上海浦東足球場鋼結構深化創新應用

錢曉村 盧 俊 柯敦華

上海機施建筑設計咨詢有限公司 上海 200072

1 工程概況

上海浦東足球場位于錦繡東路以南，規劃金滇路以東，金葵路以北，規劃金湘路以西，總用地面積約10 hm2。其屋蓋部分長軸向約為211 m，短軸向約為173 m，看臺罩棚短軸向懸挑長度為50 m，長軸向懸挑長度為48.3 m（圖1）。

圖1 上海浦東足球場鳥瞰效果圖

根據建筑造型、空間使用功能和視覺美觀要求，結合結構受力特點，體育場屋蓋結構內部的挑篷采用了輪輻式索承網格結構，其獨特的中置壓環鋼結構張拉體系，對鋼結構、屋面系統等的設計、加工和安裝提出了毫米級的精度要求。

我們運用BIM技術，對本項目的鋼結構系統、金屬屋面系統、膜結構吊頂系統、立面幕墻系統、看臺預制板系統等進行多專業一體化施工管理。以信息化、參數化、模塊化為技術應用方向[1-2]，結合大數據合模、動態施工模擬、全息三維掃描、參數化數據對比分析等技術手段，聯動設計、生產、施工“三位一體”，以兩個一體化為目標導向，在有限的時間內有效規避本項目所產生的復雜空間體量問題，推動項目有序、高效、順利進行。

2 中置壓環鋼結構張拉體系屋蓋的動態布置

上海浦東足球場設計中最引人注目的就是大跨度的無柱鋼屋蓋空間及其流線型的外觀，屋蓋的跨度達到了200 m。

與此同時，本項目建設的最大難點也在于其結構設計中國際首創的中置壓環張拉鋼結構體系屋蓋（圖2）。其獨有的中壓環梁、徑向梁，以及剛柔并濟的索承網格體系，在體現美感的同時，也為設計、深化、加工、安裝等一系列環節帶來不小的考驗與挑戰。

圖2 上海浦東足球場鋼屋蓋模型

2.1 “四態一體”鋼結構屋蓋系統的布置理念

上海浦東足球場鋼屋蓋主要的結構體系包括結構柱、中置壓環、上部徑向梁、下部徑向索以及內環索和V柱支撐（圖3）。屋蓋的結構體系可以看成是輪輻式體系和下張弦屋蓋的有機結合。因為傳統的全張拉輪輻式體系由于上弦采用柔性的鋼索以提供金屬屋面的面內外剛度，所以本工程中采用了剛性的箱形上弦桿以提供金屬屋面的可靠支承條件。正是由于采用了剛性的上弦桿，才可以將徑向索的水平分力有效地傳遞到中置壓環上，從而形成完全封閉的環索自錨體系。

圖3 中置壓環張拉鋼結構屋蓋體系

同時，由于本項目鋼結構屋蓋體系的復雜性，傳統的二維圖紙無法全面表達其空間體量關系，我們在鋼結構模型建立以及深化設計環節，利用正向設計原理，通過多方論證及多個應力狀態下產生的空間定位分析，最終明確了可用于深化的鋼結構屋蓋體系施工計算線模型定位標準，再結合多狀態調整后的線模型標準放樣得出作為鋼結構深化基礎的空間體量模型。

針對上海浦東足球場鋼屋蓋的特殊性，為保障現場施工的精準以及安全性，我們聯合設計方，通過嚴密的結構計算以及對現場施工工況的分析，結合其獨特的不同應力下的張拉體系狀態變化，將整個鋼結構屋蓋的深化、施工分為“四態六步”，即4種狀態，6個步驟。

四態即為：初始零應力狀態、索網張拉完成后狀態、內懸挑端安裝完成后狀態、安裝屋面系統并卸載胎架后狀態。對于鋼結構深化來說，先要快速理清各態的前因后果，明確深化設計思路。從零應力態到索網張拉完成態過程中，結構在徑向和環向均產生不同程度的位移。徑向位移所引起的問題是V撐的長度有所縮短，變化量為6～29 mm，如果按照零應力態下的長度深化，這么大的長度變化足以導致V撐發生屈曲，顯然是不可行的，因此V撐必須按照張拉后的長度深化。環向位移引起的問題是由徑向梁、V撐、徑向索構成的面在空間發生變形和偏轉，徑向梁、索夾上的連接板如果按零應力態設計，靠關節軸承調節顯然是不行的。按施工流程分析，徑向索、環索均采用定長索，初始狀態時徑向梁、V撐處在零應力態，徑向索、環索處于松弛的自由態，張拉后才會逐步就位。因此徑向梁、索夾上的連接板空間狀態應該按完成態進行深化設計。

