國家速滑館超大跨度環桁架索網結構全過程BIM 技術應用

王志濱，王 偉，王 欽，趙書東，秦 展，崔建波

（北京城建集團有限責任公司，北京 100088）

1 工程概況

1.1 項目簡介

國家速滑館工程項目的建設位置與林萃路和國家網球中心相鄰，2022 年北京冬奧會將在這里舉行速滑比賽。國家速滑館的建筑面積達到了9.8 萬m2，主場館的外形為橢圓形，共計包括五層，地上建筑為三層，地下建筑為二層，檐口高度設置為16m 和34m，能夠容納12000 多人觀看比賽。北京作為世界首個“雙奧之城”，其標志性建筑物就包括國家速滑館在內。國家速滑館的效果圖詳見圖1。

圖1 國家速滑館項目

1.2 結構概況

國家速滑館地上為一個獨立的結構單元，不設永久結構縫。地上首層為現澆鋼筋混凝土框架結構，看臺部分除梁柱為現澆外，臺板以預制清水混凝土為主；地上二層及三層為純鋼框架結構，具體結構體系如圖2所示。

圖2 結構體系示意及分解

該工程項目的屋蓋結構的主要形式為單層雙向正交索網聯合大跨度馬鞍形環桁架結構體系。超大跨度屋蓋投影形狀為橢圓馬鞍形雙曲面，索網的類型為單層雙向正交形式，支承于周圈的鋼結構環桁架上，索網南北向穩定索最大跨度198m，東西向承重索最大跨度124m；立體桁架結構形式時環桁架的主要類型，平面投影外形尺寸為226m×153m，網格間距4m，節點采用相貫焊接的形式連接；用于支承屋蓋的48 根看臺斜柱采用勁性混凝土柱，使用成品固定球鉸支架將勁性混凝土柱與環桁架連接在一起。外圍護幕墻為波浪形曲面玻璃幕墻，支承結構采用鋼拉索加豎向波浪形鋼龍骨，在頂部鋼結構桁架上固定拉索的上端，在主體結構首層頂板外圈的懸挑梁端固定拉索下端，鋼拉索間距為4m，鋼龍骨采用箱型截面，通過銷軸耳板與幕墻拉索對應位置的索夾鉸接[1]。

2 深化設計階段

2.1 環桁架深化設計

環桁架按照設計要求“環桁架零態為鋼結構加工、安裝對應的狀態；環桁架初始態為索網張拉、配重加載完成時對應的狀態；從零態到初始態，支座底部應為滑動。”環桁架深化設計建模所使用的坐標為設計圖中零態對應的空間坐標。環桁架深化設計通過直線擬合馬鞍形空間曲線，主弦桿采用直線段圓鋼管，降低加工制作難度。

在深化鋼結構時，發現桁架桿件與幕墻撐桿點相貫節點位置有現場焊縫碰撞的情況存在，與設計協商后，對桿件位置進行了調整；屋面索牛腿與天窗梁牛腿存在著沖突的情況，與設計協商后，對天窗梁位置進行了調整。

2.2 索結構深化設計

索結構深化設計主要包括耳板設計、提升張拉工裝設計。整個屋蓋索網結構，整體提升、張拉的拉索數量多，拉索提升、張拉力大，提升和張拉施工的要求比較嚴苛，對提升和張拉施工的安全性要求比較高，也能提高施工效率，保證施工質量并節省施工成本。

深化設計理念，對構造要求和工裝受力情況進行了綜合的分析，工裝受力儲備充足，結構形式科學；對張拉耳板和提升張拉工裝進行三維實體放樣，保證滿足施工構造的需要；對提升張拉工裝進行有限元分析，確保在最不利工況下，工裝處于安全狀態。

3 構件加工階段

3.1 鋼構件加工

最大屋面環桁架弦桿的規格設置為D1600×60。針對本工程大口徑鋼管筒體成型，利用數字化加工技術保障加工精度和加工質量。

加工成型時，使用的設備為專用的鋼管數控卷板機，將鋼板先卷制成若干個鋼管小段節，然后接長焊接至10m 左右，最后進行內部加勁板的焊接；在滾輪臺架上使用自動焊接臺架或者是筒體自動焊接臺架以埋弧焊接的方式來焊接筒體，使用自動埋弧焊接的方式處理筒體的環向焊縫和內外側縱向焊縫，并采取措施對外側焊縫的余高進行控制，使焊縫余高不大于2mm。

3.2 索體加工

首次實現建筑用高釩封閉索國產化，打破了國際市場的壟斷，大大減少了索體進口成本并降低了工期風險。高釩封閉索索體加工步驟如下：盤條→半成品拉拔→熱處理→二次拉拔→熱鍍鋅鋁→倒輪→合繩→成盤包裝。

