北京水立方工程施工介绍

北京水立方工程施工介绍

一、工程概况

国家游泳中心建筑总体布置为正方形，总平面尺寸约177m×177m。地下深度约12m，地上高度约31m。主要由比赛厅、多功能馆和戏水乐园三大部分组成，建筑面积87283m2，其中地下二层，57456m2，地上四层，29827m2。

外墙体和屋面围护结构采用新型钢膜结构体系，该钢膜结构体系由一系列类似于细胞、水晶体的钢框架单元和ETFE（聚乙烯——四氟乙烯共聚物）充气薄膜共同组成；观众看台和室内建筑物为钢筋混凝土结构。基础形式为桩支撑基础一无梁抗水板，混凝土部分为框架一多筒体抗震墙结构，上部钢结构为新型延性多面体空间钢框架结构。设计基准期为50年，设计使用年限为100年。

word/media/image1.gif

二、重点技术的应用

（一）高性能混凝土

1、混凝土裂缝防治技术

泳池的抗渗防裂是本工程的施工重点之一。本工程采取以下抗渗防裂措施：

（1）混凝土中粉煤灰的替代比例达到25％左右。降低了水化热，改善了混凝土的和易性。

（2）在池壁迎水面增加抗裂钢筋网，配筋为Φ4＠100，泳池底板迎水面配筋为中Φ4＠200。

（3）泳池侧壁水平向钢筋放置在竖向钢筋外侧，有利于减少池壁位置的混凝土裂缝。

（4）泳池底板和池壁混凝土施工均分为两段进行，防止一次混凝土施工过长而产生收缩裂缝。

（5）在水池的侧壁混凝土内掺加聚丙烯纤维（掺加量为0.9kg／m），使其内部形成一种均匀的三维不定向拉结体系，增加了混凝土的抗折强度，抑制混凝土早期塑性裂缝的产生。

（6）混凝土终凝之后，及时压光，及早浇水养护，池壁混凝土强度达到1.2MPa以上时，松动池壁模板，进行“带模养护”，向模板与己形成的池壁混凝土之间的缝隙浇水。

（7）拆模后覆盖塑料布继续深水、保水养护14天，遇干燥、多风季节养护21天。

（8）由于泳池池壁的预埋件、预留洞非常多，需提前落实好每一个预埋件、预留洞的位置及尺寸，避免由于漏埋或尺寸不对而造成的返工，从而导致混凝土池壁的渗漏。

（9）采取渗透结晶型防水涂料加柔性防水：渗透结晶型防水涂料能封闭细小裂纹，对1.0mm以内宽度的裂缝遇水后有自愈修复能力。

2、混凝土耐久性技术

（1）该工程混凝土总用量为71700m3，混凝土的使用年限达到了100年，首先设计上对混凝土原材料、配合比提出了比现行规范更加严格的规定，降低影响混凝土耐久性有害物质的含量：

（而该工程大部分强度等级的实际配合比中的最小水泥用量和最小水灰比比上述表格里的还要严格。）

（2）施工中采取措施，提高混凝土的密实度，防止混凝土产生裂缝，防止钢筋的锈蚀提高混凝土的耐久性。

（二）高效钢筋与预应力技术

1、HRB400级钢筋的应用技术

该工程钢筋总用量为13200t，其中HRB400级钢筋508t，主要用于梁、柱等部位，直径20mm—32mm。由于HRB400级钢筋设计强度为360N／㎡，比HPB335的300N／㎡设计强度高20％，一定程度上缓解了局部钢筋过密的情况，给钢筋绑扎、混凝土浇注带来便利条件。

2、冷轧带肋钢筋焊接网

为加快施工进度、提高钢筋工程的施工质量，该工程在楼板下层钢筋部位（地下二层至地上四层的顶板）及混凝土看台踏步板部位采用冷轧带肋焊接网（钢筋直径ΦR5－ΦR12）替代原设计中的由人工现场绑扎的热轧带肋钢筋（钢筋直径小Φ10－Φ16）。优点如下：

（1）钢筋焊接网片在加工厂进行加工，运输到现场后无需再进行加工，且在绑扎过程中整片安装，无需对每根钢筋都进行定位绑扎，节约了人工，提高了施工速度，增加了施工工效，尤其在标准层较多的工程中，在工人操作熟练后施工工效将会得到很大的提高。

