结构工程技术研究总结报告.doc
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1、鉴定材料之三国家大剧院结构工程施工技术研究总结报告北京城建集团有限责任公司目 录1 工程概况11.1 工程概况11。2 设计特点21。3 本工程需研究的技术难点22 项目研究背景33 项目研究的内容和技术创新点53。1项目研究内容53.2项目研究技术创新点214 施工技术研究成果及应用前景分析224。1 施工技术研究成果224。2成果应用前景分析225 经济效益和社会效益分析235。1 经济效益分析235。2 社会效益分析246 项目研究总结25国家大剧院结构工程施工技术研究总结报告1 工程概况1.1 工程概况国家大剧院工程位于天安门地区,东临人民大会堂,与人民大会堂相距仅50米,北靠西长安街
2、,与中南海新华门隔街相望,地理位置特殊。国家大剧院工程是中国政府面向二十一世纪投资兴建的大型文化设施,工程建成后将成为中国最高艺术表演中心以及具有世界一流水平的大型艺术殿堂。国家大剧院工程由椭圆穹形结构的主体建筑(202区)及南北两侧(201区、203区)的地下通道、车库及其它附属配套设施组成,总占地面积8万余平方米,总建筑面积19万平方米.202区中心主体建筑由建筑外部围护结构和内部的歌剧院、戏剧院、音乐厅、小剧场、公共大厅及配套用房所组成。建筑外部围护结构为钢结构椭球壳体,平面投影椭圆东西向长轴长度212.20m,南北向短轴长度143.64m。国家大剧院工程占地面积11。89万m2,总建筑
3、面积19。4万m2,由北侧地下停车场(201区)、南侧设备及办公用房(203区)及中心主体建筑(202区)三部分组成,北侧地下停车场能容纳951辆机动车和1420辆自行车,既作为国家大剧院的配套设施,又是天安门地区的公共设施。202区主体建筑外形为超椭球型壳体,座落于人工湖中央,建筑平面呈椭圆形,由戏剧院、歌剧院、音乐厅三大剧场以及公共剧务用房等组成。歌剧院主要演出歌剧、舞剧、芭蕾等,设有观众席位2416个。音乐厅主要演出交响乐、民族乐等,设有观众席位2017个。戏剧场主要演出话剧、京剧等地方戏剧,设有观众席位1040个.本工程建设单位为北京市、建设部、文化部等部门联合组成的国家大剧院工程业主
4、委员会,建筑设计方案由法国巴黎机场公司设计,清华大学配合完成,设计师为法国著名建筑师保罗安德鲁,施工图的国内设计单位是北京市建筑设计研究院,施工单位由北京城建-香港建设-上海建工组成的总承包联合体。工程于2001年12月13日正式开工,计划2004年底竣工.1。2 设计特点国家大剧院工程202区中心主体建筑占地面积25500m2,大部分基础埋深在-26.0m,歌剧院台仓基础埋深-32.5m,戏剧院台仓基础埋深-29。1m,音乐厅基础埋深27.0m,各种通道和入口也均设在地下。工程室内设计建筑标高0.00=44.75m,室外自然地坪标高为46.00m左右。202区主体建筑单层建筑面积约为3。5万
5、m2,总建筑面积15。72万m2,外围护墙体周长达599米,为超大超宽结构.结构内曲线构建多,内、外墙体由多个曲面方程定位,如外围护墙为超级椭圆曲面,内部戏剧院、歌剧院、音乐厅隔墙及楼梯为曲率半径为0.12m100m的圆弧曲面,独特的曲面构造为国内首见。工程主体结构形式为框架剪力墙结构,箱形基础,钢管混凝土柱、劲性柱和大截面梁等形成了大跨度、高凌空的空间,如歌剧院上部结构净空高达62.6m.结构楼板厚度局部达800mm 1.6m厚;墙体高度变化大,最高达9.12m;墙体厚度为200mm900mm,局部墙体厚度达1.0m;梁跨度大,梁跨最长达26.0m、35.0m,其梁高分别为2.0m和3。2m
6、。1.3 本工程需研究的技术难点国家大剧院工程由于其特殊的地理位置和举世瞩目的影响力,总承包部在开工前就提出了“确保结构长城杯,争创国优工程鲁班 奖的质量目标,制定了高于国家验收规范标准的结构施工内控质量标准.工程结构形式复杂,质量标准高,给施工提出了较高要求。施工特点、难点主要体现在以下几方面:1、该工程为全国最大的剧院,建筑形式复杂,设计装修等级高.单层面积大,202区、203区单层面积共约4万m2。平面呈超级椭圆状布局,结构曲线墙体面积占墙体总面积70以上,各种曲线都有,有圆曲线、椭圆曲线和2。2次方的超级椭圆曲线等。其中圆曲线半径跨度大,半径从0.2m201.35m,仅202区戏剧院、
