創(chuàng)新大跨度屋蓋鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計管理研究

陶幗雄

（上海市市政工程建設(shè)發(fā)展有限公司，上海市 200025）

0 引 言

為達(dá)成建筑效果，保障觀賽體驗(yàn)，體育場館屋蓋設(shè)計需追求更簡潔的結(jié)構(gòu)形式、更高效的受力體系，大跨度空間結(jié)構(gòu)體系成為發(fā)展趨勢和潮流。有學(xué)者對國內(nèi)體育場館的大跨度空間結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最早得到發(fā)展，桁架結(jié)構(gòu)和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)次之，膜結(jié)構(gòu)發(fā)展得最晚[1]。近年來，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工技術(shù)不斷發(fā)展，蘇州奧體中心體育場屋蓋采用單層索網(wǎng)加膜結(jié)構(gòu)，最大跨度達(dá)260 m；游泳館屋蓋采用107 m大跨度馬鞍形單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)[2]；西安奧體中心屋蓋采用肋環(huán)形雙層鋼網(wǎng)架，內(nèi)圈直徑達(dá)136.6 m，外圈直徑為204.6 m[3]；國家速滑館是北京2022年冬奧會的標(biāo)志性場館,其屋蓋結(jié)構(gòu)采用大跨度馬鞍形空間環(huán)桁架+單層雙向正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系，南北向跨度達(dá)198 m[4]。

與一般的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，大跨度體育場館結(jié)構(gòu)具有跨度大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣等特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計難度大，科技含量很高，在某些情況下存在超規(guī)范的問題[5]。同時因不同體育場館的外輪廓各有特色，差異明顯，每個項(xiàng)目的屋蓋結(jié)構(gòu)都有著自己獨(dú)特的受力體系，“個性化”非常強(qiáng)，參考同類結(jié)構(gòu)體系的意義不大，建設(shè)無經(jīng)驗(yàn)可依，為設(shè)計管理帶來了很大的難度。

針對建筑工程設(shè)計管理，孫林分析了設(shè)計方針對大型體育場館建筑工程設(shè)計的項(xiàng)目管理，重點(diǎn)探討了核心要素控制管理：設(shè)計項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)、設(shè)計質(zhì)量、設(shè)計進(jìn)度及設(shè)計成本[6]。韓蕾以代建制項(xiàng)目的設(shè)計管理活動作為研究對象，理論分析與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，對代建制項(xiàng)目設(shè)計管理過程中的若干環(huán)節(jié)進(jìn)行研究[7]。母曉琳結(jié)合建筑設(shè)計管理流程控制，分析了建筑設(shè)計環(huán)節(jié)控制要點(diǎn)，探討了建筑管理設(shè)計關(guān)鍵點(diǎn)的控制對策[8]。

綜上，當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者就一般建筑工程項(xiàng)目的設(shè)計管理進(jìn)行了大量的研究，但針對大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計管理方面的研究工作還較少。本文擬依托上海浦東足球場項(xiàng)目，著重探討創(chuàng)新大跨度屋蓋鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計管理，從設(shè)計質(zhì)量管控、設(shè)計進(jìn)度管控等兩個方面切入，形成系統(tǒng)化的管理思路和可復(fù)制的管理流程，為類似項(xiàng)目的設(shè)計管理提供借鑒作用。

1 工程概況

上海浦東足球場外輪廓為矩陣，以傳統(tǒng)輪輻式張拉結(jié)構(gòu)體系為基礎(chǔ)，突破性技術(shù)創(chuàng)新，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)體系采用量身定做的中置壓環(huán)輪輻式張拉結(jié)構(gòu)，為國內(nèi)首創(chuàng)。這一結(jié)構(gòu)體系在跨中設(shè)置橢圓形中置壓環(huán)，通過徑向索，V柱外肢，中置壓環(huán)和徑向梁，形成自平衡的輪輻式結(jié)構(gòu)體系。

根據(jù)看臺的形式，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)和看臺結(jié)構(gòu)呈輕微的馬鞍形，高差約為2.5 m，屋蓋外邊緣幾何尺寸為211 m×173.3 m，見圖1。整個體育場的立面高度約為24.5～26.9 m。

圖1 浦東足球場屋蓋示意圖

2 設(shè)計管理中存在的重難點(diǎn)