（2）钢筋焊接网片采取将设计数据输入至计算机中，由计算机操纵进行机械化、自动化成型的加工方法，使得钢筋间距误差小，交叉点焊接牢固，相对于钢筋现场绑扎质量得到了较大的提高。

（3）经过核算，钢筋经过代换后，强度高于原设计钢筋，尤其在结构抗裂性能比原设计有了较大的提高。

热轧带肋钢筋与冷轧带肋钢筋网片性能的对比

3、有粘结预应力成套技术应用

该工程地上二层溜冰场有8根大梁为有粘结预应力梁，梁截面尺寸为1500m×3500m。预应力筋采用1860级钢绞线，直径D＝15.24mm。混凝土强度等级为C40，张拉时应同步对称协调张拉，应力应变双控，锚具采用I类锚具，其中张拉端锚具采用夹片锚具，有粘结预应力孔道采用镀锌波纹管。

难点：施工中梁柱节点处的配筋较多，预应力筋与非预应力筋、波纹管支设交叉施工，给施工造成一定的困难。

对策：本着优先保证预应力筋位置及先高准确的原则，先放出钢筋施工大样，明确每根钢筋的相对位置，做好交底，指导施工。对拉螺杆在实际布设过程中，尤其在横断面上波纹管重叠部位，为避免与波纹管位置冲突，提前放出对拉螺杆位置大样图，适时调整，并详细对施工班组进行交底，保证了施工时的可操作性、准确性和安全性。

（三）特殊脚手架应用技术

该工程扣件式脚手架主要是为了配合主体钢结构施工而搭设的，结构形式较为特殊，主要起着钢结构构件（或单元）初步定位、微调、施工操作平台及安全维护的作用，普通扣件式脚手架总用量约8000吨，扣件170万个。

1、钢结构墙体施工阶段：钢结构外墙内、外两侧分别搭设四排、双排脚手架，内墙两侧搭设三排脚手架，墙体两侧脚手架用钢管连接成稳固体系。脚手架总高度约为37m。

难点1：由于该工程外墙为钢结构及ETFE装配系统，无法保证外墙外双排架体与混凝土结构主体进行可靠拉接。

措施：在钢结构外墙的内侧设置四排架体，近似看做是一个较为稳定的半刚性空间框架，墙体外双排脚手架采用对拉平撑和横向剪刀撑与内侧的四排脚手架进行连接，可将对拉平撑和横向剪刀撑做为连墙件。

难点2：脚手架在没有连墙件的情况下自身形成稳定结构就较为困难，还需承受钢结构构件安装及施工操作、材料堆放的荷载。

措施：增加剪刀撑等构造杆件以提高脚手架的整体性能，正确处理好脚手架与钢结构之间的关系：在钢结构安装初期，脚手架为钢结构的安装提供支撑和操作平台，在钢结构焊接固定后，脚手架与钢结构抱接，以提高脚手架的抗倾覆性能，达到安全稳固的目的。

2、钢屋盖安装阶段：设满堂脚手架以满足施工要求，并在搭设过程中考虑钢结构荷载、节点情况，针对卸载点进行特殊处理。脚手架总高度最大约为42.5m。

难点1：钢结构屋盖结构复杂，平面面积大（约3万m2），球节点约有1474个（下弦球节点），且呈不规则状分布在屋面中，其中卸载点135个，卸载点的荷载值较大（约为390KN），给脚手架的搭设提出了很高的要求。

措施：采用满堂脚手架作为钢结构屋盖施工的操作平台，针对不同节点（包括卸载点）的不同荷载值采取不同的脚手架子台支撑，以满足钢结构施工、卸载的要求。

难点2：钢结构屋盖总体高度为7m，即在完成下弦杆件施工后，需继续搭设脚手架向上继续进行施工，但钢结构的杆件在空间上错综复杂，没有任何规律，存在许多脚手架杆件与钢结构杆件冲突的情况。