7、歌剧院、音乐厅和203区就有112种之多。弧形墙曲率半径从0.12m至100m不等,曲线变化复杂,给测量定位、模板选型均带来了较大困难.2、平面布置复杂,分界、分层不规则,基础结构超长、超宽,不利于混凝土施工平面分区流水,对混凝土的施工质量提出了更高的要求;3、基础埋设较深,基础结构常年处在有高承压水的中间,对不设防水层的地下混凝土底板和外墙结构的混凝土质量提出了更高的要求。4、结构上部有大跨度、大凌空高度、大截面混凝土梁板结构,且悬挑结构分布较多,工程特殊的结构型式对模板支撑体系提出了特殊的要求;5、三大剧场功能厅舞台台仓为高大空间,且该部位结构墙体错综复杂,最大高度为62。50m,对模板施
8、工安全性提出较高要求;6、施工场地相对狭小,垂直运输能力紧张,给大规模模板施工组织带来困难;针对上述具体情况我们对国家大剧院工程的地下、地上结构工程的混凝土技术和圆弧曲线模板技术以及复杂曲线测量技术进行了研究。2 项目研究背景随着社会的进步,城市建设已经在迅猛发展,人们对城市建筑艺术效果的欣赏欲望变得越来越强烈。现代建筑不得不向纵深和壳体艺术方面发展,超长、超椭圆结构及复杂曲线测量控制定位技术以及异形多曲面弧形模板体系研究技术已成为国内外同行们共同面临的新课题。地下空间的开发和利用给结构工程常年处在高承压水中的混凝土带来了新的难题,也成为当前工程界正在探索的重要课题.针对国家大剧院工程的特殊性
9、、重要性以及超前卫的设计构思,成功地解决好面临的技术难题是本项目研究的目的,并为解决同类工程问题提供经验和依据.1、国家大剧院工程所处地理环境位置的特殊性和重要性,要保证国家大剧院工程按质、按期、安全可靠的完成,选择适合的控制测量技术是很关键的.所选择的控制测量方式,要充分考虑场区地下管网复杂的现场限制条件,既能满足基坑和结构工程施工简便、工程成本低廉的要求,又能保证基坑和结构工程本身质量安全,其施工难度不仅在北京地区是空前的,而且在全国也是罕见的.原拟采用的以椭圆弧上的极座标点控制测量的方案,不论从施工现场的条件还是从测量人员的工作强度来看,都有很大的技术难度,还有不能满足结构模板施工的精度
10、要求,而且成本费用高,可实施性较差。因此,需要我们进行进一步的方案设计和方案比选,确定工程成本、施工可操作性和安全的最佳平衡点,以确定可实施的最佳方案.2、异形多曲面墙体给模板支撑体系满足结构工程达到清水混凝土的效果提出了较高要求。混凝土浇灌过程中的侧压力及易造成异形多曲面模板支撑体系的移位和胀模.又使得模板板面、龙骨及支撑体系的配制和控制以满足其异形多曲面墙体曲率半径、矢高及墙体垂直度成为圆弧结构墙体施工的技术难题。由于设计考虑圆弧结构墙体垂直度控制在1/1000以上且5mm,而且,由于大剧院结构墙体呈复杂的超椭圆形曲线,也给墙体的流水段划分、施工缝的连接方式及墙体垂直度控制等增加了难度。另
11、外,根据国内外的经验,对于我们常用的模板工法是以直代曲,本工程为复杂的不规则的超级椭圆方程,目前国内尚缺乏在这类复杂的不规则的超椭圆弧形曲线墙体的施工经验。3、对常年处在高承压水中又不做防水要求的混凝土结构工程,国内尚无类似条件下的成熟技术,在处于无承压水条件下的混凝土结构工程,已经对混凝土的抗渗要求很高,国内工程需有少量工程在处于滞水层中的结构采用了刚性防水,基本上是头年施工第二年堵漏,而且在混凝土里面加入的外加剂量相当大而且价格很高,像国家大剧院工程对处于高承压水水头达16.0m的混凝土自防水结构在国内还是头一回.且并无绝对把握解决好高承压水状态下的混凝土渗漏问题。因此,混凝土的密实性问题
