王自偉，李久林，蘇李淵，李劍星，陳利敏，袁 浩，駱建坡，陳 杰

(1.北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100088； 2.北京江河幕墻系統(tǒng)工程有限公司，北京 101300)

1 工程概況

國(guó)家速滑館位于北京奧林匹克公園規(guī)劃范圍內(nèi)，項(xiàng)目用地為北京2008年奧運(yùn)會(huì)臨時(shí)場(chǎng)館(曲棍球場(chǎng)、射箭場(chǎng))原址。規(guī)劃用地范圍約20hm2，建筑面積約8萬(wàn)m2，是北京 2022 年冬奧會(huì)的標(biāo)志性場(chǎng)館之一，也是冬奧會(huì)北京賽區(qū)唯一新建比賽場(chǎng)館。冬奧會(huì)后，該場(chǎng)館將成為舉辦滑冰、冰球等大型國(guó)際賽事及滿(mǎn)足廣大市民冰上活動(dòng)的多功能場(chǎng)館。封頂后的國(guó)家速滑館如圖1所示。

圖1 封頂后的國(guó)家速滑館

國(guó)家速滑館屋蓋采用單層雙向正交馬鞍形索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，南北向最大跨度 198m，東西向最大跨度 124m，標(biāo)高為 15. 800～33. 800m，支承于周圈鋼結(jié)構(gòu)環(huán)桁架上，環(huán)桁架外側(cè)設(shè)置幕墻拉索，是世界上類(lèi)似結(jié)構(gòu)中跨度和規(guī)模最大的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，給屋面施工增加了極大難度。其具有技術(shù)含量高、外形復(fù)雜、工程施工難度大、質(zhì)量要求高、工期緊等工程特點(diǎn)，要確保工程質(zhì)量、施工高效安全，施工方案設(shè)計(jì)與選擇是關(guān)健。故在施工時(shí)采用國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的大跨度馬鞍形索結(jié)構(gòu)單元式屋面板安裝施工工法，該工法具有簡(jiǎn)單、易操作、用人少、施工速度快等特點(diǎn)，為索網(wǎng)結(jié)構(gòu)等柔性屋面，尤其是大跨度柔性屋面結(jié)構(gòu)施工提供了一種新穎、靈活的施工方法。

2 工藝原理

由于國(guó)家速滑館屋面造型新穎、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大，該工法首先提出將速滑館屋面大跨度馬鞍形索網(wǎng)結(jié)構(gòu)柔性屋面系統(tǒng)分為單元板塊屋面、人字形天窗及直立鎖邊屋面。施工時(shí)劃分為3個(gè)區(qū)域(見(jiàn)圖2)，每個(gè)區(qū)域再劃分為多個(gè)小區(qū)域，分批次交叉作業(yè)，可達(dá)到施工區(qū)域安排的合理化、程序化、系統(tǒng)化，優(yōu)化了屋面安裝順序，縮短了工期。

圖2 屋面系統(tǒng)劃分平面

鑒于該屋面是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的大跨度柔性索網(wǎng)屋面，單元板塊系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，安裝在柔性索網(wǎng)屋面上方，不具備現(xiàn)場(chǎng)分層安裝條件，故采用預(yù)制單元板塊成品、現(xiàn)場(chǎng)安裝的施工方案。安裝時(shí)，創(chuàng)新性地采用單元板塊從索網(wǎng)單元格對(duì)角線起吊、放平后安裝的施工方式，大大減少了人力、物力的消耗，極大地提高了效率。屋面天窗施工時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)制作多榀人字形鋼架龍骨，起吊后安裝，提高了施工速度。直立鎖邊屋面分層施工，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)尺寸進(jìn)行不銹鋼天溝的定尺制作和收邊收口，保證了工程質(zhì)量，完美呈現(xiàn)了速滑館新穎、美觀的造型。

3 屋面安裝順序優(yōu)化

不同于傳統(tǒng)屋面施工方式，為確保工期，提高施工效率，降低施工費(fèi)用，同時(shí)便于組織管理，結(jié)合具體工程現(xiàn)狀，按照施工方向、施工場(chǎng)地限制、施工要求、施工順序等情況，科學(xué)性地將每個(gè)施工區(qū)域劃分為不同施工批次，如圖3所示。

圖3 屋面批次劃分平面

考慮到項(xiàng)目工期要求及不同系統(tǒng)之間的交接，按系統(tǒng)將屋面分為不同施工流水段，合理安排施工順序，優(yōu)化屋面安裝順序。例如，考慮屋面拉索結(jié)構(gòu)變形，可安排屋面整體安裝順序?yàn)椋簡(jiǎn)卧鍓K屋面→人字形天窗→直立鎖邊屋面。各施工段內(nèi)施工順序也按照從中間向兩邊，先單元板塊屋面、然后人字形天窗、最后直立鎖邊屋面的順序施工。

受建筑具體結(jié)構(gòu)形式分布的影響，考慮到起重機(jī)械工作半徑所能覆蓋的范圍，不規(guī)則單元板塊安裝順序?yàn)椋?→4→5→6→7→8→9→10→1→2。人字形天窗施工順序?yàn)椋?→2→3→4。直立鎖邊屋面施工順序?yàn)椋?→2→3→4。

4 施工技術(shù)

