中國(guó)國(guó)家大劇院結(jié)構(gòu)施工工序

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、地下停車場(chǎng)、人工湖、綠地組成，總占地面積11.89萬平方米，總建筑面積約16.5萬平方米，其中主體建筑10.5萬中國(guó)國(guó)家大劇院標(biāo)志平方米，地下附屬設(shè)施6萬平方米，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（PaulAndreu），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)了圓形的巴黎戴高樂機(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。他參與過許多大型項(xiàng)目的建設(shè)，像巴黎德方斯地區(qū)的大拱門、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“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，是在外部寧靜籠罩下的內(nèi)部生機(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、生命和開放?！睋?dān)任設(shè)計(jì)的是法國(guó)機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)師安德魯，他從來沒有設(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)過程中舞弊，法國(guó)當(dāng)局2003年7月開始進(jìn)行初步調(diào)查。

殼體結(jié)構(gòu)shellstructure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世界才開殼進(jìn)行研究反洗核試驗(yàn)則是在19世界才開始的.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，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)高位置見圖3。整個(gè)殼體鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件平面分布情況見圖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）履帶式式起重機(jī)（一臺(tái)））：先采用超起（（SFSL）性能，接60m主主臂84m副臂臂，后掛300t超起配重，停停在殼體北面，定定點(diǎn)中心位置在土建建坐標(biāo)（0.000，+86.000），跨外綜綜合吊裝，完成第第一作業(yè)區(qū)域施工；然然后向北退8m，，采用SW性能能，安裝M440D塔吊二臺(tái)。再恢復(fù)使用SFSL性能，，在原位進(jìn)行梁架架吊裝。最后在殼殼體安裝完成后拆除M440D塔式起重重機(jī)。（見圖5））各吊機(jī)吊裝范圍施工時(shí)剖面圖國(guó)家大劇院鋼殼體體結(jié)構(gòu)呈半橢球形形,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)由頂頂環(huán)梁、梁架(分長(zhǎng)軸梁架與短軸軸梁架)、斜撐和環(huán)向連系系桿件組成。其中中頂環(huán)梁呈橢圓形形,長(zhǎng)軸長(zhǎng)約60m,短軸長(zhǎng)約38m,由環(huán)形鋼管、箱形形梁以及H型鋼等構(gòu)件組成。。長(zhǎng)軸梁架由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)稱稱輻射狀布置。斜斜撐與連桿采用140～195的鋼管制作。連桿桿沿水平環(huán)向布置置,上下、里外共82道,并采用鑄鋼連接件件或套筒連接件與與梁架連接。鋼殼殼體平面如圖1所示,梁架編號(hào)由正北開開始,往西依次為W01～W74,往東依次為E01～E74,在正南匯合。