中國國家大劇院殼體鋼結(jié)構(gòu)施工工藝的研究和改進(jìn)

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中國國家大劇院座落于天安門廣場(chǎng)的西南側(cè)，其東面與人民大會(huì)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(shè)計(jì)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(lán)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(chǎng)注入了輕靈的現(xiàn)代氣息。
　　 或許對(duì)中國國家大劇院的建筑方案的評(píng)價(jià)，依然仁者見仁，智者見智。但在中國建設(shè)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(zhǎng)安街上的人們得以一睹芳容。數(shù)年一劍，短短三個(gè)月的殼體鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)吊裝，既反映了中國工程技術(shù)人員們幾年來對(duì)施工工藝的不懈研究和改進(jìn)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(gè)世人矚目的項(xiàng)目建設(shè)上，安德魯先生和他的同事們對(duì)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(duì)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(diǎn)的細(xì)部處理，作了詳細(xì)的考慮和詳盡的計(jì)算。當(dāng)我們揣摸著洋洋萬言的技術(shù)要領(lǐng)書和厚達(dá)盈寸的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算資料，深感到法國同行們對(duì)這一精品工程的厚望?；蛟S，其中還包含著對(duì)中國建筑施工能力的一絲疑慮。
　　 這種疑慮，并非毫無道理，因?yàn)檫@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(zhǎng)達(dá) 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(shí)給施工建造出了一道難題。
　　 承擔(dān)國家大劇院殼體鋼結(jié)構(gòu)施工任務(wù)的上海建工集團(tuán)總公司及所屬上海市機(jī)械施工公司，在業(yè)主委員會(huì)有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)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(duì)伍對(duì)殼體鋼結(jié)構(gòu)的施工工藝進(jìn)行了全面的探索和研究。我們和法國設(shè)計(jì)師們進(jìn)行了數(shù)十次的技術(shù)談判和書面交涉，認(rèn)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?jiǎng)澐?，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(dá)成共識(shí)。但由于雙方在文化或觀念上的差異，以及對(duì)中國國情認(rèn)識(shí)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(jiān)持從中國國情和上海建工自有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(diǎn)，在于對(duì)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(fù)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(shí)還受到日照、溫差等環(huán)境因素的影響。每一項(xiàng)超過常規(guī)要求的質(zhì)量指標(biāo)，不是一定不能達(dá)到，而是要化極大的質(zhì)量成本的。也許是法國設(shè)計(jì)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(duì)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(diǎn)偏差小于 1mm；安裝，任意點(diǎn)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(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)天差地遠(yuǎn)。如：按現(xiàn)行的國家鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)收規(guī)范（GB50205-2001）中，對(duì)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(jià)來強(qiáng)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(jí)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(yīng)雙足，而絕不能以人足來適應(yīng)靴子。因此我們堅(jiān)持以國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，按照或參照標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)內(nèi)容，制訂了切實(shí)可行的適當(dāng)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(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》，得到了中國鋼協(xié)有關(guān)專家和北京市標(biāo)辦的認(rèn)可。當(dāng)然，在確定鋼結(jié)構(gòu)安裝標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，我們及時(shí)與幕墻施工單位香港建設(shè)進(jìn)行了技術(shù)協(xié)調(diào)，在幕墻結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)及施工時(shí)，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(shí)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(yīng)的施工措施。如在詳圖設(shè)計(jì)、制作和安裝過程中實(shí)施空間三維反變形；又如制作階段殼體鋼結(jié)構(gòu)整體預(yù)拼裝；再如計(jì)算機(jī)控制實(shí)時(shí)檢測(cè)的安裝測(cè)量控制等等。這些措施不僅耗費(fèi)巨大，而且難以操作。我們?cè)趯?duì)其逐一研究分析的基礎(chǔ)上，提出了針對(duì)性的改進(jìn)方案。