綜上，內懸挑端安裝完成后狀態和最終卸載狀態對整體結構的影響較小，可以忽略；初始的零應力態到索網張拉完成態對整體結構位移較大，但V撐以上部分屋面結構變形量不大，可以忽略；徑向索和環索都為定長索，不設調節量。所以在深化過程中V撐以上部分按零應力態深化，而V撐、環索等則按張拉完成態深化。V撐、徑向索兩端分別與環索和徑向梁相連，而在深化模型中，環索和徑向梁分處不同的設計態，如何正確處理不同設計態下的構件關系，開展鋼結構深化、出圖、加工和安裝工作，確保現場順利實施，是屋面深化的關鍵。

2.2 鋼結構屋蓋體系的模型建立

由于上下兩部分在鋼結構深化過程中分屬兩個狀態而產生不共面的問題，從而導致鋼結構在深化階段的連接節點、出圖等方面產生冗長繁復的操作。

就此，我們聯動多方，根據施工吊裝順序，以由設計方計算得出的V撐外肢及徑向索長度不變為標準，移動每一榀下拉環點位使其與徑向梁中線共面，再定出V撐內肢的長度與空間定位，最終使上部徑向梁體系與下部V撐體系共面，更精準、更方便地為后續鋼結構深化工作的展開提供條件（圖4）。

圖4 屋蓋主鋼結構構件深化依據

我們利用Rhino及Grasshopper平臺，以上述條件為依據，將所有屋面鋼結構以鋼結構深化階段標準按不同階段進行線模型放樣及共面調整，生成深化狀態下的鋼結構線模型，再利用Grasshopper平臺計算所有環向鋼梁與徑向梁銜接位置的旋轉角度，將最終線模型及相關數據導入傳統鋼結構深化軟件Tekla中進行體模型的放樣以及后續的深化操作。

通過上述操作，從而完成鋼結構深化的設計溝通、偏移量計算、線模型原則及空間定位確定、空間體量模型放樣等一系列環節。

根據以上原則，吊裝所有主鋼構件及附加主檁條后，開始整個屋蓋的索網張拉操作，并在施工開始前，模擬出索網張拉完成以及安裝內側懸挑端主鋼構件后的所有已安裝桿件的空間定位坐標，以供后續屋面體系及膜結構吊頂體系的深化、加工、安裝。

同時，考慮現場施工形變及精度控制等特點，再將此“四態”細分為6個施工步驟，即：安裝立柱、徑向梁、外側圈梁（預留8個合攏嵌補段）→安裝V撐外肢、環索、徑向索和索夾并同步張拉徑向索→安裝中壓環外側的合攏嵌補段圈梁、屋面支撐及柱間BRB支撐→安裝V撐內肢和中壓環內側徑向懸挑梁→安裝壓環內側圈梁、屋面支撐及V撐橫梁→安裝屋面系統、馬道并卸載胎架（圖5）。

圖5 上海浦東足球場鋼屋蓋模型（局部）

3 屋蓋各體系結構的難點及解決措施

3.1 屋蓋檁條支撐體系的難點及解決措施

屋面水平支撐的難點在于空間位置的確定及連接板的設置，空間位置需要同時考慮屋面結構、圈梁、吊頂構造等多種因素才能確定。由于前后2根徑向梁在空間的斜率不同，支撐不共面，連接板無法按共面處理，因此我們只能盡可能考慮局部構造的合理性，在支撐的交點處把連接板進行共面處理，兩塊連接板合成一塊，做成異形連接板，穿過環梁并連接水平撐。

主體結構與屋面體系密切相關，同時設計明確要求現場不得在徑向梁上施焊，為了配合后續屋面體系的施工，深化時需預先考慮在主體結構上設置屋面主次檁的連接節點。主檁沿徑向分布，節點主要設置在環梁上，采用螺栓連接（圖6）。次檁沿環向布置，除與主檁連接外，主要連接在徑向梁上，同樣采用螺栓連接。放樣后發現由于整體結構的不規則，導致次檁連接板與徑向梁的關系非常復雜，無法按統一原則設置，如預制在徑向梁上，不僅加工定位難度增大，現場返工率也將大幅提升，權衡利弊后最終確定徑向梁上僅設置槽鋼構造，雖然一定程度上增加了現場工作量，但現場施工更靈活、可調性更大，也滿足了現場不直接在徑向梁上施焊的需求（圖7）。

