中國(guó)國(guó)家大劇院結(jié)構(gòu)施工工序（全面）

1、高科技的“蛋” 中國(guó)國(guó)家大劇院,中國(guó)國(guó)家大劇院,中國(guó)國(guó)家大劇院位于北京市中心天安門(mén)廣場(chǎng)西，人民大會(huì)堂西側(cè)，西長(zhǎng)安街以南，由國(guó)家大劇院主體建筑及南北兩側(cè)的水下長(zhǎng)廊、地下停車(chē)場(chǎng)、人工湖、綠地組成，總占地面積11.89萬(wàn)平方米，總建筑面積約16.5萬(wàn)平方米，其中主體建筑10.5萬(wàn)中國(guó)國(guó)家大劇院標(biāo)志平方米，地下附屬設(shè)施6萬(wàn)平方米，總投資額26.88億人民幣（大劇院最新公布的造價(jià)數(shù)字是31億元人民幣）。,設(shè)計(jì)師簡(jiǎn)介 保羅安德魯（Paul Andreu），1938年出生于法國(guó)波爾多市附近的岡戴昂，畢業(yè)于法國(guó)高等工科學(xué)校（1961年）、法國(guó)道橋?qū)W院（1963）和巴黎美術(shù)學(xué)院（1968年）。1967年，他設(shè)計(jì)

2、了圓形的巴黎戴高樂(lè)機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓。從此，作為巴黎機(jī)場(chǎng)公司的首席建筑師，他設(shè)計(jì)了尼斯、雅加達(dá)、開(kāi)羅、上海等國(guó)際機(jī)場(chǎng)，日本關(guān)西國(guó)際機(jī)場(chǎng)的基本概念也出自安德魯之手。他參與過(guò)許多大型項(xiàng)目的建設(shè)，像巴黎德方斯地區(qū)的大拱門(mén)、英法跨海隧道的法方終點(diǎn)站等。1999年，安德魯領(lǐng)導(dǎo)的巴黎機(jī)場(chǎng)公司與清華大學(xué)合作，經(jīng)過(guò)兩輪競(jìng)賽三次修改，在中國(guó)國(guó)家大劇院國(guó)際競(jìng)賽中36個(gè)設(shè)計(jì)單位的69個(gè)方案中奪標(biāo)。1999年7月，獲選為最終的建設(shè)方案。安德魯曾說(shuō)“我想打破中國(guó)的傳統(tǒng)，當(dāng)你要去劇院，你就是想進(jìn)入一塊夢(mèng)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?！爸袊?guó)國(guó)家大劇院要表達(dá)的，就是內(nèi)在的活力，是在外部寧?kù)o籠罩下的內(nèi)部

3、生機(jī)。一個(gè)簡(jiǎn)單的雞蛋殼，里面孕育著生命。這就是我的設(shè)計(jì)靈魂：外殼、生命和開(kāi)放。” 擔(dān)任設(shè)計(jì)的是法國(guó)機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)師安德魯，他從來(lái)沒(méi)有設(shè)計(jì)歌劇院的經(jīng)驗(yàn)，而他主持設(shè)計(jì)的法國(guó)戴高樂(lè)機(jī)場(chǎng)候機(jī)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(guó)巴黎檢控官辦公室5月29日表示，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)戴高樂(lè)機(jī)場(chǎng)新翼客運(yùn)大樓的總建筑師安德魯涉嫌在贏得中國(guó)北京國(guó)家大劇院投標(biāo)過(guò)程中舞弊，法國(guó)當(dāng)局2003年7月開(kāi)始進(jìn)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(duì)殼進(jìn)行研究反洗核試驗(yàn)則是在19

