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：作為上海地標性體育建筑，上海體育館將全面改造成符合“國際賽事之都”要求的市級公共體育文化中心。體育館改造主要難點又集中在保留下部結構前提下的屋面網(wǎng)架系統(tǒng)改造一一網(wǎng)架使用逾40年，跨度大，高度高，對保留結構保護要求嚴，社會影響大。本工程對于大型體育場館屋面網(wǎng)架改造方案的推進過程，對于改造方案的綜合比對及實施方案的比選，可為以后類似工程提供了借鑒案例。1項目背景上海在競技體育方面以打造“國際賽事之都”為發(fā)展目標。東亞體育中心作為上海標志性體育設施，在設施能級、環(huán)境品質、賽事類型與組織等方面都存在一定差距。為促進上海體育事業(yè)的進一步發(fā)展，將東亞體育中心改造為徐家匯體育公園，推進地區(qū)功能升級和環(huán)境改善。2016年5月，市領導調研徐家匯體育公園時提出“要面向未來，站在更高的起點，讓它重新煥發(fā)城市的功能，重新成為面向未來的新地標，既能夠舉辦重要頂級國際賽事，又可以日常服務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于加快發(fā)展體育產(chǎn)業(yè)促進體育消費的實施意見》也明確提出上海將努力打造世界一流的國際體育賽事之都、國內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。圖1體育公園鳥瞰圖2上海體育館改造目標改造后的體育館定位為“上海體育文化展示和創(chuàng)新競演的標桿”，體育館改造后將成為本市室內綜合體育國際賽事場館，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賽事和文化演藝活動的體育建筑，并可引進拳擊、自由搏擊、電子競技等娛樂性、觀賞性強的新興體育賽事，同時滿足各種文藝演出的需要，提供更加多樣化的體育文化內容。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)劃建筑設計院1973年至1974年間設計，上海市第八建筑工程公司于1975年建成，這座當年中國規(guī)模最大、設施最先進、功能最齊全的體育館不僅成為了上海這座城市的新坐標，在世界上也處于領先水平。場館平面呈圓形，由內圈主館和外圈單層輔房構成，兩者間設有沉降縫，結構相互獨立。1975年建成時主館正中為比賽場地，四周為環(huán)形看臺，南側看臺中部設有主席臺、北側中部設有裁判臺，主席臺和裁判臺下設有一層地下室，比賽場地下設地壟墻架空。場館1999年改造為上海大舞臺，北側將近1/4的看臺及看臺下空間被拆除改造成舞臺結構，地上面積大為縮小，場館逐漸喪失了體育賽事功能，轉變成了一個以文化演藝功能為主的室內場館。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)點網(wǎng)架結構，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。支撐以內網(wǎng)架高6m，支撐處減為3.6m，在挑口處改為0.68m。混凝土構件主要為預制構件，構件之間通過預埋件焊接、預埋鋼筋焊接、節(jié)點空隙澆筑細石混凝土的方式進行連接?，F(xiàn)狀網(wǎng)架為正三角形三向桁架體系，由邊長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。結構桿件規(guī)格主要D48X3.0?D194X11.0的鋼管，鋼球為規(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工程，將全面改造成符合“國際賽事之都”要求的市級公共體育文化中心。為此業(yè)主對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)架跨中需要增設斗屏（固定斗屏自重15噸；業(yè)主和外方建筑強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滿跨設置鋁鎂錳直立鎖邊屋面系統(tǒng)，并滿足目前新規(guī)范對屋面保溫的要求，新建屋面的保溫構造層自重將大于原有屋面自重；③建筑設計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、風管荷載均略高于原設計值。經(jīng)過新老設計荷載對比，本次改造屋蓋荷載增加較多。經(jīng)計算，有2800根桿件承載力不足（原網(wǎng)架結構共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，從一線設計到眾多鋼結構領域專家，他們綜合分析幾經(jīng)研討，最終從原位加固、預應力索、新增桁架、拆除替換、拆除重建五個方案中篩選出了拆除重建這個最終方案。這個方案雖然只有短短的四個字，但它的背后卻凝聚了上海土木工程領域眾多工程師及專家的心血，是綜合考慮經(jīng)濟效應、施工可行性及社會影響度的智慧結晶。最初的結構設計采用的是“原位加固”的方案（方案一），強度不足的弦桿與腹桿，采用外套鋼管且兩端與球節(jié)點焊接；穩(wěn)定不足的弦桿采用外套鋼管且兩端與球節(jié)點不焊，腹桿采用增設側向鋼管支撐。但在2018年2月份召開的結構超限評審會上，專家提出“加固方案除滿足結構的使用要求和抗震要求外，應結合施工方案，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)濟性較差，是否還有更簡單且經(jīng)濟、可行的加固方法宜作進一步比選、論證”。應專家的要求，設計方又提出了以下四種加固改造方案：1）預應力索（方案二）：采用在主桁架下設豎向撐桿、張拉預應力拉索的方法，對原有網(wǎng)架結構提供支撐反拱，拉索兩端固定在混凝土柱頂。但仍存在大量需加固的構件。2）新增桁架（方案三）：在原網(wǎng)架的外圍新增桁架結構，與原網(wǎng)架獨立，新增桁架上下弦桿分別置于原網(wǎng)架上、下兩側。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。新增桁架用以承擔斗屏、馬道、風管荷載；若建筑要求設置吊頂，吊頂荷載也由新增桁架承擔。屋面荷載與風荷載仍由原網(wǎng)架承擔。