影響建筑設(shè)計質(zhì)量的客觀因素為：建設(shè)項(xiàng)目高周轉(zhuǎn)環(huán)境下，項(xiàng)目規(guī)模大、難度大、技術(shù)要求高、周期短[9]。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)行重難點(diǎn)梳理。

2.1 設(shè)計中應(yīng)用大量新材料、新技術(shù)

為保證屋蓋鋼結(jié)構(gòu)體系中搖擺柱、V柱、支撐屋蓋的BRB構(gòu)件等，能夠達(dá)到理想的兩端鉸接的二力桿，設(shè)計中采用了較多的新型材料和新型構(gòu)件，主要包括屈曲約束支撐，球鉸支座，關(guān)節(jié)軸承，全封閉索及鋼拉桿等。這些新型材料及節(jié)點(diǎn)不同于常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，需依據(jù)受力特點(diǎn)深化設(shè)計，聯(lián)系廠家定做，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證成品的安全性及可靠度。

2.2 理論計算存在局限性

屋蓋鋼結(jié)構(gòu)從施工到實(shí)際使用是一個動態(tài)變化的受力過程，理論計算是在人為設(shè)置的荷載條件進(jìn)行分析，僅能預(yù)估部分施工荷載影響，無法精準(zhǔn)計算，更無法精確考慮鋼構(gòu)件、支座的制作誤差和焊接殘余應(yīng)力，拉索彈性模量偏差、松弛及制作誤差等影響。

從其余大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)來看，理論計算的確存在局限性。張愛林制作了2008奧運(yùn)會羽毛球館1∶10縮尺模型，試驗(yàn)結(jié)果顯示：結(jié)構(gòu)在低荷載下，理論值與試驗(yàn)值吻合較好，但在超載狀態(tài)下兩者偏差顯著增大[10]。深圳大運(yùn)中心體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋通過1∶10縮比模型靜力加載試驗(yàn)，提示設(shè)計中應(yīng)加強(qiáng)環(huán)向拉桿在肩谷節(jié)點(diǎn)的連接和主次結(jié)構(gòu)的連接部位[11]。

2.3 屋蓋設(shè)計與專業(yè)足球場功能需求關(guān)聯(lián)度高

屋蓋部分不僅在外形輪廓上影響足球場的整體造型，更承載著多項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。比如搭載諸多附屬設(shè)備、實(shí)現(xiàn)上人、檢修功能的馬道；實(shí)現(xiàn)場內(nèi)照明功能的燈具系統(tǒng)；提供實(shí)況轉(zhuǎn)播、提升觀賽體驗(yàn)的大屏設(shè)備等。在屋蓋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方案深化過程中，需提前考慮到這些功能需求，預(yù)估相關(guān)設(shè)備的安裝位置及荷載等。

3 設(shè)計質(zhì)量管理措施

3.1 設(shè)計質(zhì)量管控流程

屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計有其獨(dú)特的屬性。一般結(jié)構(gòu)設(shè)計以施工圖為準(zhǔn)，現(xiàn)場施工即可。但屋蓋鋼結(jié)構(gòu)中大量的節(jié)點(diǎn)及構(gòu)件，具體做法與施工工序、工藝關(guān)聯(lián)度較大，僅憑一般項(xiàng)目的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，可能會存在“閉門造車”的問題，設(shè)計質(zhì)量不高，現(xiàn)場施工可行性低，將形成大量變更或簽證。

如圖2所示，擬定設(shè)計質(zhì)量管理流程為：設(shè)計單位把握結(jié)構(gòu)形式、受力體系等關(guān)鍵問題，施工單位進(jìn)行二次深化設(shè)計，細(xì)化各主要構(gòu)件和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，設(shè)計單位將這部分內(nèi)容落實(shí)到施工圖設(shè)計中，形成閉環(huán)。實(shí)際施工過程中，圖紙與現(xiàn)場實(shí)際施工實(shí)現(xiàn)高度匹配，基本沒有產(chǎn)生變更或簽證，印證了這一做法的科學(xué)和合理性。

圖2 設(shè)計質(zhì)量管控流程圖

3.2 理論計算、試驗(yàn)驗(yàn)證、監(jiān)測反饋的質(zhì)量管控系統(tǒng)