國(guó)家家大劇院的鋼殼體體為超大型空間結(jié)結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)體量大,整個(gè)結(jié)構(gòu)待殼體完完全形成后,方為穩(wěn)定的空間結(jié)結(jié)構(gòu)。因而,在施工階段保證結(jié)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全全至關(guān)重要。國(guó)家大劇院大劇劇院的殼體鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)總重6750噸，網(wǎng)殼面積3.5萬平方米，沒有一一根立柱支撐，，全靠148榀弧型鋼梁承重。雖然這一殼體體的高、重、大為為中華第一，但它它同時(shí)也是大跨跨度空間結(jié)構(gòu)中單單位用鋼量最少少的，每平方米不不到200公斤，僅為盧浮浮宮鋼結(jié)構(gòu)每平方方米用鋼的三分分之一。如此“輕輕便”的穹頂大大大減少了承重鋼鋼梁的壓力，建筑筑物的安全系數(shù)數(shù)將會(huì)很高。另外外，考慮到風(fēng)、雪雪、地震等自然然因素，殼體鋼結(jié)結(jié)構(gòu)還體現(xiàn)了柔柔性設(shè)計(jì)理念。鋼鋼梁接觸地面的一一端允許相應(yīng)滑滑動(dòng)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的的最大變形度大大約為20厘米。戴戴高樂樂機(jī)場(chǎng)和和國(guó)家大大劇院雖雖然同為為拱型型結(jié)構(gòu)，，受力原原理卻是是大相徑徑庭，戴戴高樂樂機(jī)場(chǎng)是是鋼筋混混凝材質(zhì)質(zhì)的筒殼殼結(jié)構(gòu)。。而國(guó)國(guó)家大劇劇院則是是空間雙雙層網(wǎng)殼殼結(jié)構(gòu)，，這一一結(jié)構(gòu)更更完整，，更純粹粹。整個(gè)鋼殼殼體共有有148榀梁架,由于在安安裝程中中,殼體未形形成穩(wěn)定定的結(jié)構(gòu)構(gòu)體系,因此必須須采取一一系列措措施,來保證過過程中的的結(jié)構(gòu)安安全,其中包括括設(shè)置必必要的支支撐與支支架,以及采用用合理的的安裝順順序等。。鋼殼體的的施工包包括吊裝裝階段和和卸載階階段兩個(gè)個(gè)部分。鋼殼殼體梁架架的吊裝裝順序如如表1所示。臨臨時(shí)支撐撐的拆除除方案須須通過分分析予以以確定。。根據(jù)施施工方案案,將吊裝階階段按表表1相應(yīng)劃分分為20個(gè)施工工工況整個(gè)殼體體鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)東西長(zhǎng)長(zhǎng)212.20m，南北長(zhǎng)長(zhǎng)143.64m，高約46m，中間無無一柱子子。鋼結(jié)結(jié)構(gòu)總重重約6750t，殼體表表面積約約3.5萬m2。每平米米重約193kg。短軸可見見區(qū)域的的梁架截截面僅為為60mm鋼板制作的板板梁，不不可見區(qū)區(qū)域?yàn)樯仙舷乱砭壘壊坏葘拰挼暮附咏親型鋼截面面（100mm,160mm）整整體線性性屈曲特特征值僅僅3.5左右，按照國(guó)國(guó)內(nèi)規(guī)范范，是通不過的的。換句話話說，按按照國(guó)內(nèi)內(nèi)規(guī)范，，用鋼量量將遠(yuǎn)超超6750t。原原設(shè)設(shè)計(jì)用用鋼量量將達(dá)達(dá)8萬噸。。長(zhǎng)軸梁梁架分分段短軸梁架架分段段頂環(huán)梁梁分段段安裝裝示意意圖梁架(短軸軸)分分段安安裝示示意圖圖梁架(長(zhǎng)軸軸)分分段安安裝示示意圖圖下段梁梁架吊吊裝步步驟下段梁梁架吊吊裝步步驟梁架安安裝順順序示示意圖圖上海建建筑工工程總總公司司機(jī)械械施工工公司司進(jìn)行了了長(zhǎng)達(dá)達(dá)兩年年的技技術(shù)準(zhǔn)準(zhǔn)備，，先后后攻克克了殼殼體施施工過過程中中整體體結(jié)構(gòu)構(gòu)穩(wěn)定定、曲曲面結(jié)結(jié)構(gòu)高高精度度測(cè)量量、百百米超超遠(yuǎn)距距離吊吊裝等等一系系列難難題，，形成成了一一整套套與國(guó)國(guó)家大大劇院院結(jié)構(gòu)構(gòu)特點(diǎn)點(diǎn)相吻吻合的的“中中國(guó)式式”的的科學(xué)學(xué)施工工方案案。施工順順序：鋼架分分為頂頂部和和底部部，先先做頂部，然后后底部分成三三段吊吊裝全部都都是腳腳手架架，腳腳手架架是那那種球球交的的（可可能在在廣州州較早早的"63層"的時(shí)候候曾經(jīng)經(jīng)用過過）節(jié)點(diǎn)全全部都都是焊焊接，，就是是焊接接兩個(gè)個(gè)半球球，中中間混混凝土土早就就做好好了國(guó)家大劇院院殼體鋼結(jié)結(jié)構(gòu)安裝之之第一件——頂環(huán)梁區(qū)域域鋼箱梁構(gòu)構(gòu)件尺寸寸：長(zhǎng)約38m，重約35t。吊裝機(jī)械械：DEMAG

