科特迪瓦國家體育館高大曲面異形結構施工技術分析

鄧建芳

（甘肅第四建設集團有限責任公司，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

伴隨著大量造型獨特的建筑出現，建筑表面的非線性和不規則性特征變得更加明顯。在建筑設計中，新的結構和組合結構也在不斷地涌現，這對建筑的建造技術帶來了巨大的挑戰。在科特迪瓦國家體育場工程項目中，涉及高大曲面異形結構的建造。建設單位針對施工難點，對其施工技術進行優化，形成了一套適用于異形結構施工的新技術。本文就新技術及其在科特迪瓦國家體育館工程中應用進行分析，包括施工工藝流程及操作要點的介紹，為以后類似施工項目提供參考。

1 工程概況

科特迪瓦國家體育館（見圖1所示）坐落在科特迪瓦經濟特區阿比讓市以北的阿尼亞馬區，場地為長方形（500m×400m），向東200m為主干路，由中國政府投資，北京建工集團有限公司施工。該體育館占地61,250㎡，為容納60000個座位的超大運動場；運動場級別為A級；該體育館的樓層為5層，高度為51.4m（頂蓋在結構的中心位置）；該工程采用RC 框架+空心鋼管網架+膜面結構，混凝土灌注樁基。該場館的設計等級為2級，按國內中等規模的B級標準進行設計。

圖1 科特迪瓦國家體育館安裝現場

2 結構施工難點及施工工法的確定

2.1 施工難點

該項目共96根扶壁柱，均為空間異形構件，其斷面尺寸很大且具備較高的高度，高度從16.264m到27.056m不等，且延環向軸G軸方向有傾斜角度，導致腳手架的搭建難度加大。同時，飛扶壁和斜杈柱的高度也各不相同，需要搭設24種不同間距和步距的腳手架體系，這進一步增加了腳手架搭建的復雜性和施工成本。整個結構形式雖為1/4對稱，但在1/4對稱中的24條軸線內結構形式不對稱。扶壁柱、斜杈柱及飛扶壁節點處鋼筋密集，導致振搗棒無法插入，該項目工程施工難點主要在于空間范圍內的異形結構扶壁柱、扶壁柱的構件截面尺寸過大或者斜率不一致等問題，構件的定位、模板的制作、腳手架的搭設等都是非常困難的，而且需要耗費大量的人力物力，工期較長，很難保證工程的施工質量[1]。

2.2 施工工法的確定

針對上述施工難點，經過一系列的研究，對于空間異形構件如扶壁柱、斜杈柱和飛扶壁，通過BIM 模型與實際測量的對比，不斷調整和優化定位方法，針對異形構件的截面尺寸和高度差異，定制型鋼框木模和鋼管固定木模。對于扶壁柱，采用定型鋼框木模，并根據實際情況調整模板高度和拼接方式。對于斜杈柱和飛扶壁，根據截面尺寸對鋼管進行二次加工，減少現場切割造成的損耗，根據扶壁柱、斜杈柱和飛扶壁的高度、傾斜角度和間距要求，設計多種不同間距和步距的腳手架體系方案。采用扣件式腳手架，并根據實際情況調整立桿間距、橫桿步距和連墻件設置等參數。對于高度較高的構件，采用分段搭設的方法，根據構件的空間位置和相互關系，制定合理的施工順序。先施工扶壁柱，再施工斜杈柱和飛扶壁，確保各構件之間的連接和支撐穩定可靠。該工法解決了復雜曲線屋頂的放線定位、支撐架搭設、模板鋼筋安裝等關鍵問題，使屋頂曲線的精度得到了很大的提升，同時又不會顯著地增加施工費用[2]。

3 異型構件模板施工方案及BIM優化設計

該項目的關鍵在于異型構件模板施工方案的選擇，也離不開BIM技術對異型件細節處的分析。

3.1 異型構件模板施工方案選擇

扶壁柱、斜杈梁等都是空間的異型結構構件,而且斷面大小和高程也不同，因此整個建筑構造形態中由于結構不對稱的問題，讓實際的施工情況變得尤為復雜。為此，需對多項施工方案進行比選。扶壁柱模板方案對比如表1所示。

表1 扶壁柱模板方案對比

通過對扶壁柱的整體分析，確定了扶壁柱采用型鋼框木模板和斜支柱，保證了支撐柱的緊固性，并將支撐柱的最大傾角設在75°，避免了支撐柱的失效。使用鋼管來固定木材模板，可以最大限度地滿足工地建設的需要，并且在后期開發本地市場對可復制利用。通過對現場扶壁柱標高及模板尺寸的分析，確定了固定鋼框架木模的高度分別為2.44m 及1.2m，在梁、柱連接部位采取了散拼散支的方法；依據斜桿柱和飛扶壁的斷面大小，可以對支架上用過的鋼管再進行二次加工，實現快速拆卸，縮短施工周期，并可以反復使用，節省施工成本。

