上海浦東足球場鋼結(jié)構(gòu)深化創(chuàng)新應(yīng)用

錢曉村 盧 俊 柯敦華

上海機(jī)施建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司 上海 200072

1 工程概況

上海浦東足球場位于錦繡東路以南，規(guī)劃金滇路以東，金葵路以北，規(guī)劃金湘路以西，總用地面積約10 hm2。其屋蓋部分長軸向約為211 m，短軸向約為173 m，看臺(tái)罩棚短軸向懸挑長度為50 m，長軸向懸挑長度為48.3 m（圖1）。

圖1 上海浦東足球場鳥瞰效果圖

根據(jù)建筑造型、空間使用功能和視覺美觀要求，結(jié)合結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，體育場屋蓋結(jié)構(gòu)內(nèi)部的挑篷采用了輪輻式索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其獨(dú)特的中置壓環(huán)鋼結(jié)構(gòu)張拉體系，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)、屋面系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)、加工和安裝提出了毫米級(jí)的精度要求。

我們運(yùn)用BIM技術(shù)，對(duì)本項(xiàng)目的鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、金屬屋面系統(tǒng)、膜結(jié)構(gòu)吊頂系統(tǒng)、立面幕墻系統(tǒng)、看臺(tái)預(yù)制板系統(tǒng)等進(jìn)行多專業(yè)一體化施工管理。以信息化、參數(shù)化、模塊化為技術(shù)應(yīng)用方向[1-2]，結(jié)合大數(shù)據(jù)合模、動(dòng)態(tài)施工模擬、全息三維掃描、參數(shù)化數(shù)據(jù)對(duì)比分析等技術(shù)手段，聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工“三位一體”，以兩個(gè)一體化為目標(biāo)導(dǎo)向，在有限的時(shí)間內(nèi)有效規(guī)避本項(xiàng)目所產(chǎn)生的復(fù)雜空間體量問題，推動(dòng)項(xiàng)目有序、高效、順利進(jìn)行。

2 中置壓環(huán)鋼結(jié)構(gòu)張拉體系屋蓋的動(dòng)態(tài)布置

上海浦東足球場設(shè)計(jì)中最引人注目的就是大跨度的無柱鋼屋蓋空間及其流線型的外觀，屋蓋的跨度達(dá)到了200 m。

與此同時(shí)，本項(xiàng)目建設(shè)的最大難點(diǎn)也在于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中國際首創(chuàng)的中置壓環(huán)張拉鋼結(jié)構(gòu)體系屋蓋（圖2）。其獨(dú)有的中壓環(huán)梁、徑向梁，以及剛?cè)岵?jì)的索承網(wǎng)格體系，在體現(xiàn)美感的同時(shí)，也為設(shè)計(jì)、深化、加工、安裝等一系列環(huán)節(jié)帶來不小的考驗(yàn)與挑戰(zhàn)。

圖2 上海浦東足球場鋼屋蓋模型

2.1 “四態(tài)一體”鋼結(jié)構(gòu)屋蓋系統(tǒng)的布置理念

上海浦東足球場鋼屋蓋主要的結(jié)構(gòu)體系包括結(jié)構(gòu)柱、中置壓環(huán)、上部徑向梁、下部徑向索以及內(nèi)環(huán)索和V柱支撐（圖3）。屋蓋的結(jié)構(gòu)體系可以看成是輪輻式體系和下張弦屋蓋的有機(jī)結(jié)合。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的全張拉輪輻式體系由于上弦采用柔性的鋼索以提供金屬屋面的面內(nèi)外剛度，所以本工程中采用了剛性的箱形上弦桿以提供金屬屋面的可靠支承條件。正是由于采用了剛性的上弦桿，才可以將徑向索的水平分力有效地傳遞到中置壓環(huán)上，從而形成完全封閉的環(huán)索自錨體系。

圖3 中置壓環(huán)張拉鋼結(jié)構(gòu)屋蓋體系

同時(shí)，由于本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)屋蓋體系的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的二維圖紙無法全面表達(dá)其空間體量關(guān)系，我們?cè)阡摻Y(jié)構(gòu)模型建立以及深化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，利用正向設(shè)計(jì)原理，通過多方論證及多個(gè)應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)生的空間定位分析，最終明確了可用于深化的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋體系施工計(jì)算線模型定位標(biāo)準(zhǔn)，再結(jié)合多狀態(tài)調(diào)整后的線模型標(biāo)準(zhǔn)放樣得出作為鋼結(jié)構(gòu)深化基礎(chǔ)的空間體量模型。