措施：先在图纸中放出钢结构杆件的空间大样，并进行脚手架的布置，将冲突的情况进行分析，找出因冲突而引起脚手架缺失的最不利的情况，并采取相应的补偿措施。

在钢结构屋盖施工阶段，部分区域采用了安德固脚手架系列，由于安德固脚手架存在质轻高强、施工方便快捷的优点，为加快现场施工速度，保证工期创造了条件。

（四）安装工程管线布置综合平衡技术

水立方项目作为大型公共建筑，机电系统多、体量大，从B02层的管廊到屋顶层等各部位管线密集，交叉较多，易发生以下不良现象：冷、热水管道、空调通风管道、排水管道、桥架、母线在安装时标高相互碰撞，而且管道与装修、结构梁之间的矛盾也时有发生。往往是先安装的管道，施工很方便，后安装的管道，施工很困难，被迫装在不该装的地点或标高上，影响质量，甚至不能使用，造成局部返工。

该项目运用了管线布置综合平衡技术，进行机电管线综合布置深化设计作为施工的先导，把绘制机电综合排布图作为工作重点，合理布置机电工程各专业管线的位置。避免交叉时产生冲突，同时考虑到同建筑结构专业、钢结构专业、膜结构专业及建筑装饰专业的要求。综合布置图不仅仅依赖于各专业施工员的施工管理经验，而是通过施工前在计算机上进行预装配，尽可能全面发现施工图纸存在的管线交叉施工的问题，并尽可能在施工准备阶段全部解决。

在机电综合图的绘制过程中，把机电各专业的所有管线性质、管径、距楼板标高的标注，在图中以红色小字进行标注；而对于管线的水平定位，因水平管线排布密集，考虑到图纸清楚、美观，所有管线都以双线条的实际比例进行绘制，并绘制位置进行定位。

（五）特殊结构的应用

1、钢结构综合技术

该工程屋面及其支撑墙体结构为新型多面体空间刚架结构，整个结构外型为立方体，平面尺寸为176.5m×176.5m，钢结构高度为30.58m，外墙的围合厚度为3472mm，内墙为34726mm和5876mm两种。内外表面弦杆为矩形钢管，内部腹杆为圆钢管，内部腹层节点采用焊接球节点，表面弦层节点采用焊接半球节点，边框角线节点以边框为母杆的相贯连接节点，由此形成复杂的空间结构体系。

该工程杆件及节点总重量约6300t，厚度＜18mm的钢材选用Q345C级，厚度≥18㎜的钢材选用Q420C级，内外边框FB300×300×20／20的方钢管选用Q345C级。节点数9290个，杆件20670根。

（1）钢结构深化设计与CAM制造技术

① 钢结构深化设计

材料及构件类型的归并：由于主体钢结构节点空间规律性差，相应导致构件规格多样，节点种类繁多，某些规格板件用量很少。为保证施工进度，同时达到经济节约的目的，需要对施工图纸进行深化，减少材料采购的规格和球节点的模具数量。

杆件与节点的归并：设计图纸绘出了所有的杆件和节点规格与空间坐标，由于切割和边界封闭等原因，根据空间坐标计算出部分节点距离很近，杆件长度很短，需要对这些节点杆件进行合并。在设计图纸的节点大样合并原则指导下，对图纸送行深化，找出所有需要合并的构件是构件正常加工制作的前提。

节点深化：结构整体为全焊接结构，所有节点均设计为刚接节点。杆件不仅承受轴力，还要承受相当大的弯矩，节点区域受力状况相当复杂。为增加结构的延性，部分高应力杆件进行了外套管加强，现场焊接工作量极大。因而与制作安装厂商紧密配合，优化焊接形式与焊接顺序，提高工厂化生产制作的比例，以加快施工进度，提高安装效率。

安装分区：因为球节点的空间不规律性，考虑到原材料采购与制作等环节，同时考虑施工工序与合拢点的选择，合理地进行分区安装是非常必要的。

施工期全过程模拟分析：对于该工程这样的全新结构体系，施工安装经验都不足。因而施工过程中必须进行全过程模拟计算，保证施工过程中加载及卸载过程的结构安全，同时为施工工序的合理性和施工临时支撑的经济性提供具体的计算依据。

构件加工详图：根据与制作、安装施工各方的沟通结果，对施工图纸进行深化，转化为制造厂的构件加工图纸。深化详图分为现场安装与构件加工详图两部分，是加工安装的指导文件。