對新型結(jié)構(gòu)理論優(yōu)化設(shè)計方案和結(jié)構(gòu)分析計算結(jié)果進(jìn)行模型試驗(yàn)驗(yàn)證，確保結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性和適用性[9]，這一做法歷經(jīng)奧運(yùn)會羽毛球館、深圳大運(yùn)中心體育館等實(shí)踐考驗(yàn)，是保障屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量的有效手段。

在這一基礎(chǔ)上，結(jié)合專家意見補(bǔ)充了鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測環(huán)節(jié)，最終形成了理論計算分析、檢測試驗(yàn)驗(yàn)證、健康監(jiān)測反饋的質(zhì)量管控系統(tǒng)，突破理論計算局限性，確保創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系的可靠度。

3.2.1 理論計算（整體及抗震分析、節(jié)點(diǎn)模擬）

參照同類型場館屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計的思路，如上海東方體育中心綜合館，理論計算一般分為整體分析、抗震分析和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析[12]。整體分析中風(fēng)荷載依據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)選取，抗震分析充分消化專家評審意見。針對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，選取直接影響結(jié)構(gòu)體系安全性和可靠度的連接節(jié)點(diǎn)，如徑向梁與徑向索節(jié)點(diǎn)、徑向梁與轉(zhuǎn)換梁節(jié)點(diǎn)、徑向梁與壓環(huán)梁節(jié)點(diǎn)等，進(jìn)行建模分析，精準(zhǔn)模擬各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受力及變形情況。

3.2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證（原材料、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、模型試驗(yàn)）

為驗(yàn)證理論計算的準(zhǔn)確性，現(xiàn)場進(jìn)行大量檢測及試驗(yàn)，包括鋼絲、拉索等原材料出廠檢測、索夾、關(guān)節(jié)軸承等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力試驗(yàn)、中置壓環(huán)受壓穩(wěn)定試驗(yàn)、屋蓋整體模型試驗(yàn)等。這些檢測和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，是突破理論計算局限性的重要環(huán)節(jié)，有效保障鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計質(zhì)量及安全。

如環(huán)索徑向索連接節(jié)點(diǎn)，這一復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的中間耳板與加強(qiáng)板采用鋼材焊接，再將鑄鋼索夾節(jié)點(diǎn)焊在上面，焊接部位成為節(jié)點(diǎn)最薄弱處，理論計算無法細(xì)化至此，最終通過試驗(yàn)驗(yàn)證了成品焊縫質(zhì)量及可靠性。

3.2.3 健康監(jiān)測（反饋數(shù)據(jù)，印證理論計算）

中置壓環(huán)輪輻式結(jié)構(gòu)體系為國內(nèi)首創(chuàng)，屋蓋結(jié)構(gòu)跨度達(dá)211 m，遠(yuǎn)超規(guī)范規(guī)定的100 m，在超限評審意見中明確提出：需進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，用現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)印證理論計算的準(zhǔn)確性。

健康監(jiān)測結(jié)果表明：搖擺柱和V柱，支撐屋蓋的BRB構(gòu)件達(dá)到理想的兩端鉸接的二力桿，計算假定和實(shí)際受力一致。徑向梁、內(nèi)置壓環(huán)梁、柱頂圈梁等部件的應(yīng)力監(jiān)測值基本符合理論計算值。各索索力實(shí)測值與理論值的偏差約為-5.72%～12.69%。

3.3 準(zhǔn)確預(yù)估屋蓋附屬設(shè)施設(shè)備荷載

屋蓋鋼結(jié)構(gòu)將搭載馬道、大屏、燈具、橋架等大量的附屬設(shè)備，其荷載值預(yù)估過小影響結(jié)構(gòu)安全，預(yù)估過大則造成設(shè)計浪費(fèi)，是影響屋蓋結(jié)構(gòu)體系理論計算的重要因素。

以馬道為例，馬道需要較大的荷載能力才能滿足功能和安全需求，過低的荷載預(yù)留可能發(fā)生危險[13]。浦東足球場屋蓋建筑效果簡潔通透，要求附屬設(shè)施整合到一圈馬道中。但一圈馬道對設(shè)備的容納度有限，造成荷載過于密集，不利于整體結(jié)構(gòu)安全。最終落地的馬道方案在建筑效果、功能需求及結(jié)構(gòu)安全之間取得平衡，馬道形式為：采用一條主馬道(內(nèi)圈，可上人)，于南北大屏后對稱布置共四條徑向馬道；屋蓋四角設(shè)置輔助馬道（外圈，不上人），此處檢修采用吊掛式。