針對(duì)上海浦東足球場鋼屋蓋的特殊性，為保障現(xiàn)場施工的精準(zhǔn)以及安全性，我們聯(lián)合設(shè)計(jì)方，通過嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)計(jì)算以及對(duì)現(xiàn)場施工工況的分析，結(jié)合其獨(dú)特的不同應(yīng)力下的張拉體系狀態(tài)變化，將整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的深化、施工分為“四態(tài)六步”，即4種狀態(tài)，6個(gè)步驟。

四態(tài)即為：初始零應(yīng)力狀態(tài)、索網(wǎng)張拉完成后狀態(tài)、內(nèi)懸挑端安裝完成后狀態(tài)、安裝屋面系統(tǒng)并卸載胎架后狀態(tài)。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)深化來說，先要快速理清各態(tài)的前因后果，明確深化設(shè)計(jì)思路。從零應(yīng)力態(tài)到索網(wǎng)張拉完成態(tài)過程中，結(jié)構(gòu)在徑向和環(huán)向均產(chǎn)生不同程度的位移。徑向位移所引起的問題是V撐的長度有所縮短，變化量為6～29 mm，如果按照零應(yīng)力態(tài)下的長度深化，這么大的長度變化足以導(dǎo)致V撐發(fā)生屈曲，顯然是不可行的，因此V撐必須按照張拉后的長度深化。環(huán)向位移引起的問題是由徑向梁、V撐、徑向索構(gòu)成的面在空間發(fā)生變形和偏轉(zhuǎn)，徑向梁、索夾上的連接板如果按零應(yīng)力態(tài)設(shè)計(jì)，靠關(guān)節(jié)軸承調(diào)節(jié)顯然是不行的。按施工流程分析，徑向索、環(huán)索均采用定長索，初始狀態(tài)時(shí)徑向梁、V撐處在零應(yīng)力態(tài)，徑向索、環(huán)索處于松弛的自由態(tài)，張拉后才會(huì)逐步就位。因此徑向梁、索夾上的連接板空間狀態(tài)應(yīng)該按完成態(tài)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。

綜上，內(nèi)懸挑端安裝完成后狀態(tài)和最終卸載狀態(tài)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響較小，可以忽略；初始的零應(yīng)力態(tài)到索網(wǎng)張拉完成態(tài)對(duì)整體結(jié)構(gòu)位移較大，但V撐以上部分屋面結(jié)構(gòu)變形量不大，可以忽略；徑向索和環(huán)索都為定長索，不設(shè)調(diào)節(jié)量。所以在深化過程中V撐以上部分按零應(yīng)力態(tài)深化，而V撐、環(huán)索等則按張拉完成態(tài)深化。V撐、徑向索兩端分別與環(huán)索和徑向梁相連，而在深化模型中，環(huán)索和徑向梁分處不同的設(shè)計(jì)態(tài)，如何正確處理不同設(shè)計(jì)態(tài)下的構(gòu)件關(guān)系，開展鋼結(jié)構(gòu)深化、出圖、加工和安裝工作，確?，F(xiàn)場順利實(shí)施，是屋面深化的關(guān)鍵。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋體系的模型建立

由于上下兩部分在鋼結(jié)構(gòu)深化過程中分屬兩個(gè)狀態(tài)而產(chǎn)生不共面的問題，從而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)在深化階段的連接節(jié)點(diǎn)、出圖等方面產(chǎn)生冗長繁復(fù)的操作。

就此，我們聯(lián)動(dòng)多方，根據(jù)施工吊裝順序，以由設(shè)計(jì)方計(jì)算得出的V撐外肢及徑向索長度不變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)，移動(dòng)每一榀下拉環(huán)點(diǎn)位使其與徑向梁中線共面，再定出V撐內(nèi)肢的長度與空間定位，最終使上部徑向梁體系與下部V撐體系共面，更精準(zhǔn)、更方便地為后續(xù)鋼結(jié)構(gòu)深化工作的展開提供條件（圖4）。

圖4 屋蓋主鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件深化依據(jù)

我們利用Rhino及Grasshopper平臺(tái)，以上述條件為依據(jù)，將所有屋面鋼結(jié)構(gòu)以鋼結(jié)構(gòu)深化階段標(biāo)準(zhǔn)按不同階段進(jìn)行線模型放樣及共面調(diào)整，生成深化狀態(tài)下的鋼結(jié)構(gòu)線模型，再利用Grasshopper平臺(tái)計(jì)算所有環(huán)向鋼梁與徑向梁銜接位置的旋轉(zhuǎn)角度，將最終線模型及相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)深化軟件Tekla中進(jìn)行體模型的放樣以及后續(xù)的深化操作。

通過上述操作，從而完成鋼結(jié)構(gòu)深化的設(shè)計(jì)溝通、偏移量計(jì)算、線模型原則及空間定位確定、空間體量模型放樣等一系列環(huán)節(jié)。