12、是混凝土结构抗渗漏施工技术的保证。所以,在高承压水状态下,针对不同的混凝土性能,成功实现地下结构自防水施工工艺具有较好的应用前景。圆弧结构工程施工,国内外并不少见,但像国家大剧院工程这样大、多的超级椭圆方程曲线又相当的复杂,不仅在北京地区,在全国乃至世界上都是罕见的。经建设部科技信息研究所查新检索国内外18个科技情报数据库,查阅相关文献22篇,均为圆弧曲线结构工程方面的文章,但其曲线数量多少的程度普遍小于国家大剧院工程超大型、多的超级椭圆方程曲线复杂的难度,所见报道的最多的结构曲线数量,也远小于国家大剧院结构工程曲线的数量。而对常年处在高承压水条件下的混凝土结构工程方面的文献尚少见有类似技术报
13、道。3 项目研究的内容和技术创新点3。1项目研究内容3。1。1复杂曲线测量技术研究1、确立大面积场区、施工周期长条件下的场区首级控制网。2、建立施工单层面积大、异型曲线多、标高变化大、没有标准层、结构形式复杂条件下的建筑物控制方法。3、选择高效、快速、准确的曲线数据计算、处理方法和检验较核方法。4、选择满足精度要求的测量仪器和现场放样方法。A、研究途径广泛收集研究国内外大型工程的测量控制技术经验及相关的曲线实体控制和放样技术,从理论上研究曲线计算数学模型的建立和曲线计算方法,收集比较各种计算软件,了解测量仪器的精度和发展状况,以组织讨论、现场测放比较和结合理论分析的形式确定控制方案、计算和放样
14、方法以及仪器的选用。B、测量方案的设计1、测量控制网的设计场区控制的设计a、平面控制: 首级控制网形比选表3。1控制网形式优点缺点备注三角网、三边网网形好,点位精度均匀受现场条件影响大,视线易受遮挡受仪器功能限制边角网、多边形网形好,点位精度均匀受现场条件影响大,视线易受遮挡导线网布设方便,施测灵活网形弱,点位误差不均匀经过以上对比,为保证施测速度决定选取导线网,为保证质量,我们又对导线网的精度进行估计选定,如表3.2.导线网精度对比表3。2导线网形式导线网指标点位精度备注一级导线测角中误差:5边长相对中误差:1/300004。1mm计算公式:二级导线测角中误差:8边长相对中误差:1/2000
15、06。3mm三级导线测角中误差:12边长相对中误差:1/1000011.6mm经过对比选取二级导线,能完全满足建筑物定位的绝对误差要求,能进行局部放样,精度易控制.b、高程控制:考虑到使用方便,高程控制网点的位置布设同现场导线控制网点的位置,经过精度对比,如表3。3,考虑到大剧院工程的重要性,精度应适当提高,结合这两方面内容,现场首级标高控制按二等水准测量精度要求布设。高程控制网精度对比表3.3标高控制等级形式控制等级指标标高精度备注二等水准每公里全高中误差2mm最弱点标高误差0.6mm共测15站,边长按100m考虑三等水准每公里全高中误差6mm最弱点标高误差1。7mm四等水准每公里全高中误差
16、10mm最弱点标高误差2。8mm建筑物控制网的设计a、平面控制:根据拟建建筑物的形状和设计图纸的坐标系的位置,将建筑物的控制布设成十字主控线,选择建筑物的主轴轴、轴为十字主控线, 以十字主控线为大剧院建筑物控制的基础,根据分部分项工程需要逐步建立各分部分项工程控制网。基桩位应尽量远离沉降区.基础施工准备阶段地下连续墙的控制设计、定位用十字主控线为控制基线,放出其他的控制点,网形布设成中点多边形。地连墙定位:根据曲线放样中的地下连续墙的计算方法计算出地下连续墙槽段点的坐标。根据所布设的控制点,用极坐标法放出地下连续墙各槽段点(导墙垫层上)。导墙做完后,用相同的方法放出导墙50cm控制线,以检查导
17、墙施工的精度. 基础结构施工阶段控制网的设计12.5m以下结构的平面控制:根据建筑物主控线做成轴线方格网形式,为了作业面放线方便,边长取35m左右,点位做在地下连续墙导墙的平台上。-12。5m以上结构的平面控制:形式同上,为了放样视线不受轴线上竖起钢筋的遮挡,控制网做成了偏轴,点位做在0.00m基坑边上。主体结构施工阶段控制网的设计主体结构控制方案的比选表3.4测量控制方法适应范围优点缺点备注内控法施工场地狭小,建筑物高度高,有标准层,各层间梁板变化小点位固定,投测精度高,影响误差因素相对少受建筑物沉降影响,受现场施工干扰因素大,点的使用率较低,仪器不安全外控法施工场地相对开阔,建筑物高度较低
