钢结构工程国家大剧院

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1、钢结构工程国家大剧院.txt 男人应该感谢 20 多岁陪在自己身边的女人。因为 20 岁是男人 人生的最低谷，没钱，没事业；而 20 岁，却是女人一生中最灿烂的季节。只要锄头舞得好， 哪有墙角挖不到？国家大剧院是一座恢弘的建筑，后现代的风格与中国传统文化和谐共荣， 构建一个超越时空，弥漫艺术特质的奇妙空间。它是表演艺术的殿堂，是承载民族文化复兴 的使命，汇聚世界文化艺术碰撞的“水上明珠” 。大剧院位于北京市中心天安门广场西，人民大会堂西侧，西长安街以南，由国家大剧院主体 建筑及南北两侧的水下长廊、地下停车场、人工湖、绿地组成，总占地面积 11.89 万平方米， 总建筑面积约 16.5 万平方米

2、，其中主体建筑 10.5 万中国国家大剧院标志平方米，地下附属 设施 6 万平方米。总投资额 26.88 亿人民币（大剧院最新公布的造价数字是 31 亿元人民币） 。主体建筑由外部围护钢结构壳体和内部 2091 个坐席的歌剧院(含站席 2398)、1859 个坐席的 音乐厅(含站席 2017)、957 个坐席的戏剧院(含站席 1040)、公共大厅及配套用房组成。外 部围护钢结构壳体呈半椭球形，平面投影东西方向长轴长度为 212.20 米，南北方向短轴长 度为 143.64 米，建筑物高度为 46.285 米，基础埋深的最深部分达到-32.5 米。椭球形屋面 主要采用钛金属板饰面，中部为渐开式玻

3、璃幕墙。椭球壳体外环绕人工湖，湖面面积达 35500 平方米，各种通道和入口都设在水面下。 国家 大剧院高 46.68 米，比人民大会堂略低 3.32 米。但其实际高度要比人民大会堂高很多，因 为国家大剧院 60的建筑在地下，其地下的高度有 10 层楼那么高。国家大剧院工程于 2001 年 12 月 13 日开工，于 2007 年 9 月建成。国家大剧院由法国建筑师保罗安德鲁主持设计， 设计方为法国巴黎机场公司。国家大剧院建筑屋面呈半椭圆形，由具有柔和的色调和光泽的 钛金属覆盖，前后两侧有两个类似三角形的玻璃幕墙切面，整个建筑漂浮于人造水面之上， 行人需从一条 80 米长的水下通道进入演出大厅

4、。大剧院造型新颖、前卫，构思独特，是传 统与现代、浪漫与现实的结合。国家大剧院庞大的椭圆外形在长安街上显得像个“天外来客” ，与周遭环境的冲突让它显得十分抢眼。这座“城市中的剧院、剧院中的城市”计划以一颗 献给新世纪的超越想象的“湖中明珠”的奇异姿态出现。人工湖四周为大片绿地组成的文化休闲广场。人工湖面积达 35500 平方米，人工湖水深为 40 厘米，3.5 万平方米整个水池分为 22 格，分格设计既便于检修，又能够节约用水，还有 利于安全。每一格相对独立，但外观上保持了整体一致性。为了保证水池里的水“冬天不结 冰，夏天不长藻”采用了一套称作“中央液态冷热源环境系统控制”的水循环系统。此系统

5、 用地源热泵利用地下浅层地热资源既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统。国家大剧院是空间双层网壳结构，这一结构更完整，更纯粹。 ”大剧院的壳体钢结构总重 6750 吨，网壳面积 3.5 万平方米，没有一根立柱支撑，全靠 148 榀弧型钢梁承重。虽然这 一壳体的高、重、大为中华第一，但它同时也是大跨度空间结构中单位用钢量最少的，每平 方米不到 200 公斤，仅为卢浮宫钢结构每平方米用钢的三分之一。如此“轻便”的穹顶大大 减少了承重钢梁的压力，建筑物的安全系数将会很高。另外，考虑到风、雪、地震等自然因素，壳体钢结构还体现了柔性设计理念。钢梁接触地面的一端允许相应滑动，整个结构的最 大变形度大约为