根據(jù)以上原則，吊裝所有主鋼構(gòu)件及附加主檁條后，開始整個(gè)屋蓋的索網(wǎng)張拉操作，并在施工開始前，模擬出索網(wǎng)張拉完成以及安裝內(nèi)側(cè)懸挑端主鋼構(gòu)件后的所有已安裝桿件的空間定位坐標(biāo)，以供后續(xù)屋面體系及膜結(jié)構(gòu)吊頂體系的深化、加工、安裝。

同時(shí)，考慮現(xiàn)場施工形變及精度控制等特點(diǎn)，再將此“四態(tài)”細(xì)分為6個(gè)施工步驟，即：安裝立柱、徑向梁、外側(cè)圈梁（預(yù)留8個(gè)合攏嵌補(bǔ)段）→安裝V撐外肢、環(huán)索、徑向索和索夾并同步張拉徑向索→安裝中壓環(huán)外側(cè)的合攏嵌補(bǔ)段圈梁、屋面支撐及柱間BRB支撐→安裝V撐內(nèi)肢和中壓環(huán)內(nèi)側(cè)徑向懸挑梁→安裝壓環(huán)內(nèi)側(cè)圈梁、屋面支撐及V撐橫梁→安裝屋面系統(tǒng)、馬道并卸載胎架（圖5）。

圖5 上海浦東足球場鋼屋蓋模型（局部）

3 屋蓋各體系結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)及解決措施

3.1 屋蓋檁條支撐體系的難點(diǎn)及解決措施

屋面水平支撐的難點(diǎn)在于空間位置的確定及連接板的設(shè)置，空間位置需要同時(shí)考慮屋面結(jié)構(gòu)、圈梁、吊頂構(gòu)造等多種因素才能確定。由于前后2根徑向梁在空間的斜率不同，支撐不共面，連接板無法按共面處理，因此我們只能盡可能考慮局部構(gòu)造的合理性，在支撐的交點(diǎn)處把連接板進(jìn)行共面處理，兩塊連接板合成一塊，做成異形連接板，穿過環(huán)梁并連接水平撐。

主體結(jié)構(gòu)與屋面體系密切相關(guān)，同時(shí)設(shè)計(jì)明確要求現(xiàn)場不得在徑向梁上施焊，為了配合后續(xù)屋面體系的施工，深化時(shí)需預(yù)先考慮在主體結(jié)構(gòu)上設(shè)置屋面主次檁的連接節(jié)點(diǎn)。主檁沿徑向分布，節(jié)點(diǎn)主要設(shè)置在環(huán)梁上，采用螺栓連接（圖6）。次檁沿環(huán)向布置，除與主檁連接外，主要連接在徑向梁上，同樣采用螺栓連接。放樣后發(fā)現(xiàn)由于整體結(jié)構(gòu)的不規(guī)則，導(dǎo)致次檁連接板與徑向梁的關(guān)系非常復(fù)雜，無法按統(tǒng)一原則設(shè)置，如預(yù)制在徑向梁上，不僅加工定位難度增大，現(xiàn)場返工率也將大幅提升，權(quán)衡利弊后最終確定徑向梁上僅設(shè)置槽鋼構(gòu)造，雖然一定程度上增加了現(xiàn)場工作量，但現(xiàn)場施工更靈活、可調(diào)性更大，也滿足了現(xiàn)場不直接在徑向梁上施焊的需求（圖7）。

圖6 環(huán)梁上部與屋面檁條節(jié)點(diǎn)示意

圖7 次檁與徑向梁連接處增設(shè)槽鋼示意

3.2 屋蓋水平支撐體系的深化節(jié)點(diǎn)分析及焊縫合理應(yīng)用

設(shè)計(jì)屋面圖紙上典型水平撐節(jié)點(diǎn)如圖8所示，圖8中僅示意了轉(zhuǎn)換圈梁和徑向梁交會(huì)處的水平撐連接板。

圖8 水平撐板節(jié)點(diǎn)示意

但在碰到圖9中徑向梁和圈梁交會(huì)處的水平撐節(jié)點(diǎn)時(shí)，連接板厚度和徑向梁及圈梁焊接明顯不滿足厚薄板焊接規(guī)范要求。在和設(shè)計(jì)方討論的節(jié)點(diǎn)方案中，避免厚薄板問題的一種方案是增加板厚，另一種是采用本體開槽連接板貫通。本體開槽方案的材料沒有增加，但焊接工藝會(huì)要求更高?？紤]到徑向梁為主要受力構(gòu)件，設(shè)計(jì)方不希望在腹板上開槽口，圈梁為次要構(gòu)件，可以采用開槽節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過討論，最終確認(rèn)徑向梁采用腹板在水平撐范圍局部加厚至與水平撐同厚，圈梁腹壁開槽，并采用牛腿現(xiàn)場連接的形式，這樣有利于水平撐及開槽工作在工廠就能完成。在這個(gè)典型節(jié)點(diǎn)中，明顯體現(xiàn)出深化設(shè)計(jì)能靈活應(yīng)用節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢，將工廠焊接可行性及現(xiàn)場安裝操作性考慮周全。