② 结构CAM制造技术

钢结构CAM在本工程中大量应用。所有内部球节点与杆件均为相贯关系，表面弦层亦存在一些方管及矩形管相贯，必须利用CAM技术，方能保证杆件与板材的优化下料，钢管相贯节点下料及杆件与节点的计算机辅助加工。

（2）高强度钢材的应用和钢板焊接技术

该工程钢材的材质为Q345C、Q420C，均属于国内钢厂过去生产数量较少的，有些钢厂甚至属于研制阶段，给钢材的定货带来了一定的困难。

高强度钢材的焊接许多加工厂从未实施过，需制定专门的焊接工艺评定，探索专门的工艺参数，例如Q420C的钢材焊接。

该工程大于40㎜厚的钢板，主要用于焊接球节点，最厚达到60㎜。

材料方面应采用有Z向性能要求的钢板，应符合国家标准《厚度方向性能钢板》GB/T5313的规定；

焊缝形式应合理设计，以减小层状撕裂；

焊接材料采用低氢型焊条；

焊接工序要选择合适的预热温度与焊后热控制，并严格控制焊接顺序。

（3）大跨度钢结构施工安装技术

该工程钢结构屋盖被两道内墙分割成三个区域，跨度分别为40m、50m、137m，均属于大跨度钢结构。针对本工程杆件众多，且定位复杂，钢结构屋盖下的混凝土结构标高变化非常多，最后定为小拼单元十散拼的安装方法，此方法虽然工效低，但精度高，最适合本工程钢结构的设计特点。此外，安装过程中，需要解决焊接应力的消除、焊接合拢缝位置的确定、合拢温度、安装精度的控制、卸载的控制等许多问题。

① 钢结构安装施工模拟工况计算技术

内容包括：

A、小拼刚度单元吊装过程构件内力及变形验算。

B、施工过程中，屋盖主要临时支撑点设置及反力计算。

通过计算屋盖构件在临时支撑工况下的内力及变形，结合下部土建条件，寻求一个比较经济合理的屋盖支撑点布置方案。

C、屋盖支撑架受力点卸载全过程模拟计算。

根据分区卸载实施的可能性，提供各种情况下的计算分析数据。并根据具体实施方案，对屋盖支撑架卸载全过程进行模拟计算分析，确保卸载过程结构的安全。

② 测量定位

由于该工程钢结构的内部点均为空间三维座标点，且定位点均为球体或半球体，定位及测量难度非常大。

A、墙体

墙体测量控制前提和要求：加工过程中将所有半球外表面的中心点垂直交叉线和所有焊接球的赤道线（垂直于焊缝）标识出来，安装焊接球时保证焊接球的焊缝与水平面垂直（赤道线与水平面平行），用以在测量控制的时候方便观测。

墙体内、外表面的测控

首先根据现场平面控制网在地面上放出墙体内、外表面相关半球的测量控制线，待安装完成后，架全站仅在已知点上，后视同一墙体外表面的控制点，利用坐标换算法计算出仪器的极坐标位置，将仪器视线仰角至该球的中心交叉点，通过仪器计算出该点的极坐标，再比较之前计算好的该半球的三维坐标来控制球的坐标位置。

三角高程法：安装完成后，架全站仅在半球斜下方，调平后将仪器视线调到水平位置，后视相对的高程控制点，得出仪器高度，然后仰角到半球截面中心交叉线，得到一个角度和一个距离，利用三角函数计算出该球的高程。

墙体中间层的测控

采用“KSQD空间三维快速定位测量”的方法对钢结构进行空间三维定位测量，保证杆件中心线精确穿过球节点中心，在保证结构安全的情况下加快了安装速度。

三角高程法：安装完成后，架全站仅在球的斜下方，调平后将仪器视线调到水平位置，后视相对的高程控制点，计算出仪器高度，然后将视线仰角到球的赤道线上，得到一个角度和一个距离，利用三角函数计算出该赤道的高程，就可以控制该球的高程。

B、屋面

屋盖安装前，检测支撑脚手架体系顶部标高，以确保屋盖安装时控制焊接球标高。

要求：加工过程中将所有半球截面的中。已点垂直交叉线和所有圆球的赤道线（垂直于焊缝）标识出来，安装焊接球时保证焊接球的焊缝与水平面平行（赤道线与水平面垂直），观测时只需观测球顶点即赤道线顶点。

