中国国家大剧院壳体钢结构施工工艺的研究和改进

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中国国家大剧院座落于天安门广场的西南侧，其东面与人民大会堂为邻，北面与中南海相望，位置显要。由法国 ADP公司著名建筑师安德鲁先生设计的国家大剧院，其外形似一颗椭球形的珍珠，半浮于如镜水面之上，在蓝天白云的衬托下，浮光掠影，璀灿夺目。这给具有厚重历史色彩的天安门广场注入了轻灵的现代气息。
　　 或许对中国国家大剧院的建筑方案的评价，依然仁者见仁，智者见智。但在中国建设者创造性的努力下，其巨型的壳体钢结构已揭去了神秘面纱，露出其伟岸的身躯，使留连在长安街上的人们得以一睹芳容。数年一剑，短短三个月的壳体钢结构的现场吊装，既反映了中国工程技术人员们几年来对施工工艺的不懈研究和改进的成效，也凝聚着中法两国建筑结构专家的心血和智慧。
　　 在国家大剧院这个世人瞩目的项目建设上，安德鲁先生和他的同事们对此倾注了巨大的心力。他们不仅在建筑方案上几易其稿，而且对壳体钢结构从制作到安装，从结构的整体稳定到节点的细部处理，作了详细的考虑和详尽的计算。当我们揣摸着洋洋万言的技术要领书和厚达盈寸的结构验算资料，深感到法国同行们对这一精品工程的厚望。或许，其中还包含着对中国建筑施工能力的一丝疑虑。
　　 这种疑虑，并非毫无道理，因为这毕竟是中国国内所仅有，乃至世界上亦屈指可数的巨型钢结构壳体。其长达 212m，宽为143m，高至45m，由一组顶环梁、148榀弧形梁架和内外各42道环杆组成，重逾6000t。巨大的穹顶内部没有一根立柱，却包含着歌剧院、戏剧院和音乐厅三幢混凝土建筑，结构形式及施工环境之特殊，确实给施工建造出了一道难题。
　　 承担国家大剧院壳体钢结构施工任务的上海建工集团总公司及所属上海市机械施工公司，在业主委员会有关领导的充分信任和支持下，在北京双圆监理的鼎力相助下，自 2000年始，即组织了精干的技术队伍对壳体钢结构的施工工艺进行了全面的探索和研究。我们和法国设计师们进行了数十次的技术谈判和书面交涉，认真分析和吸收法国同行们的合理建议，在结构吊装顺序、吊装单元划分，吊装过程中结构约束条件和构造处理等许多方面达成共识。但由于双方在文化或观念上的差异，以及对中国国情认识上的不同，在一些比较重大的施工技术措施上存在分岐。在交涉过程中，我们不唯洋是从，坚持从中国国情和上海建工自有的技术优势出发，以我为主，集思广益，形成了一条既有创新，又可操作的钢结构施工技术路线。
　　 我们和法国同行们意见分岐的根本之点，在于对钢结构安装精度的控制上。众所周知，钢结构安装的精度，特别是大跨度空间复杂钢结构的安装精度，是有其客观限度的。它受到我国目前材料、制作和安装工艺水平的限制，同时还受到日照、温差等环境因素的影响。每一项超过常规要求的质量指标，不是一定不能达到，而是要化极大的质量成本的。也许是法国设计师们受到追求精品工程这一欲望的驱使，为了使钢结构上覆盖的钛合金板和玻璃幕墙完美无缺，他们对壳体钢结构制作和安装的精度，提出了近乎苛刻的要求：制作，任意点偏差小于 1mm；安装，任意点偏差小于2mm，完成壳体安装后结构恒载作用下变形与理想椭球体任意点的空间位移不大于20mm，这与我国现行的有关规范和标准天差地远。如：按现行的国家钢结构验收规范（GB50205-2001）中，对大于60m的大跨度桁架的平面外挠曲值为≤50mm，法方的要求（2mm）比现行规范要高出数十倍。如果接受法方要求，就意味着要化极大的施工代价来强求。即便如此，由于客观因素的影响，其效果也不得而知。正如业主方有一位高级工程师作了极为形象的比喻，幕墙与钢结构的关系，就好比靴子与人足的关系，唯有以靴子来适应双足，而绝不能以人足来适应靴子。因此我们坚持以国家现行标准为基础，按照或参照标准中的有关内容，制订了切实可行的适当高于国家规范规定值的《中国国家大剧院壳体钢结构制作，安装质量验收标准》，得到了中国钢协有关专家和北京市标办的认可。当然，在确定钢结构安装标准的同时，我们及时与幕墙施工单位香港建设进行了技术协调，在幕墙结构和节点构造设计及施工时，消化钢结构安装过程中不可避免的误差，并得了到了他们的理解和支持。
　　 为了实现钢结构安装的高精度，法方专家提出了一系列相应的施工措施。如在详图设计、制作和安装过程中实施空间三维反变形；又如制作阶段壳体钢结构整体预拼装；再如计算机控制实时检测的安装测量控制等等。这些措施不仅耗费巨大，而且难以操作。我们在对其逐一研究分析的基础上，提出了针对性的改进方案。