3.2 異形構件施工方案的BIM優化設計

高大曲面異形結構通過 BIM 技術對異型件進行分析，精確地確定其空間定位及傾斜角度。在此基礎上，運用“第一階段樣板責任制”的施工方式，將其與3D圖紙進行比較分析，以確保其總體施工效果符合設計要求[3]。

（1）用Tekla軟件對鋼構進行深化設計，構成完整的高大曲面異形結構3D節點，轉變傳統的二維設計思路，通過調整參數及自動匹配功能，以解決鋼構的加工與成形難題。

（2）體育中心內的鋼桁架每根桿件重量為28.43t，由于受到吊裝裝備的限制，不能一次全部吊裝，因此利用BIM 軟件建立臨時支撐模型，對其進行了可行性分析，最終決定采用單桿桿件三跨回轉，在中跨與邊跨的交叉點上進行拼裝，并在空中進行合攏的方式，確保大跨徑鋼桁架屋蓋的安裝能夠安全、順利地進行。

（3）通過BIM技術，根據建筑的實際外形，制作幕墻表皮，對其進行優化和切割，使得幕墻的嵌板能夠滿足設計和規范的需要，這大大減少了現場的沖突，避免了施工返工，從而提升了項目的設計質量和工作效率。

（4）為了保證異形構件的布局更加合理，確保各個構件之間以及與其他專業之間的施工不會相互干擾，將Revit 模型引入到Navisworks 中進行了優化分析。打開Navisworks軟件，進入操作面板。在上方“常用”選項卡中點擊“附加”，從下拉菜單中選擇附加功能。接著，在附加窗口中找到需要載入的Revit模型，點擊打開，即可將模型順利導入Navisworks 軟件內。對導入的模型進行碰撞檢測，根據《建筑施工規范》對異形構件進行了進一步的優化調整。優化過程中，確保它們在施工過程中能夠相互協調，不會造成施工難度或安全隱患。經過優化后的異形構件布局更加合理，不僅避免了可能存在的沖突問題，還提高了施工效率和質量。在實際施工中，根據優化后的模型進行了精確的定位和安裝，保證了異形構件的穩定性。

（5）基于BIM技術，利用自動焊接機器人，對大型鋼框架結構進行了平面、橫向和垂直三種模式的自動焊接。利用BIM技術進行模板設計，并與放樣機器人進行模板安裝、定位和校核的過程中，能夠減少模板間的拼縫數量，減少混凝土錯臺，最大限度提高混凝土結構整體度、消滅空鼓，減少混凝土澆筑后的修飾工序。

4 異形構件模板施工工藝流程及操作要點

4.1 施工工藝流程

開始→制作外弧模型，以膠合板為材料，畫線、切割成模型→將外弧板平放在拱出的圓弧上，用外力按住兩側模板與模型弧度相切→對拉螺桿加固：在模板上開孔，穿對拉螺栓，連接主龍骨和山型卡→模板與方柱創新鏈接：模板平放于木方上，用鋼釘鉚釘固定，澆筑面覆塑處理→調節器優化設計，對位螺桿式背后調節器，減輕自重，方便運輸和調節→調節孔周全設計：橢圓狀調節孔提供調節空間→內外施工加固樣式：內弧面采用內緊螺絲，外弧面采用外放螺絲進行加固→將屋頂按照弧形區域劃分→模板支撐預埋→定位放線→鋼支撐架捆扎→混凝土、鋼支撐架澆筑→混凝土澆筑施工→拆模。在施工階段，將事先準備好的材料以分段吊裝的形式運送到施工現場，并運用BIM模型，對施工過程進行仿真，進而確定最優的施工工藝[4]。

4.2 施工操作要點

4.2.1 精確制作與定位弧形模板

選用高質量的膠合板作為材料，按照設計圖紙上的相應弧線進行畫線并精確切割，在制作過程中，應注意模板的平整度和光滑度，應將模板平放在相應的圓弧上，用外力按住兩側模板，使其與模型弧度緊密相切。然后，通過調節螺母使調節器U 型卡充分受力，固定住木方，確保模板在澆筑過程中不會發生位移或變形。