18、,各层建筑设计变化大,无标准层点位设置灵活,现场放线方便,受施工干扰因素小,使用率高,误差积累因素多,测量环节较多要求人员仪器固定根据这两种方法的优缺点并结合本工程的特点,决定选用外控法.用十字主控线为依据放出外控点。考虑到通视情况受现场各种因素干扰和向作业面放线方便,部分点位选在周围已有建筑物上.在拟建建筑物首层和现场周围分别布置成两个闭合导线,南北连在一起.各点之间相对点位误差不超过3mm.整个控制网点形成一个立体空间网,使用起来非常方便.b、高程控制设计基础施工准备阶段:开槽前,根据现场首级高程控制网向作业面导引标高.成槽后,从现场首级高程控制网向槽内导引标高,并附合到另一个已知点上。测
19、点做在护坡桩、土钉墙或地下连续墙上,间距70m。可作成半永久性标高控制点。考虑边坡稳定情况,应定期复查各标高控制点.都按三等水准测量要求做。基础结构施工阶段:从槽壁上标高控制点向结构作业面导引标高,附合到另一控制点上进行检核。在结构作业面上应测放出结构50线。拆模后每50米测定一控制标高,用红漆标定清楚,并及时用墨线弹出建筑1m线,以备安装和装修控制.主体结构施工阶段在首层结构拆模后,从首级标高控制点向结构内导引结构控制标高,每个流水段不少于3个点,随着结构层数的增加,从电梯井、采光井、楼梯间等处用钢尺往上传递标高。各层标高控制点均需用红漆标定清楚。在结构作业面上放出结构50线,竖向结构拆模后
20、弹出建筑1m线。作业前后所测点都应闭合检查,各流水段之间、各作业区之间必须相互校核检查.2、现场主要放样方法的确立放样方法原理优缺点直角坐标法先放出截弧段的轴线平行线,然后在平行线上量出弧段上另一坐标值,放出弧段上一点,同理可放出其它点。受现场条件影响大,效率低,精度相对较低。但操作简单。极坐标法将经纬仪或全站仪架在控制点上,后视另一控制点,输入数据,定距定向放出弧段一点。同理,可放出其余点。灵活,放线覆盖范围较大,速度快.后方交会法可做临时控制点用。架仪器于作业面上,照准两个已知控制点,可测出测站点坐标。不方便。钢尺交会法用两已知点量距,交出第三点。小范围内放样,可提高效率,但需其他方法进行
21、检查.操作简单,受现场条件制约大,精度不高。经过以上优缺点的对比,最后,现场放线主要采用极坐标全站仪法,条件限制可用其他方法补充。3、全站议的选用全站议仪器精度点位精度备注测角测距现场放样边长按最大估算300m11+1PPm1。9mm22+2PPm3.9mm23+2PPm4。6mm建筑物的相对精度要求非常高,是测量放线控制的关键。规范要求细部点精度要求为5mm,考虑到还有其他误差的影响,决定选用精度:2+2PPm的全站仪进行现场大量放线,用1+1PPm进行局部控制点的测设和检查验收。C、实施效果国家大剧院工程是一个极其复杂的工程,但是在全体测量人员的不懈努力下,工程土建结构主体完成,控制点精度
22、控制在5mm之内,细部点控制在7mm之内,各层标高控制精度3mm之内,全高标高累计精度不超过5mm,满足规范要求。3.1。2 异形模板支撑体系技术研究A、研究内容1、弧墙曲率段划分及不同弧段模板方案的设计研究2、可调曲率弧形模板背部紧伸器设计研究3、弧墙模板体系活动角模设计研究4、弧墙曲率调节及现场检测控制方法5、弧墙模板体系受力分析B、研究路线1、广泛收集国内外弧形墙体、双曲面楼板、弧形楼梯及其他异形构件的设计施工方案;明确异形模板计划达到各项经济技术指标、质量目标及混凝土成型效果,以观摩比选、理论计算及专家论证会等多种形式初步确定各类异形构件模板设计方案。2、对初步选定的方案及所使用的面板
23、、支撑构件性能进行针对性现场试验3、按既定的方案组织实施,加强异形模板支设及混凝土成型质量的检测,不断进行模板节点优化。C、设计方案1、弧墙曲率段划分及不同弧段模板方案的设计研究设计方案比选设计方案性能应用以直代曲方案本方案通用性较好,加工和应用简单.但模板宽度直接制约了所能支设弧墙的曲率半径部分隐蔽部位的大曲率弧形墙体可予以采用以节省模板投入.定型曲率钢模板适用于曲率半径小的墙体,周转性差曲率半径小于3m的弧形墙体曲率可调模板体系工艺复杂,周转性好对曲率半径大于3m的弧形墙采用可调式弧形模板体系。2、可调曲率弧形模板背部紧伸器设计研究项目试验阶段,在现场用三种模板体系分别支设了曲率半径R=2
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