中國國家大劇院殼體鋼結(jié)構(gòu)施工工藝的研究和改進

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中國國家大劇院座落于天安門廣場的西南側(cè)，其東面與人民大會堂為鄰，北面與中南海相望，位置顯要。由法國 ADP公司著名建筑師安德魯先生設計的國家大劇院，其外形似一顆橢球形的珍珠，半浮于如鏡水面之上，在藍天白云的襯托下，浮光掠影，璀燦奪目。這給具有厚重歷史色彩的天安門廣場注入了輕靈的現(xiàn)代氣息。
　　 或許對中國國家大劇院的建筑方案的評價，依然仁者見仁，智者見智。但在中國建設者創(chuàng)造性的努力下，其巨型的殼體鋼結(jié)構(gòu)已揭去了神秘面紗，露出其偉岸的身軀，使留連在長安街上的人們得以一睹芳容。數(shù)年一劍，短短三個月的殼體鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場吊裝，既反映了中國工程技術(shù)人員們幾年來對施工工藝的不懈研究和改進的成效，也凝聚著中法兩國建筑結(jié)構(gòu)專家的心血和智慧。
　　 在國家大劇院這個世人矚目的項目建設上，安德魯先生和他的同事們對此傾注了巨大的心力。他們不僅在建筑方案上幾易其稿，而且對殼體鋼結(jié)構(gòu)從制作到安裝，從結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定到節(jié)點的細部處理，作了詳細的考慮和詳盡的計算。當我們揣摸著洋洋萬言的技術(shù)要領書和厚達盈寸的結(jié)構(gòu)驗算資料，深感到法國同行們對這一精品工程的厚望?；蛟S，其中還包含著對中國建筑施工能力的一絲疑慮。
　　 這種疑慮，并非毫無道理，因為這畢竟是中國國內(nèi)所僅有，乃至世界上亦屈指可數(shù)的巨型鋼結(jié)構(gòu)殼體。其長達 212m，寬為143m，高至45m，由一組頂環(huán)梁、148榀弧形梁架和內(nèi)外各42道環(huán)桿組成，重逾6000t。巨大的穹頂內(nèi)部沒有一根立柱，卻包含著歌劇院、戲劇院和音樂廳三幢混凝土建筑，結(jié)構(gòu)形式及施工環(huán)境之特殊，確實給施工建造出了一道難題。
　　 承擔國家大劇院殼體鋼結(jié)構(gòu)施工任務的上海建工集團總公司及所屬上海市機械施工公司，在業(yè)主委員會有關(guān)領導的充分信任和支持下，在北京雙圓監(jiān)理的鼎力相助下，自 2000年始，即組織了精干的技術(shù)隊伍對殼體鋼結(jié)構(gòu)的施工工藝進行了全面的探索和研究。我們和法國設計師們進行了數(shù)十次的技術(shù)談判和書面交涉，認真分析和吸收法國同行們的合理建議，在結(jié)構(gòu)吊裝順序、吊裝單元劃分，吊裝過程中結(jié)構(gòu)約束條件和構(gòu)造處理等許多方面達成共識。但由于雙方在文化或觀念上的差異，以及對中國國情認識上的不同，在一些比較重大的施工技術(shù)措施上存在分岐。在交涉過程中，我們不唯洋是從，堅持從中國國情和上海建工自有的技術(shù)優(yōu)勢出發(fā)，以我為主，集思廣益，形成了一條既有創(chuàng)新，又可操作的鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)路線。
　　 我們和法國同行們意見分岐的根本之點，在于對鋼結(jié)構(gòu)安裝精度的控制上。眾所周知，鋼結(jié)構(gòu)安裝的精度，特別是大跨度空間復雜鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度，是有其客觀限度的。它受到我國目前材料、制作和安裝工藝水平的限制，同時還受到日照、溫差等環(huán)境因素的影響。每一項超過常規(guī)要求的質(zhì)量指標，不是一定不能達到，而是要化極大的質(zhì)量成本的。也許是法國設計師們受到追求精品工程這一欲望的驅(qū)使，為了使鋼結(jié)構(gòu)上覆蓋的鈦合金板和玻璃幕墻完美無缺，他們對殼體鋼結(jié)構(gòu)制作和安裝的精度，提出了近乎苛刻的要求：制作，任意點偏差小于 1mm；安裝，任意點偏差小于2mm，完成殼體安裝后結(jié)構(gòu)恒載作用下變形與理想橢球體任意點的空間位移不大于20mm，這與我國現(xiàn)行的有關(guān)規(guī)范和標準天差地遠。如：按現(xiàn)行的國家鋼結(jié)構(gòu)驗收規(guī)范（GB50205-2001）中，對大于60m的大跨度桁架的平面外撓曲值為≤50mm，法方的要求（2mm）比現(xiàn)行規(guī)范要高出數(shù)十倍。如果接受法方要求，就意味著要化極大的施工代價來強求。即便如此，由于客觀因素的影響，其效果也不得而知。正如業(yè)主方有一位高級工程師作了極為形象的比喻，幕墻與鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)系，就好比靴子與人足的關(guān)系，唯有以靴子來適應雙足，而絕不能以人足來適應靴子。因此我們堅持以國家現(xiàn)行標準為基礎，按照或參照標準中的有關(guān)內(nèi)容，制訂了切實可行的適當高于國家規(guī)范規(guī)定值的《中國國家大劇院殼體鋼結(jié)構(gòu)制作，安裝質(zhì)量驗收標準》，得到了中國鋼協(xié)有關(guān)專家和北京市標辦的認可。當然，在確定鋼結(jié)構(gòu)安裝標準的同時，我們及時與幕墻施工單位香港建設進行了技術(shù)協(xié)調(diào)，在幕墻結(jié)構(gòu)和節(jié)點構(gòu)造設計及施工時，消化鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中不可避免的誤差，并得了到了他們的理解和支持。
　　 為了實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)安裝的高精度，法方專家提出了一系列相應的施工措施。如在詳圖設計、制作和安裝過程中實施空間三維反變形；又如制作階段殼體鋼結(jié)構(gòu)整體預拼裝；再如計算機控制實時檢測的安裝測量控制等等。這些措施不僅耗費巨大，而且難以操作。我們在對其逐一研究分析的基礎上，提出了針對性的改進方案。