4.2.2 模板支架預埋布置

施工要求和現場條件選擇斜撐加固或對拉螺桿加固，斜撐加固時，應選用合適的鋼管作為支撐材料，將鋼管的一側斜向靠在木方的背側，另一側則固定在地面或支撐架體上。而在進行拉螺桿加固時，則需要在模板上開孔，并將對拉螺栓穿入其中。此時，木方被用作次龍骨，而鋼管或鋼筋則充當主龍骨，并與山型卡相連。利用3DMAX 仿真技術，對整個穹頂進行了3D 建模，結合施工計劃，對模板支架進行了平面布置。

4.2.3 定位放線及檢查

在異形表面現澆頂板的施工過程中，采用了3°橫投影法來進行精確定位。將該模型的截面投影到下一層，再利用該模型得到下一層的截面。根據這一成果以及相關數據和現場具體情況，劃分了各個測點，并計算確定了各個測點的風荷載。將各個分段的分割線投射到下方的構造層，并將其作為控制軸線。對異形構件的不同部位進行區域劃分，并根據每一部分的風荷載的等效關系，得出對應的區域。在定位處，明確指出了各支撐點的位置、長度和編號（X,Y,Z…）。鋼管架的定位坐標根據預先布置的定位軸線確定，而長度則是通過三維模型的每一條軸線的截面圖精確計算出來的。利用準備工作確保支撐架能夠在施工現場快速、準確地安裝到位。注重立面為曲面拱的處理，通過結構梁拉結和掛板中間利用隔板的分割，實現了模板的安裝加固。嚴格控制各項參數，確保每一個細節都符合設計要求，從而保證異形表面施工質量合乎規格。

在上述分析的基礎上，針對客戶的要求，提出了一系列的具體設計方案，即安裝前的準備工作和安裝流程，讓設計師和安裝工程師之間的交流更為順利，以保證正確的安裝邏輯，獲得最佳的設計效果[6]。下掛板立面圖如圖2所示。此部位為屋蓋頂板下刮板，立面為曲面拱，通過結構梁拉結，掛板中間利用隔板分割，實現模板安裝加固并確保一次成型感觀質量。

圖2 下掛板立面圖

4.2.4 鋼支撐件的安裝

根據三維圖紙把各種型號的鋼管和扣件放入場內，然后根據定位放線上的數字，對支架進行定位和安裝。在進行安裝時，要嚴格按照施工計劃和支撐架的計算機預排圖，在鋼管架的頂端安裝一個頂托，以便于對標高進行微調。在進行上下兩層的型鋼和支模架的施工時，必須嚴格按照設計圖紙和施工計劃進行測量和放線。確保布置立桿以及制作模板的準確位置，使其符合要求。在完成測量和放線后，還需要經過專業技術人員的檢驗和確認，確認無誤后方可開始使用。與此同時，在原剪切機架的基礎上，在架構件上隔跨時，也要在架構件上隔跨處添加適當的短向斜架，以保持結構的平衡穩定[7]。

4.2.5 模架和加勁肋的布置

（1）模具的設置。首先將鋼龍骨與鋼條進行搭接，由于鋼條的縱彎較為平滑，因此長度可縮短至2m，若橫彎較大，則縮短至1m。因此，為保證屋頂的弧度，盡量使用整體模板，由于橫向屋面的弧度較大，因此，將模板的短邊作為屋頂的橫渡，而長邊作為屋頂的縱度，將誤差降到最低。2個模具的接頭應置于其下方，模具的長寬均應用鐵釘釘緊，避免造成模具的扭曲。組裝完畢后，用鋼索將模板與垂直鋼管系緊，這樣才能保證模板的整體性，所有的板面都要緊貼在龍骨上。

（2）鋼筋的安裝。天花鋼筋為圓鋼筋，彈性好，在安裝時，只需將固定鋼筋按500×500的間距對齊即可；對于直徑較大、硬度較高的屋頂梁筋，在加工時，需將其安裝到模板短邊（915mm）上，并進行彎曲，彎曲完成后，與按照屋頂曲線制作的模具對比，誤差不得超過10mm[8]。

5 結束語

總體而言，科特迪瓦的國家體育館是以鋼筋混凝土為主體，與純粹單位鋼結構比較起來，混凝土空間異形大截面尺寸構件的施工比較復雜。因此，在空間異形結構構件施工之前，將 BIM 技術運用到實際工程中，解決了構件的空間位置關系問題，并以異形構件為基礎，選擇適當的模架體系，為施工提供了一種既安全又可靠的支撐體系；在施工過程中，根據設計要求，對各環節的施工工藝進行有效控制，保證了該異型結構的施工質量。該項目施工形成了一套適用于異形結構施工的新技術，有效地解決了曲面異形結構施工難度大、吊裝效率低等問題，值得總結經驗，以資參考。