屋盖上、下表面的测控：在安装完成后，通过天顶仪将控制点竖向传递到操作平台，架全站仅在平台上，仪器调平以后，后视同样高度通过天顶仪竖向传递到操作平台的控制点，计算出仪器支点的坐标，将仪器转角到已知半球的中心交叉点，通过仪器计算出该点的极坐标，与计算好的该球的坐标相比较，从而控制球的坐标位置。

屋盖中间层的测控：同墙体中间腹杆方法。

（4）钢结构施工及竣工使用过程中的监测

由于该工程结构采用新型多面体延性空间刚架结构，所有杆件为节点刚性连接，杆件同时承受弯矩、轴力、剪力和扭矩。理论分析和试验研究已经充分，能满足设计要求，但其实际受力状态需要进一步验证，有必要对受力较大和重点的杆件进行监测和报警。施工过程中的监测可用于控制施工工况下的内力、变形和减少施工误差。

① 系统应对结构实际风压分布和脉动进行实测；

② 系统应对结构变形状态和整体振动进行实测；

③ 系统应对结构在超过一定阀值的强风作用下的实时工作状态进行自动监测

④ 系统应对结构构件、节点的损伤进行评估

⑤ 应具有“可视化”的人机交互界面

2、屋面及墙面ETFE装配系统综和技术

该工程外立面水的效果由ETFE膜结构来实现，与室内的水面交相辉映。膜结构由3065个气枕组成，覆盖面积达到10万㎡，展开面积达到26万㎡，是世界上规模最大的膜结构工程，亦是唯—一个完全由膜结构来进行全封闭的大型公共建筑。

（1）原型测试

前期先后针对膜结构的材料性能、声学、光学、热工学等方面的原型测试，确定膜材选型及结构深化设计。

膜结构测试概况

根据上述测试结果，结合室内与室外、里面与屋顶环境的不同，具体部位的气枕由2～5层薄膜组成，厚度从60～250um。在外墙上的气枕最外层薄膜带浅蓝色，中间透明，里层镀点；内墙气杭的最里层为透明，外层镀点。外墙的内层膜和内墙的外层膜上镀点用于控制膜的透光度，同时还起到散射阳光的作用。

（2）加工制作

气枕是由若干个一定幅宽的ETFE膜材经过裁剪、热合组装而成的，对于每个气枕而言，无论是表面层或是中间层，它都要存在几条热合缝，一个完整立面或平面的所有气枕的热合缝都朝着同一个方向并在同一条直线上是本工程中最大的技术特点之一。

虽然气枕的外形尺寸有重复，但由于每个气枕之间存在层数、厚度、镀点等诸多元素可能的不同，所有气枕均具有不可替换性，因此所有气枕均有一个唯一的编号。膜材到加工厂后，向电脑输入整面所有的气枕的加工信息，通过微机分析、放样，在ETFE激光绘图自动膜加工仪器上进行统一裁剪，最后经过大型密封滑板焊接设备，热合成型组装成为气枕。成型后，需对每一个气枕进行充气测试、找型等工序，检验合格后进行包装运至现场。

（3）现场施工

首先保证每组充气系统的气密性。该工程充气系统共有18个永久气泵，为立面气枕供气的气泵为8个，为屋面、吊顶气枕供气的气泵分别为5个。每套充气系统均具有自动测试气压、并自动补气，对进入的空气进行除尘过滤、干燥的功能，以保证气枕内的空气的清洁度、干燥度及气压均达到设计要求。在安装过程中，需对包装折叠、锐角收头等原因产生的皱拓进行热烤或通过调整气阀来消除。

三、结束语

国家游泳中心项目在施工过程中完成了许多科技创新课题的研究和实践，并解决了大量的施工难题，为今后类似工程施工提供了可贵的经验。值得深思的是，对于我们中国华西而言，在当前亟待规范的建筑市场中，要摆脱低门槛同质化无序竞争的窠臼，必须寻求提高自身的技术含量，综合管理能力，尤其是现代化项目管理需要的综合竞争力。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/5b11fc8af6ec4afe04a1b0717fd5360cbb1a8dcd.html