圖6 環梁上部與屋面檁條節點示意

圖7 次檁與徑向梁連接處增設槽鋼示意

3.2 屋蓋水平支撐體系的深化節點分析及焊縫合理應用

設計屋面圖紙上典型水平撐節點如圖8所示，圖8中僅示意了轉換圈梁和徑向梁交會處的水平撐連接板。

圖8 水平撐板節點示意

但在碰到圖9中徑向梁和圈梁交會處的水平撐節點時，連接板厚度和徑向梁及圈梁焊接明顯不滿足厚薄板焊接規范要求。在和設計方討論的節點方案中，避免厚薄板問題的一種方案是增加板厚，另一種是采用本體開槽連接板貫通。本體開槽方案的材料沒有增加，但焊接工藝會要求更高?？紤]到徑向梁為主要受力構件，設計方不希望在腹板上開槽口，圈梁為次要構件，可以采用開槽節點。經過討論，最終確認徑向梁采用腹板在水平撐范圍局部加厚至與水平撐同厚，圈梁腹壁開槽，并采用牛腿現場連接的形式，這樣有利于水平撐及開槽工作在工廠就能完成。在這個典型節點中，明顯體現出深化設計能靈活應用節點的優勢，將工廠焊接可行性及現場安裝操作性考慮周全。

圖9 水平撐板節點實際放樣示意

3.3 屋蓋徑向梁和環向梁（中壓環）體系的深化節點分析及焊縫合理應用

徑向梁和環向梁（中壓環）是屋蓋結構體系的重要組成部分，均采用焊接箱形截面。徑向梁采用薄壁箱梁（腹板僅厚10 mm），內部設置縱向加勁（腹板加勁）和橫隔板以提高箱梁剛度，與徑向索、環向主梁等節點連接區域則通過增加板厚保證受力需求。實際施工時，節點區厚薄板變化區域較多；環向主梁牛腿、水平支撐連接板存在空間角度，定位困難；縱向加勁較密，焊在薄壁腹板上易產生變形，建議采用間斷焊處理；箱形截面內部空間小，橫隔板無法退焊，所以做不到圍焊，優化為斜對角邊不焊（圖10）。

圖10 縱向加勁間斷焊，橫隔板斜對角邊不焊

中壓環同樣采用的是箱形截面（截面1 500 mm×1 500 mm×50 mm×50 mm），壁厚較厚，端部采用法蘭連接，為了減重，法蘭板中間開洞，用薄板密封處理（圖11）。由于結構造型不規則，空間定位難度較大，考慮現場安裝誤差，為保證壓環梁精確就位，部分環梁與法蘭板的焊縫采用現場實測、現場施焊的方式處理。

圖11 法蘭連接示意

4 深化中合理考慮提升和張拉工裝與鋼結構的關系

上海浦東足球場屋蓋結構內部的挑篷采用了預應力索承網格結構，通過在徑向索和環索中施加預應力，平衡上部網格的質量，這步張拉工序由專業單位來完成。張拉過程中會有例如反力工裝、鋼絞線、千斤頂等張拉設備需要與鋼結構構件連接。本工程中的徑向索張拉工裝較為復雜，深化設計時利用專業技術及時判斷在實際加工和現場施工中的可行性，為工程快速推進起到了承上啟下作用。

圖12中，張拉節點位于外圈梁，千斤頂裝置位于外圈梁外側，此方案僅需在環向梁上設置穿索套管，既施工方便又節省材料。然而在深化放樣中，套管與鋼結構有硬碰撞，主體結構無法避讓，所以放棄此方案另想辦法。

圖12 位于外圈梁節點與鋼結構碰撞模型示意

圖13采用張拉工裝耳板措施，增加連接側耳板和徑向索豎向連接板全熔透焊接，在側耳板上采用銷軸連接工裝裝置。在深化過程中，特別針對焊縫工藝進行了優化，耳板尾部由于徑向梁本體厚度（26 mm）與側耳板板厚（70 mm）相差甚遠，考慮熔火量過大對圈梁本體的受力影響，和設計討論后認為在滿足強度前提下與徑向梁底部焊縫僅采用構造焊縫即可，大大降低了工廠的焊接工作量。

圖13 采用張拉工裝耳板措施節點示意

5 結語

通過以上“四態六部”過程及細部張拉工裝節點方案結合一體，從真正意義上做到并進一步提升了“鋼結構、屋面一體化”以及“設計、深化、加工、施工一體化”的兩個一體化理念，為設計、深化、施工提供了有效理論支撐。