的施工機(jī)械也無(wú)法發(fā)揮作用。（4）雖然網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的拆除屬于破壞性拆除，但因?yàn)樵炷两Y(jié)構(gòu)需要保留、加固，所以從總體上講它更屬于保護(hù)性拆除，這將大大增加拆除的難度。（5）需要相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員按照既定的拆除方法及拆除順序進(jìn)行受力分析，仿真分析需要利用兩種不同的軟件分別建立模型，按照拆除的步驟，每一步均需要做出受力分析，進(jìn)而確保拆除過程中每個(gè)工況中的桿件均滿足要求。拆出順序不可隨意改動(dòng)，如需改動(dòng)，必須重新進(jìn)行仿真分析。綜上所述：本工程網(wǎng)架的拆除與其他工程的網(wǎng)架拆除無(wú)論是規(guī)模上還是難度上都有本質(zhì)的不同，因此應(yīng)該格外重視，必須謹(jǐn)慎選擇合適的拆除方法以及合理的拆除順序。7網(wǎng)架拆除方案比選適用于大型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的拆除的目前一般有三種常用方案：整體拆除、滿堂腳手架散拆、超大型液壓同步下降技術(shù)整體下放逐級(jí)分段拆除。其中較為常規(guī)的兩種方案：整體拆除、滿堂腳手架散拆。針對(duì)本項(xiàng)目及周邊環(huán)境弊端較多，具體表現(xiàn)如下：（1）整體拆除方案的弊端如果采取整體起吊，網(wǎng)架均布受力點(diǎn)基本不可能找到，假設(shè)吊到薄弱點(diǎn)，可能會(huì)把整個(gè)網(wǎng)架拉塌。如果按照常規(guī)應(yīng)起吊支座點(diǎn)，但是網(wǎng)架中間撓度可能過大導(dǎo)致網(wǎng)架變形甚至折斷。內(nèi)蒙曾經(jīng)出現(xiàn)過類似事故。即使能吊起來也會(huì)變形很大，假定變形滿足，也沒法平移，垂直起吊簡(jiǎn)單，水平位移最難控制的，而且場(chǎng)內(nèi)可用場(chǎng)地太小，網(wǎng)架取下也無(wú)處安放。（2）滿堂腳手架散拆的弊端所需腳手架數(shù)量巨大，經(jīng)過測(cè)算大約需要23萬(wàn)m3。腳手架搭設(shè)及拆除工期較長(zhǎng)，且在滿堂架存在期間，室內(nèi)其他流水施工基本無(wú)法進(jìn)行，體育整體改建改建工期將大大延長(zhǎng)。腳手架只是操作平臺(tái)，并不一定能承受網(wǎng)架的重量，一旦開始拆除，如果利用腳手架承重，將會(huì)產(chǎn)生很大的變形，安全隱患巨大?，F(xiàn)有的三臺(tái)塔吊無(wú)法覆蓋中心區(qū)域，人工高空搬運(yùn)效率低下。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工條件及現(xiàn)有結(jié)構(gòu)布置的深入分析，從屋頂網(wǎng)架拆除的安全性以及拆除效率等多方面綜合考慮，擬利用“超大型液壓同步提升技術(shù)”將屋頂網(wǎng)架采取“整體下放逐級(jí)分段拆除”的施工工藝進(jìn)行拆除，同時(shí)新的屋頂網(wǎng)架按照拆除的逆序，采取累積提升的施工工藝進(jìn)行安裝。相較其他方案而言，其優(yōu)勢(shì)如下：拆除及安裝共用一套提升措施，總體措施費(fèi)用小，腳手架（支架）搭設(shè)數(shù)量小。核心環(huán)在地面拼裝，模臺(tái)搭設(shè)方便，安裝精度高。網(wǎng)架的重力由中心的胎架承受，受力明確；可通過胎架提升力的變動(dòng)與信息化的監(jiān)測(cè)措施相結(jié)合的方法全程監(jiān)測(cè)網(wǎng)架的應(yīng)力、應(yīng)變以及位移的變化，并結(jié)合有限元分析確保每一步均安全可靠。36棉徑向桁架高空拼裝利用汽車吊，塔吊負(fù)責(zé)環(huán)向桿件拼裝，起重設(shè)備利用率高，總工期較短。網(wǎng)架拆除及桁架與安裝，均不影響看臺(tái)下方其它區(qū)域的施工。因此，本