通過新增桁架承擔部分荷載后，原網(wǎng)架在其余荷載作用下仍需要進行加固，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，采用若干臺塔吊整體起吊平移放到地面，在地面對計算不滿足的桿件進行切割、拆除、替換。4）折除重建（方案五）：采用36根徑向鋼結構平面鋼管桁架方案，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)結構相連，環(huán)向通過若干環(huán)桁架形成一個整體。針對以上共五種加固方案，設計方與業(yè)主、總包以及加固顧問進行了多次討論，并于2018年5月28日邀請到多位專家召開了“屋蓋鋼結構方案比選專家咨詢會”，對上述五種方案進行了可行性對比。各方案的經(jīng)濟技術指標見表1所示。表1體育館鋼屋蓋加固方案對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，構造簡潔，自重較輕，施工簡便，安全性高，耐久性好，可滿足業(yè)主對體育館功能的全部要求，且總造價最低，工期也較短。從使用功能、安全性、工期以及造價等各方面考慮，“拆除重建”方案均優(yōu)于其他方案，因此選擇“拆除重建”的方案作為最終實施6網(wǎng)架拆除重難點網(wǎng)架拆除的重點和難點在于如何確保整個拆除過程的安全性，做到萬無一失。現(xiàn)狀網(wǎng)架為正三角形三向球節(jié)點桁架體系，結構桿件、球節(jié)點多，屬于高次超靜定結構，受力復雜，網(wǎng)架的拆除方式和拆除順序直接影響到網(wǎng)架的內力重分布，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鍵。目前社會上部分人認為：雖說跨度124.6m的上海體育館在當時是規(guī)模最大、設施最先進、功能最齊全……占了許多全國第一，甚至世界第一，可是，從我國現(xiàn)在的設計、施工以及機械的水平來說難度都不是很大。這種觀點忽略了幾個很重要的問題：（1）上海體育館是上世紀70年代建造的，當時人民的生活水平不高，物資匱乏。根據(jù)體育館的結構設計師林穎儒先生回憶，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，他們通過計算，幾乎把材料的性能在規(guī)范允許的范圍內發(fā)揮到了極致，幾乎做到了用料最省（設計荷載：支撐以外200kN/m%支撐以內250kN/m2。而且這批鋼材在高應力下工作了40多年，材性有無發(fā)生變化，既無可靠依據(jù)，又無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條地鐵線路及內環(huán)高架，場地周邊均屬交通要道，人流密集，社會關注度高，屬環(huán)境敏感區(qū)域，現(xiàn)場周邊可用場地空間狹小，在如此諸多苛刻的條件下，不僅要做到最高標準的安全文明施工，還要從更高一層的社會影響度考慮施工的可行性。（3）體育館中心區(qū)域為地壟墻架空，承載能力極為有限，甚至連中型的施工機械也無法發(fā)揮作用。（4）雖然網(wǎng)架結構的拆除屬于破壞性拆除，但因為原混凝土結構需要保留、加固，所以從總體上講它更屬于保護性拆除，這將大大增加拆除的難度。（5）需要相關專業(yè)技術人員按照既定的拆除方法及拆除順序進行受力分析，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，進而確保拆除過程中每個工況中的桿件均滿足要求。拆出順序不可隨意改動，如需改動，必須重新進行仿真分析。綜上所述：本工程網(wǎng)架的拆除與其他工程的網(wǎng)架拆除無論是規(guī)模上還是難度上都有本質的不同，因此應該格外重視，必須謹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)架結構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整體下放逐級分段拆除。其中較為常規(guī)的兩種方案：整體拆除、滿堂腳手架散拆。針對本項目及周邊環(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)架均布受力點基本不可能找到，假設吊到薄弱點，可能會把整個網(wǎng)架拉塌。如果按照常規(guī)應起吊支座點，但是網(wǎng)架中間撓度可能過大導致網(wǎng)架變形甚至折斷。內蒙曾經(jīng)出現(xiàn)過類似事故。即使能吊起來也會變形很大，假定變形滿足，也沒法平移，垂直起吊簡單，水平位移最難控制的，而且場內可用場地太小，網(wǎng)架取下也無處安放。（2）滿堂腳手架散拆的弊端所需腳手架數(shù)量巨大，經(jīng)過測算大約需要23萬m3。腳手架搭設及拆除工期較長，且在滿堂架存在期間，室內其他流水施工基本無法進行，體育整體改建改建工期將大大延長。腳手架只是操作平臺，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，將會產(chǎn)生很大的變形，安全隱患巨大?，F(xiàn)有的三臺塔吊無法覆蓋中心區(qū)域，人工高空搬運效率低下。通過對現(xiàn)場施工條件及現(xiàn)有結構布置的深入分析，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”將屋頂網(wǎng)架采取“整體下放逐級分段拆除”的施工工藝進行拆除，同時新的屋頂網(wǎng)架按照拆除的逆序，采取累積提升的施工工藝進行安裝。相較其他方案而言，其優(yōu)勢如下：拆除及安裝共用一套提升措施，總體措施費用小，腳手架（支架）搭設數(shù)量小。核心環(huán)在地面拼裝，模臺搭設方便，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與信息化的監(jiān)測措施相結合的方法全程監(jiān)測網(wǎng)架的應力、應變以及位移的變化，并結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，塔吊負責環(huán)向桿件拼裝，起重設備利用率高，總工期較短。網(wǎng)架拆除及桁架與安裝，均不影響看臺下方其它區(qū)域的施工。因此，本