國(guó)家速滑館超大跨度環(huán)桁架索網(wǎng)結(jié)構(gòu)全過(guò)程BIM 技術(shù)應(yīng)用

王志濱，王 偉，王 欽，趙書(shū)東，秦 展，崔建波

（北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100088）

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

國(guó)家速滑館工程項(xiàng)目的建設(shè)位置與林萃路和國(guó)家網(wǎng)球中心相鄰，2022 年北京冬奧會(huì)將在這里舉行速滑比賽。國(guó)家速滑館的建筑面積達(dá)到了9.8 萬(wàn)m2，主場(chǎng)館的外形為橢圓形，共計(jì)包括五層，地上建筑為三層，地下建筑為二層，檐口高度設(shè)置為16m 和34m，能夠容納12000 多人觀看比賽。北京作為世界首個(gè)“雙奧之城”，其標(biāo)志性建筑物就包括國(guó)家速滑館在內(nèi)。國(guó)家速滑館的效果圖詳見(jiàn)圖1。

圖1 國(guó)家速滑館項(xiàng)目

1.2 結(jié)構(gòu)概況

國(guó)家速滑館地上為一個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元，不設(shè)永久結(jié)構(gòu)縫。地上首層為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，看臺(tái)部分除梁柱為現(xiàn)澆外，臺(tái)板以預(yù)制清水混凝土為主；地上二層及三層為純鋼框架結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)體系如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)體系示意及分解

該工程項(xiàng)目的屋蓋結(jié)構(gòu)的主要形式為單層雙向正交索網(wǎng)聯(lián)合大跨度馬鞍形環(huán)桁架結(jié)構(gòu)體系。超大跨度屋蓋投影形狀為橢圓馬鞍形雙曲面，索網(wǎng)的類(lèi)型為單層雙向正交形式，支承于周圈的鋼結(jié)構(gòu)環(huán)桁架上，索網(wǎng)南北向穩(wěn)定索最大跨度198m，東西向承重索最大跨度124m；立體桁架結(jié)構(gòu)形式時(shí)環(huán)桁架的主要類(lèi)型，平面投影外形尺寸為226m×153m，網(wǎng)格間距4m，節(jié)點(diǎn)采用相貫焊接的形式連接；用于支承屋蓋的48 根看臺(tái)斜柱采用勁性混凝土柱，使用成品固定球鉸支架將勁性混凝土柱與環(huán)桁架連接在一起。外圍護(hù)幕墻為波浪形曲面玻璃幕墻，支承結(jié)構(gòu)采用鋼拉索加豎向波浪形鋼龍骨，在頂部鋼結(jié)構(gòu)桁架上固定拉索的上端，在主體結(jié)構(gòu)首層頂板外圈的懸挑梁端固定拉索下端，鋼拉索間距為4m，鋼龍骨采用箱型截面，通過(guò)銷(xiāo)軸耳板與幕墻拉索對(duì)應(yīng)位置的索夾鉸接[1]。

2 深化設(shè)計(jì)階段

2.1 環(huán)桁架深化設(shè)計(jì)

環(huán)桁架按照設(shè)計(jì)要求“環(huán)桁架零態(tài)為鋼結(jié)構(gòu)加工、安裝對(duì)應(yīng)的狀態(tài)；環(huán)桁架初始態(tài)為索網(wǎng)張拉、配重加載完成時(shí)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)；從零態(tài)到初始態(tài)，支座底部應(yīng)為滑動(dòng)。”環(huán)桁架深化設(shè)計(jì)建模所使用的坐標(biāo)為設(shè)計(jì)圖中零態(tài)對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)。環(huán)桁架深化設(shè)計(jì)通過(guò)直線(xiàn)擬合馬鞍形空間曲線(xiàn)，主弦桿采用直線(xiàn)段圓鋼管，降低加工制作難度。

在深化鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)現(xiàn)桁架桿件與幕墻撐桿點(diǎn)相貫節(jié)點(diǎn)位置有現(xiàn)場(chǎng)焊縫碰撞的情況存在，與設(shè)計(jì)協(xié)商后，對(duì)桿件位置進(jìn)行了調(diào)整；屋面索牛腿與天窗梁牛腿存在著沖突的情況，與設(shè)計(jì)協(xié)商后，對(duì)天窗梁位置進(jìn)行了調(diào)整。

2.2 索結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)