4、世界才開(kāi) 殼進(jìn)行研究反洗核試驗(yàn)則是在19世界才開(kāi) 始的.在20世紀(jì)初葉,殼體結(jié)構(gòu)的發(fā)展一 始的.在20世紀(jì)初葉,殼體結(jié)構(gòu)的發(fā)展一 直是緩慢的.主要因?yàn)橛?jì)算復(fù)雜.第二次 世界大戰(zhàn)期間和戰(zhàn)后才發(fā)展起來(lái) 殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)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(hù)大跨度的空間而不需 能覆蓋或圍護(hù)大跨度的空間而不需 中間支柱,能兼承重結(jié)構(gòu)和圍護(hù)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(mǎn)足各功能要求,殼體結(jié)構(gòu),世界之最,世界最大穹頂 國(guó)家大劇院整個(gè)殼體鋼結(jié)構(gòu)重達(dá)6475噸，東西向長(zhǎng)軸跨度212.2米，是目前世界上最大的頂。 世界最深建筑 國(guó)家大

5、劇院地下最深處為-32.5米，相當(dāng)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(lè)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(jià)達(dá)3000萬(wàn)元。,。,國(guó)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(jìn)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(shí)，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，

6、以上各個(gè)區(qū)域在吊裝階段處于不同的標(biāo)高位置，其中： 吊裝區(qū) 位于-6.750 標(biāo)高位置； 構(gòu)件第一拼裝區(qū) 位于-9.000 標(biāo)高位置； 構(gòu)件第二拼裝區(qū) 位于0.000 標(biāo)高位置和位于-7.000 標(biāo)高位置； 大型機(jī)械和構(gòu)件進(jìn)出場(chǎng)信道 位于0.000 標(biāo)高位置。 各施工區(qū)域劃分及標(biāo)高位置見(jiàn)圖3。,整個(gè)殼體鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件平面分布情況見(jiàn)圖4；考慮到設(shè)計(jì)要求及 結(jié)構(gòu)體形特點(diǎn)，吊裝作業(yè)劃分為五個(gè)區(qū)域，安排多臺(tái)起重機(jī)分別進(jìn)行 綜合吊裝。五個(gè)作業(yè)區(qū)域的具體劃分如下：,CC2800（600t）履帶式起重機(jī)（一臺(tái)）：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

7、點(diǎn)中心位置在土建坐標(biāo)（0.000，+86.000），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(tái)。再恢復(fù)使用SFSL 性能，在原位進(jìn)行梁架吊裝。最后在殼體安裝 完成后拆除M440D 塔式起重機(jī)。（見(jiàn)圖5）,各吊機(jī)吊裝范圍,施工時(shí)剖面圖,國(guó)家大劇院鋼殼體結(jié)構(gòu)呈半橢球形,其長(zhǎng)軸(東西向) 長(zhǎng)212120m ,短軸(南北向) 長(zhǎng)143164m ,建筑總高度為461285m。鋼殼體結(jié)構(gòu)由頂環(huán)梁、梁架(分長(zhǎng)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(zhǎng)軸長(zhǎng)約60m ,短軸長(zhǎng)約38m ,由環(huán)形鋼管、箱形梁以及H 型鋼等構(gòu)件組成。長(zhǎng)軸

8、梁架由H 型鋼拼焊而成,短軸梁架用60mm 厚鋼板拼焊而成。梁架呈中心對(duì)稱(chēng)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(hào)由正北開(kāi)始,往西依次為W01W74 ,往東依次為E01E74 ,在正南匯合。國(guó)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(gè)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(guó)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(wàn)平方米，沒(méi)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、

9、大為中華第一，但 它同時(shí)也是大跨度空間結(jié)構(gòu)中單位用 鋼量最少的，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(huì)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(jì)理念。鋼梁接觸地面的一 端允許相應(yīng)滑動(dòng)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的最大變 形度大約為20厘米。 戴高樂(lè)機(jī)場(chǎng)和國(guó)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(lè)機(jī)場(chǎng)是鋼筋混凝材質(zhì)的筒殼結(jié)構(gòu)。 而國(guó)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(gè)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