使用整體模拉法來完成關鍵工序二次拉拔過程中的Z 形鋼絲拉拔施工，使用三維軟件模型來設計拉絲模，將圓形鋼絲拉拔到Z 形鋼絲的實際拉拔狀態，使各道次孔型得到快速的形成。使用多道連續直線式拉絲機完成Z 形鋼絲的二次拉拔施工，在拉拔鋼絲時，不需要附加扭矩，拉絲過程冷卻時，使用風冷與水冷相結合的方式，保證成品鋼絲的生產質量與設計要求一致。最終保障了合繩階段各層鋼絲松緊一致貼在內層鋼絲上，使Z 形鋼絲形成了連鎖封閉，確保了索體力學性能。Z 形鋼絲三維模擬拉拔和索體斷面情況詳見圖3。

圖3 Z 形鋼絲三維模擬拉拔及索體斷面

4 施工階段

4.1 環桁架施工

鋼環桁架平面投影的外形大小設置為226m×153m，連接節點時，使用管與灌相貫焊接的方式。組合式桁架構成了截面的主要形式，主要由腹桿和主弦桿構成。桿件截面的形式非常多，弦桿截面的尺寸也比較大，最大口徑鋼管為D1600×60 如圖4 所示。

圖4 環桁架總體施工方案

因現場安裝條件復雜，結構東西側設置有地下車庫，因此考慮在東西側車庫上設置拼裝胎架，在場館結構外拼裝完成，當場館混凝土結構施工完成后，采取滑移的施工方案安裝就位，節約安裝工期。同時桁架地面拼裝控制拼裝精度，為高空定位創造良好條件，高空定位預先定位支撐模板，全站儀測量定位桁架分段及主弦桿，節約分段定位時間并提高安裝精度。

經過施工模擬和仿真分析，將環桁架施工分4 個分區，南北區采用原位吊裝，東西區采用滑移技術，西側滑移距離87m（58m+29m）、東側滑移距離47m（18m+29m）。兩側滑移段長181.9m，寬40.5m，重量約2750t，在安裝時使用滑移機器人完成安裝施工任務，安裝方式為高低二次滑移就位聯合場外高空拼裝的方式。將滑移支撐架和滑移軌道事先鋪設好，使用計算機來對液壓進行控制。鋼結構高低空二次滑移縮短了工期，同時也節省了支撐材料的用量，實現了平行施工如圖5 所示。

圖5 結構平行施

4.2 屋面索網施工

屋面索網的主要類型為單層雙向正交馬鞍形，南北、東西的最大跨度分別為198m 和124m。索徑64mm、74mm，用鋼量僅約為傳統鋼屋面的1/4。共使用高釩封閉索968t，總長度20410m，共498 根。

工程項目施工企業與浙江大學使用1∶12 實體模型仿真實驗對結構建造的安全性和可行性進行了充分的論證，實體模型仿真試驗的具體情況詳見圖6。研究影響初始平衡態誤差關鍵因素，提出施工控制標準；研究不同張拉方案的控制效果；驗證超大跨度索網結構的受力性能；驗證“安裝幕墻索、地面組網、整體提升承重索、張拉穩定索”施工方案；對比定長索張拉就位與穩定索索力精確就位下的索網形態與索力。

圖6 1∶12 實體模型仿真實驗

對方案進行綜合分析以后，對施工工期、施工成本投入和施工安全性等因素進行了全面的論述，確定最終的總體施工方案為整體提升張拉與地面組裝索網相結合的施工方案。在鋪裝地面索網時，放樣的坐標為索在地面的投影點。索夾螺栓在地面全部擰緊后整體提升，提升過程中對稱分級緩慢進行，所有提升機器人由計算機控制。穩定索張拉施工分為8 個步驟完成，最大距離設置為37cm，張拉點的數量設置為60 個，索網張拉成型的效果詳見圖7 所示。施工及運營全過程在結構上布置監測點進行健康監測，監測索力、風壓、位移等，實時展示荷載狀況、結構反應并提供故障預警，保障結構安全[2]。

圖7 索網張拉成型

5 BIM 應用總結

國家速滑館項目通過對環桁架索網結構的BIM 建模和全過程的高精度仿真，實現了基于數字化的構件加工和安裝，并持續完成實時高精度測控、健康監測，最終保障了工程精準、高效建造，并為類似工程提供了參考。

該項目研究成果在建筑領域獲得了很多的大獎，如中國鋼結構金獎、優路杯全國BIM 大賽施工組金獎等。