索結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)主要包括耳板設(shè)計(jì)、提升張拉工裝設(shè)計(jì)。整個(gè)屋蓋索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，整體提升、張拉的拉索數(shù)量多，拉索提升、張拉力大，提升和張拉施工的要求比較嚴(yán)苛，對(duì)提升和張拉施工的安全性要求比較高，也能提高施工效率，保證施工質(zhì)量并節(jié)省施工成本。

深化設(shè)計(jì)理念，對(duì)構(gòu)造要求和工裝受力情況進(jìn)行了綜合的分析，工裝受力儲(chǔ)備充足，結(jié)構(gòu)形式科學(xué)；對(duì)張拉耳板和提升張拉工裝進(jìn)行三維實(shí)體放樣，保證滿(mǎn)足施工構(gòu)造的需要；對(duì)提升張拉工裝進(jìn)行有限元分析，確保在最不利工況下，工裝處于安全狀態(tài)。

3 構(gòu)件加工階段

3.1 鋼構(gòu)件加工

最大屋面環(huán)桁架弦桿的規(guī)格設(shè)置為D1600×60。針對(duì)本工程大口徑鋼管筒體成型，利用數(shù)字化加工技術(shù)保障加工精度和加工質(zhì)量。

加工成型時(shí)，使用的設(shè)備為專(zhuān)用的鋼管數(shù)控卷板機(jī)，將鋼板先卷制成若干個(gè)鋼管小段節(jié)，然后接長(zhǎng)焊接至10m 左右，最后進(jìn)行內(nèi)部加勁板的焊接；在滾輪臺(tái)架上使用自動(dòng)焊接臺(tái)架或者是筒體自動(dòng)焊接臺(tái)架以埋弧焊接的方式來(lái)焊接筒體，使用自動(dòng)埋弧焊接的方式處理筒體的環(huán)向焊縫和內(nèi)外側(cè)縱向焊縫，并采取措施對(duì)外側(cè)焊縫的余高進(jìn)行控制，使焊縫余高不大于2mm。

3.2 索體加工

首次實(shí)現(xiàn)建筑用高釩封閉索國(guó)產(chǎn)化，打破了國(guó)際市場(chǎng)的壟斷，大大減少了索體進(jìn)口成本并降低了工期風(fēng)險(xiǎn)。高釩封閉索索體加工步驟如下：盤(pán)條→半成品拉拔→熱處理→二次拉拔→熱鍍鋅鋁→倒輪→合繩→成盤(pán)包裝。

使用整體模拉法來(lái)完成關(guān)鍵工序二次拉拔過(guò)程中的Z 形鋼絲拉拔施工，使用三維軟件模型來(lái)設(shè)計(jì)拉絲模，將圓形鋼絲拉拔到Z 形鋼絲的實(shí)際拉拔狀態(tài)，使各道次孔型得到快速的形成。使用多道連續(xù)直線(xiàn)式拉絲機(jī)完成Z 形鋼絲的二次拉拔施工，在拉拔鋼絲時(shí)，不需要附加扭矩，拉絲過(guò)程冷卻時(shí)，使用風(fēng)冷與水冷相結(jié)合的方式，保證成品鋼絲的生產(chǎn)質(zhì)量與設(shè)計(jì)要求一致。最終保障了合繩階段各層鋼絲松緊一致貼在內(nèi)層鋼絲上，使Z 形鋼絲形成了連鎖封閉，確保了索體力學(xué)性能。Z 形鋼絲三維模擬拉拔和索體斷面情況詳見(jiàn)圖3。

圖3 Z 形鋼絲三維模擬拉拔及索體斷面

4 施工階段

4.1 環(huán)桁架施工

鋼環(huán)桁架平面投影的外形大小設(shè)置為226m×153m，連接節(jié)點(diǎn)時(shí)，使用管與灌相貫焊接的方式。組合式桁架構(gòu)成了截面的主要形式，主要由腹桿和主弦桿構(gòu)成。桿件截面的形式非常多，弦桿截面的尺寸也比較大，最大口徑鋼管為D1600×60 如圖4 所示。

圖4 環(huán)桁架總體施工方案

因現(xiàn)場(chǎng)安裝條件復(fù)雜，結(jié)構(gòu)東西側(cè)設(shè)置有地下車(chē)庫(kù)，因此考慮在東西側(cè)車(chē)庫(kù)上設(shè)置拼裝胎架，在場(chǎng)館結(jié)構(gòu)外拼裝完成，當(dāng)場(chǎng)館混凝土結(jié)構(gòu)施工完成后，采取滑移的施工方案安裝就位，節(jié)約安裝工期。同時(shí)桁架地面拼裝控制拼裝精度，為高空定位創(chuàng)造良好條件，高空定位預(yù)先定位支撐模板，全站儀測(cè)量定位桁架分段及主弦桿，節(jié)約分段定位時(shí)間并提高安裝精度。