圖9 水平撐板節(jié)點(diǎn)實(shí)際放樣示意

3.3 屋蓋徑向梁和環(huán)向梁（中壓環(huán)）體系的深化節(jié)點(diǎn)分析及焊縫合理應(yīng)用

徑向梁和環(huán)向梁（中壓環(huán)）是屋蓋結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分，均采用焊接箱形截面。徑向梁采用薄壁箱梁（腹板僅厚10 mm），內(nèi)部設(shè)置縱向加勁（腹板加勁）和橫隔板以提高箱梁剛度，與徑向索、環(huán)向主梁等節(jié)點(diǎn)連接區(qū)域則通過增加板厚保證受力需求。實(shí)際施工時(shí)，節(jié)點(diǎn)區(qū)厚薄板變化區(qū)域較多；環(huán)向主梁牛腿、水平支撐連接板存在空間角度，定位困難；縱向加勁較密，焊在薄壁腹板上易產(chǎn)生變形，建議采用間斷焊處理；箱形截面內(nèi)部空間小，橫隔板無法退焊，所以做不到圍焊，優(yōu)化為斜對(duì)角邊不焊（圖10）。

圖10 縱向加勁間斷焊，橫隔板斜對(duì)角邊不焊

中壓環(huán)同樣采用的是箱形截面（截面1 500 mm×1 500 mm×50 mm×50 mm），壁厚較厚，端部采用法蘭連接，為了減重，法蘭板中間開洞，用薄板密封處理（圖11）。由于結(jié)構(gòu)造型不規(guī)則，空間定位難度較大，考慮現(xiàn)場安裝誤差，為保證壓環(huán)梁精確就位，部分環(huán)梁與法蘭板的焊縫采用現(xiàn)場實(shí)測、現(xiàn)場施焊的方式處理。

圖11 法蘭連接示意

4 深化中合理考慮提升和張拉工裝與鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)系

上海浦東足球場屋蓋結(jié)構(gòu)內(nèi)部的挑篷采用了預(yù)應(yīng)力索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，通過在徑向索和環(huán)索中施加預(yù)應(yīng)力，平衡上部網(wǎng)格的質(zhì)量，這步張拉工序由專業(yè)單位來完成。張拉過程中會(huì)有例如反力工裝、鋼絞線、千斤頂?shù)葟埨O(shè)備需要與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接。本工程中的徑向索張拉工裝較為復(fù)雜，深化設(shè)計(jì)時(shí)利用專業(yè)技術(shù)及時(shí)判斷在實(shí)際加工和現(xiàn)場施工中的可行性，為工程快速推進(jìn)起到了承上啟下作用。

圖12中，張拉節(jié)點(diǎn)位于外圈梁，千斤頂裝置位于外圈梁外側(cè)，此方案僅需在環(huán)向梁上設(shè)置穿索套管，既施工方便又節(jié)省材料。然而在深化放樣中，套管與鋼結(jié)構(gòu)有硬碰撞，主體結(jié)構(gòu)無法避讓，所以放棄此方案另想辦法。

圖12 位于外圈梁節(jié)點(diǎn)與鋼結(jié)構(gòu)碰撞模型示意

圖13采用張拉工裝耳板措施，增加連接側(cè)耳板和徑向索豎向連接板全熔透焊接，在側(cè)耳板上采用銷軸連接工裝裝置。在深化過程中，特別針對(duì)焊縫工藝進(jìn)行了優(yōu)化，耳板尾部由于徑向梁本體厚度（26 mm）與側(cè)耳板板厚（70 mm）相差甚遠(yuǎn)，考慮熔火量過大對(duì)圈梁本體的受力影響，和設(shè)計(jì)討論后認(rèn)為在滿足強(qiáng)度前提下與徑向梁底部焊縫僅采用構(gòu)造焊縫即可，大大降低了工廠的焊接工作量。

圖13 采用張拉工裝耳板措施節(jié)點(diǎn)示意

5 結(jié)語

通過以上“四態(tài)六部”過程及細(xì)部張拉工裝節(jié)點(diǎn)方案結(jié)合一體，從真正意義上做到并進(jìn)一步提升了“鋼結(jié)構(gòu)、屋面一體化”以及“設(shè)計(jì)、深化、加工、施工一體化”的兩個(gè)一體化理念，為設(shè)計(jì)、深化、施工提供了有效理論支撐。