4.1 單元板塊屋面施工

首先將屋面分成裝配式單元，預(yù)制不規(guī)則單元板塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝。不規(guī)則單元板塊借助BIM模型，導(dǎo)入數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化加工。安裝時(shí)根據(jù)模型變形分析，板塊間預(yù)留90mm寬縫隙，并由保溫巖棉填充，形成柔性連接，適應(yīng)主體變形。此方法經(jīng)濟(jì)高效地解決了索網(wǎng)結(jié)構(gòu)上面材固定及柔性索網(wǎng)變形等技術(shù)難題。

此外，根據(jù)速滑館特殊的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)屋面特點(diǎn)，創(chuàng)新性提出采用汽車(chē)式起重機(jī)將不規(guī)則單元板塊吊裝至指定位置，大大提升了施工速度，節(jié)約了施工成本。對(duì)于預(yù)安裝位置下方滿(mǎn)足25t起重機(jī)安放的區(qū)域，首先通過(guò)精確計(jì)算，將起重機(jī)擺放至正確位置。將起重機(jī)支臂從附近索網(wǎng)分格伸出，起重機(jī)的2個(gè)吊鉤同時(shí)下落，將板塊垂直沿網(wǎng)格對(duì)角線空間吊出(見(jiàn)圖4)。對(duì)于板塊下方不滿(mǎn)足25t起重機(jī)安放的區(qū)域，則需使用大噸位起重機(jī)(如300t起重機(jī))，將其擺放在場(chǎng)館外。將起重機(jī)的2個(gè)吊鉤從指定索網(wǎng)分格中同時(shí)下落，將板塊垂直沿網(wǎng)格對(duì)角線空間吊出，如圖5所示。

圖4 板塊下方滿(mǎn)足25t起重機(jī)擺放的區(qū)域安裝示意

單元板塊沿索網(wǎng)對(duì)角線吊出時(shí)，需精準(zhǔn)控制板塊起吊位置及起重機(jī)大臂落點(diǎn)位置，起重機(jī)每個(gè)站位均需根據(jù)板塊尺寸、對(duì)角線關(guān)系進(jìn)行精確計(jì)算，如圖6所示。

圖6 最厚單元板塊與索網(wǎng)邊界校核示意

4.2 人字形天窗施工

由于速滑館具有獨(dú)特的馬鞍形屋面構(gòu)造，天窗施工需預(yù)先在BIM模型中提取每根龍骨的三維坐標(biāo)，測(cè)量人員分組在現(xiàn)場(chǎng)利用全站儀進(jìn)行精準(zhǔn)放線，將龍骨定位至預(yù)定位置。同時(shí)在BIM模型中提取鋼龍骨尺寸，按照每一跨度不同尺寸分格，在地面提前預(yù)制好多榀人字形鋼架，再進(jìn)行龍骨吊裝焊接等施工步驟，最大化提升施工效率。天窗施工流程如圖7所示。

圖7 天窗施工流程

4.3 直立鎖邊屋面施工

直立鎖邊屋面施工時(shí)，預(yù)先在BIM模型中提取每根檁條尺寸及三維坐標(biāo)，測(cè)量人員分組在現(xiàn)場(chǎng)利用全站儀進(jìn)行精準(zhǔn)放線，將檁條定位至預(yù)定位置。放線工作量大時(shí)可分組進(jìn)行，以提高施工效率。然后吊裝檁條，如果1組檁條長(zhǎng)度剛好遞增或遞減，經(jīng)過(guò)精確計(jì)算滿(mǎn)足起吊條件后，可一次性吊裝以進(jìn)一步提高施工效率，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。收邊處的包邊板均根據(jù)水槽與天溝的交接尺寸定尺下料、定尺加工、定尺安裝，水槽內(nèi)側(cè)保溫、安裝均連續(xù)焊接以保證施工質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)家速滑館雙曲馬鞍形金屬屋面是我國(guó)首個(gè)大跨度柔性屋面體系，造型奇特，施工難度極高。本工程采用獨(dú)創(chuàng)的大跨度馬鞍形索結(jié)構(gòu)單元式屋面板安裝施工工法，科學(xué)、安全、高效地完成了施工任務(wù)，工期縮短至普通方法的1/3，極大地提高了經(jīng)濟(jì)效益。主要施工特點(diǎn)如下。

1)優(yōu)化了屋面板安裝順序，提高了作業(yè)效率。

2)適用于單元板塊系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜的情況。單元板塊安裝在柔性索網(wǎng)屋面上方，不具備現(xiàn)場(chǎng)分層安裝條件，故采用預(yù)制單元板塊、成品現(xiàn)場(chǎng)安裝的施工方案。

3)單元板塊安裝時(shí)，直接利用小噸位起重機(jī)從索網(wǎng)單元格對(duì)角線起吊，靈活有效地降低了安裝難度，結(jié)合地面跟蹤測(cè)量，有效保證了安裝精度。

4)為等效單元板塊安裝前后索網(wǎng)變形問(wèn)題，采用屋面索網(wǎng)吊掛作為等效荷載，邊裝邊拆，有效解決了變形不協(xié)調(diào)的問(wèn)題。

5)收口、收邊及搭接處多為不規(guī)則曲線交接形式，須嚴(yán)格根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)尺寸下料。