CC2800600t履帶吊，吊吊裝高度約約45m。由頂部到底底部施工順順序給施工工的過程帶帶了相應(yīng)的的難度，對(duì)對(duì)鋼構(gòu)件的的結(jié)合精度度帶了更高高的要求。。鋼架位置矯矯正結(jié)構(gòu)特殊要要求帶來的的是精度上上苛刻，工工人對(duì)每一一個(gè)安裝好好的梁架進(jìn)進(jìn)行測(cè)量，，保證其偏偏差的值在在允許的范范圍內(nèi)，對(duì)對(duì)有偏差的的進(jìn)行矯正正，以保證證工程的順順利進(jìn)行。。南面合攏儀儀式伴隨著南面面合攏儀式式的舉行標(biāo)標(biāo)志著國(guó)家家大劇院的的主體殼體體鋼骨架結(jié)結(jié)構(gòu)的完成成北面合攏殼體鋼架完完成好的國(guó)國(guó)家大劇院院內(nèi)部鋼梁梁交錯(cuò)帶來來的特殊光光影效果產(chǎn)產(chǎn)生的視覺覺沖擊力給給人留下了了深刻的影影響。殼體表皮皮安裝在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)之上，，作為屋屋面的殼殼體最外外層由鋪鋪設(shè)在KAL-ZIP鋁合金龍龍骨系統(tǒng)統(tǒng)上的2萬多塊鈦鈦金屬板板和1200多塊大小小不等的的有色玻玻璃幕墻墻組成。。鈦鈦金屬板板的厚度度只有0.44毫米，既既輕且薄薄，如同同一張薄薄薄的紙紙，因此此，下面面必須有有一個(gè)由由復(fù)合材材料制成成的襯板板；每一一塊襯板板也將切切割成與與其上的的鈦金屬屬板同樣樣大小的的尺寸，，工作量量非常大大。由于于殼體的的橢圓造造型，每每一塊鈦鈦板都變變成一個(gè)個(gè)雙曲面面，面積積、尺寸寸、曲率率都不同同，因此此，安裝裝角度總總在變化化，施工工難度也也就相當(dāng)當(dāng)大。由由于于鋼材與與玻璃的的膨脹系系數(shù)差異異很大，，鋼材與與玻璃的的結(jié)合問問題最初初也被視視為技術(shù)術(shù)難點(diǎn)。。一方面面玻璃要要安裝得得非常精精確；另另一方面面，裝上上玻璃的的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)往往會(huì)會(huì)在一段段時(shí)間內(nèi)內(nèi)產(chǎn)生變變形，鋼鋼結(jié)構(gòu)一一鬧別扭扭，原來來裝得嚴(yán)嚴(yán)絲合縫縫的玻璃璃，也會(huì)會(huì)變得參參差不齊齊。這個(gè)個(gè)問題是是所有幕幕墻施工工時(shí)都會(huì)會(huì)遇到的的，施工工中鋼結(jié)結(jié)構(gòu)變形形的實(shí)際際情況是是:總的脹縮縮量較大大，但經(jīng)經(jīng)過平均均，分擔(dān)擔(dān)在每一一部分上上的脹縮縮量就很很小了。。比如穹穹頂上環(huán)環(huán)梁計(jì)算算脹縮量量為8厘米，但但是平均均到環(huán)梁梁周長(zhǎng)上上的每個(gè)個(gè)點(diǎn)，鋼鋼材脹縮縮量?jī)H為為零點(diǎn)零零幾毫米米，并不不影響大大局。鈦金屬板板細(xì)部鈦金屬板板的厚度度只有0.44毫米，既既輕且薄薄，如同同一張薄薄薄的紙紙鈦金屬板板與鋼梁梁的交接接處構(gòu)造造由于支撐撐鈦金屬屬板的鋼鋼結(jié)構(gòu)中中有5000多個(gè)結(jié)點(diǎn)點(diǎn)要穿過過屋頂防防水層，，所以，，如何確確保這5000多結(jié)點(diǎn)個(gè)個(gè)個(gè)都““滴水不不漏”，，對(duì)施工工質(zhì)量也也提出了了很高的的要求。。工人開始始安裝國(guó)國(guó)家大劇劇院外的的鈦金屬屬板，工工程也隨隨之進(jìn)入入到了殼殼體外表表皮的安安裝，鈦鈦金屬的的使用使