經(jīng)過(guò)施工模擬和仿真分析，將環(huán)桁架施工分4 個(gè)分區(qū)，南北區(qū)采用原位吊裝，東西區(qū)采用滑移技術(shù)，西側(cè)滑移距離87m（58m+29m）、東側(cè)滑移距離47m（18m+29m）。兩側(cè)滑移段長(zhǎng)181.9m，寬40.5m，重量約2750t，在安裝時(shí)使用滑移機(jī)器人完成安裝施工任務(wù)，安裝方式為高低二次滑移就位聯(lián)合場(chǎng)外高空拼裝的方式。將滑移支撐架和滑移軌道事先鋪設(shè)好，使用計(jì)算機(jī)來(lái)對(duì)液壓進(jìn)行控制。鋼結(jié)構(gòu)高低空二次滑移縮短了工期，同時(shí)也節(jié)省了支撐材料的用量，實(shí)現(xiàn)了平行施工如圖5 所示。

圖5 結(jié)構(gòu)平行施

4.2 屋面索網(wǎng)施工

屋面索網(wǎng)的主要類(lèi)型為單層雙向正交馬鞍形，南北、東西的最大跨度分別為198m 和124m。索徑64mm、74mm，用鋼量?jī)H約為傳統(tǒng)鋼屋面的1/4。共使用高釩封閉索968t，總長(zhǎng)度20410m，共498 根。

工程項(xiàng)目施工企業(yè)與浙江大學(xué)使用1∶12 實(shí)體模型仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)建造的安全性和可行性進(jìn)行了充分的論證，實(shí)體模型仿真試驗(yàn)的具體情況詳見(jiàn)圖6。研究影響初始平衡態(tài)誤差關(guān)鍵因素，提出施工控制標(biāo)準(zhǔn)；研究不同張拉方案的控制效果；驗(yàn)證超大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的受力性能；驗(yàn)證“安裝幕墻索、地面組網(wǎng)、整體提升承重索、張拉穩(wěn)定索”施工方案；對(duì)比定長(zhǎng)索張拉就位與穩(wěn)定索索力精確就位下的索網(wǎng)形態(tài)與索力。

圖6 1∶12 實(shí)體模型仿真實(shí)驗(yàn)

對(duì)方案進(jìn)行綜合分析以后，對(duì)施工工期、施工成本投入和施工安全性等因素進(jìn)行了全面的論述，確定最終的總體施工方案為整體提升張拉與地面組裝索網(wǎng)相結(jié)合的施工方案。在鋪裝地面索網(wǎng)時(shí)，放樣的坐標(biāo)為索在地面的投影點(diǎn)。索夾螺栓在地面全部擰緊后整體提升，提升過(guò)程中對(duì)稱(chēng)分級(jí)緩慢進(jìn)行，所有提升機(jī)器人由計(jì)算機(jī)控制。穩(wěn)定索張拉施工分為8 個(gè)步驟完成，最大距離設(shè)置為37cm，張拉點(diǎn)的數(shù)量設(shè)置為60 個(gè)，索網(wǎng)張拉成型的效果詳見(jiàn)圖7 所示。施工及運(yùn)營(yíng)全過(guò)程在結(jié)構(gòu)上布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)索力、風(fēng)壓、位移等，實(shí)時(shí)展示荷載狀況、結(jié)構(gòu)反應(yīng)并提供故障預(yù)警，保障結(jié)構(gòu)安全[2]。

圖7 索網(wǎng)張拉成型

5 BIM 應(yīng)用總結(jié)

國(guó)家速滑館項(xiàng)目通過(guò)對(duì)環(huán)桁架索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的BIM 建模和全過(guò)程的高精度仿真，實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字化的構(gòu)件加工和安裝，并持續(xù)完成實(shí)時(shí)高精度測(cè)控、健康監(jiān)測(cè)，最終保障了工程精準(zhǔn)、高效建造，并為類(lèi)似工程提供了參考。

該項(xiàng)目研究成果在建筑領(lǐng)域獲得了很多的大獎(jiǎng)，如中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)、優(yōu)路杯全國(guó)BIM 大賽施工組金獎(jiǎng)等。