10、取一系列措施,來(lái)保證過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全,其中包括設(shè)置必要的支撐與支架,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(gè)部 分。鋼殼體梁架的吊裝順序如表1 所示。臨時(shí)支撐的拆除方案須通過(guò)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(gè)施工工況,整個(gè)殼體鋼結(jié)構(gòu)東西長(zhǎng)212.20m，南北長(zhǎng)143.64m，高約46m，中間無(wú)一柱子。鋼結(jié)構(gòu)總重約6750t，殼體表面積約3.5萬(wàn)m2。每平米重約193kg。,短軸可見(jiàn)區(qū)域的梁架截面僅為60mm鋼板制作的板梁，不可見(jiàn)區(qū)域?yàn)樯舷乱砭壊坏葘挼暮附親型鋼截面（100mm,160mm）整體線性屈曲特征值僅3.5左右，按照國(guó)內(nèi)規(guī)范，是通

11、不過(guò)的。換句話說(shuō)，按照國(guó)內(nèi)規(guī)范，用鋼量將遠(yuǎn)超6750t。原設(shè)計(jì)用鋼量將達(dá)8萬(wàn)噸。,長(zhǎng)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(zhǎng)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(jī)械施工公司進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)兩年的技術(shù)準(zhǔn)備，先后攻克了殼體施工過(guò)程中整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、曲面結(jié)構(gòu)高精度測(cè)量、百米超遠(yuǎn)距離吊裝等一系列難題，形成了一整套與國(guó)家大劇院結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相吻合的“中國(guó)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(shí)候曾經(jīng)用過(guò)） 節(jié)

12、點(diǎn)全部都是焊接，就是焊接兩個(gè)半球，中間混凝土早就做好了,國(guó)家大劇院殼體鋼結(jié)構(gòu)安裝之第一件頂環(huán)梁區(qū)域鋼箱梁構(gòu)件尺寸：長(zhǎng)約38m，重約35t。吊裝機(jī)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(guò)程帶了相應(yīng)的難度，對(duì)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(lái)的是精度上苛刻，工人對(duì)每一個(gè)安裝好的梁架進(jìn)行測(cè)量，保證其偏差的值在允許的范圍內(nèi)，對(duì)有偏差的進(jìn)行矯正，以保證工程的順利進(jìn)行。,南面合攏儀式 伴隨著南面合攏儀式的舉行標(biāo)志著國(guó)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(guó)家大劇院內(nèi)部鋼梁交錯(cuò)帶來(lái)的特殊光影效果產(chǎn)生的視

13、覺(jué)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-ZIP鋁合金龍骨系統(tǒng)上的2萬(wàn)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(gè)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(gè)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(dāng)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(wèn)題最初也被視為技術(shù)難點(diǎn)。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

14、會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生變形，鋼結(jié)構(gòu)一鬧別扭，原來(lái)裝得嚴(yán)絲合縫的玻璃，也會(huì)變得參差不齊。這個(gè)問(wèn)題是所有幕墻施工時(shí)都會(huì)遇到的，施工中鋼結(jié)構(gòu)變形的實(shí)際情況是:總的脹縮量較大，但經(jīng)過(guò)平均，分擔(dān)在每一部分上的脹縮量就很小了。比如穹頂上環(huán)梁計(jì)算脹縮量為8厘米，但是平均到環(huán)梁周長(zhǎng)上的每個(gè)點(diǎn)，鋼材脹縮量?jī)H為零點(diǎn)零幾毫米，并不影響大局。,鈦金屬板細(xì)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(gè)結(jié)點(diǎn)要穿過(guò)屋頂防水層，所以，如何確保這5000多結(jié)點(diǎn)個(gè)個(gè)都“滴水不漏”，對(duì)施工質(zhì)量也提出了很高的要求。,工人開(kāi)始安裝國(guó)家大劇院外的鈦金屬板，工程也隨之進(jìn)入到了殼體外表皮的安裝，鈦金屬的使用使得建筑遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(diǎn) 預(yù)制的特殊構(gòu)件,國(guó)家大劇院殼體玻璃部分連接兩個(gè)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(wèn)題最初也被視為技術(shù)難點(diǎn)。通過(guò)工程師的和工人的合作最總也等到了解決。,建筑建造的過(guò)程中對(duì)于成品的保護(hù)至關(guān)重要，成品的質(zhì)量直接影響到建筑的外觀，進(jìn)而影響到建筑的藝術(shù)表現(xiàn)，在完成所有的裝配過(guò)程以后，工人們開(kāi)始一