根據(jù)功能需求，組織各專業(yè)協(xié)同作戰(zhàn)，跨前一步，在方案階段梳理未來可能安裝的各類附屬設(shè)備，深入調(diào)研市場，收集相應(yīng)產(chǎn)品的規(guī)格參數(shù)，形成相對準(zhǔn)確的預(yù)估荷載參數(shù)，并同步作為二次招標(biāo)中的技術(shù)參數(shù)，確保采購的設(shè)備滿足荷載條件，規(guī)避了前期荷載預(yù)估不足的設(shè)計問題。

4 設(shè)計進(jìn)度管理措施

4.1 建立設(shè)計專項(xiàng)工作小組機(jī)制

項(xiàng)目部各職能部門中，設(shè)計管理部承擔(dān)著設(shè)計質(zhì)量管控的初審環(huán)節(jié)，但涉及到功能需求或者施工配合，還需各參建單位的集體參與和共同努力。為形成一個集中、高效的溝通會審機(jī)制，成立屋蓋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計專項(xiàng)工作小組，由建設(shè)單位、項(xiàng)目管理單位、鋼結(jié)構(gòu)專家團(tuán)隊(duì)，共同擔(dān)任工作小組管理層，由設(shè)計單位、施工單位（總包及鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)分包）、施工監(jiān)理等技術(shù)負(fù)責(zé)人擔(dān)任組員，見圖3。

圖3 設(shè)計工作小組架構(gòu)圖

工作小組機(jī)制為各參建單位形成一個高效的溝通平臺，優(yōu)化原有的長鏈條溝通流程，突破重難點(diǎn)問題無人決策的無效會議模式，大大縮短溝通時間，快速推動下一步工作開展，見圖4。

圖4 設(shè)計工作流程對比圖

4.2 創(chuàng)造有利條件，聚焦重點(diǎn)問題

風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果作為屋蓋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，其準(zhǔn)確性至關(guān)重要。為保障試驗(yàn)順利推進(jìn)，積極收集周邊地形信息，將周邊場地標(biāo)高和500 m范圍內(nèi)的建筑物標(biāo)高、輪廓、結(jié)構(gòu)形式等相關(guān)信息排摸清楚，為風(fēng)洞試驗(yàn)提供現(xiàn)場實(shí)際邊界條件數(shù)據(jù)，創(chuàng)造有利條件。

超限評審能否一次性順利通過將直接影響初步設(shè)計批復(fù)節(jié)點(diǎn)。超限評審所需資料中涉及到大量的抗震模擬計算，協(xié)調(diào)設(shè)計單位將人力、設(shè)備投入達(dá)到最大化，提前組織業(yè)內(nèi)專家開展預(yù)評審工作，進(jìn)一步完善設(shè)計細(xì)節(jié)，最終一次性順利通過抗震及超限技術(shù)評審。

5 結(jié) 語

本文依托上海浦東足球場項(xiàng)目，探討創(chuàng)新大跨度屋蓋鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計管理，梳理設(shè)計管理重難點(diǎn)工作，提出如下管控措施：

（1）設(shè)計質(zhì)量管控措施：依據(jù)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)，建立二次深化設(shè)計質(zhì)量管控流程。通過理論計算分析、檢測試驗(yàn)驗(yàn)證、健康監(jiān)測反饋的質(zhì)量管控思路，突破理論計算局限性。根據(jù)功能需求，準(zhǔn)確預(yù)估屋蓋附屬設(shè)施設(shè)備荷載

（2）設(shè)計進(jìn)度管控措施：成立屋蓋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計專項(xiàng)工作小組，形成一個集中、高效的溝通會審機(jī)制。創(chuàng)造有利條件，聚焦重點(diǎn)問題，提速設(shè)計進(jìn)程。實(shí)踐證明，上述措施有助于形成系統(tǒng)化的管理思路和可復(fù)制的管理流程，為類似項(xiàng)目的設(shè)計管理提供借鑒作用。