6、 20 厘米。 支撑壳体的钢结构共用了 6700 多吨钢材，可以看到壳体完全是由钢结构自身支撑力支撑， 没有一根立柱，壳体内位于正中的歌剧院外围墙体与壳顶也是悬空的。超椭球形屋面主要采 用钛金属板饰面，这里所采用的材料全部是从日本进口的，能抗 8 级地震，可以保证 15 年 不变颜色。大剧院外部围护为钢结构壳体，整体呈半椭圆球形，长 212 米、宽 143 米、高 46 米，覆盖 歌剧院、音乐厅、戏剧场、小剧场等主体结构，是世界上最大的穹顶建筑。壳体设计钢构件 总数近 4 万个，仅仅环向系杆就要用近 1.2 万根。自然的贝壳造型保证了它的坚固度。尽管壳体的最大长度达 218m，但厚度却不超过

7、3m。这 一设计既轻盈又不会对玻璃天篷有所遮盖国家大剧院主体建筑钢结构椭球体壳体(以下简称:壳体)为一超大空间壳体，东西长约 212m，南北约 144m，高约 46m。整个钢壳体由顶环梁、梁架构成骨架;梁架之间由连杆、斜 撑连接。顶环梁通长采用 1117.6-25.4THK 钢管，中间矩形框采用矩形箱型梁。整个顶环梁长约 60m，宽约 38m。顶环梁半圆区内搁栅呈放射状分布;矩形框内南北向搁栅采用 60m 钢板梁， 东西向采用 194 钢管，搁栅呈网格状分布。整个顶环梁总重约 7O0t。梁架分为 A 类(短轴梁架)、B(长轴梁架);A 类梁架采用 60mm 厚钢板制作，B 类梁架采用 上下翼缘

8、不等的焊接 H 型钢。A 类梁架共 46 榀，B 类梁架共 102 榀。斜撑及连杆均采用钢管;短轴梁架之间连杆节点采用铸钢节点连接，长轴梁架连杆采用 钢套筒连接。结构特点如下:(l)该壳体为一超大型空间结构，结构体量大。整个结构待壳体完全形成后，方为稳定 的空间结构，所以保证施工阶段的结构稳定至关重要;(2)该壳体为非正椭圆球体，且壳体内外两球面的椭圆方程并不一样，因而施工中平面、空 间定位测量的难度颇大;(3)壳体的主要结构体梁架(尤其是短轴梁架，侧向厚度仅为 60mm)平面外刚度极差，因而 构件的起扳、搬运、起吊难度颇大;(4)梁架呈中心对称辐射状布置，因而每种同类构件最多只有四件，对构件

9、的制作放样及安 装顺序要求颇高。施工总体布置以壳体为中心，分三块区域进行施工平面安排，三块区域分布布置为:吊装区:位于壳体所在区域(即 202 区);构件拼装区:分第一、第二、第三拼装区，分别位于吊装区南北两侧;施工主通道:位于吊装 区和拼装区东西两侧。整个壳体钢结构的构件平面分布情况见图 1-13-2;考虑到设计要求及结构体型特点，吊装作 业划分为五个区域，安排多台起重机分别进行综合吊装。五个作业区域的具体划分如下第一作业区域顶环梁吊装;第二作业区域 E20 轴一 W20 轴梁架节间吊装;第三作业区域 W21 轴W61 轴梁架节间吊装; 第四作业区域 E21 轴E61 轴梁架节间吊装;第五作

10、业区域 W62 轴E62 轴梁架节间吊装。 为对其进行完善，提出了几项改进方案。其一，在详图设计、制作和安装过程中实施空间三维反变形。这是指根据计算机建模后的结 构分析结果，要求壳体钢结构的每一节点针对结构在恒载条件下的变形值进行三维反向预变 形，以求壳体结构在支撑拆除后，完美地符合设计要求的空间尺寸。根据这一思路，由于每 榀梁架所有节点的变形各异，详图设计量成倍增加；制作难度增大， 107030 钢管顶环 梁须做成三向弯曲，预拼装难以实施；特别是安装阶段除顶环梁三向弯曲外，每榀桁架平面 外均是不同程度挠曲的，测量和定位无法把握。显然法方的技术措施是无法操作的。经过结 构分析和计算，发现壳体钢

11、结构的变形虽然是复杂的，由于结构的非对称性，其质量中心与 几何中心不重合，而导致壳体既有平移，又有下挠，还有扭转，但是其各点的空间矢量位移 的绝对值并不大，最大部分发生在顶环梁范围，其极大值亦仅 140mm（主要是垂直位移） ， 以椭球短轴 143m 计，下挠值仅为跨度的 1/1000，远小于设计规范要求。为了方便施工，提 出抓住变形的主要矛盾，仅在上段梁架以上范围内作竖直方向的单向反变形（起拱） ，在制 作和安装阶段保持环梁和梁架的平面状态不变的设想。基于上述设想方案可能导致的结构初 始偏差对壳体整体稳定性的影响作了反复的验算和分析，证明其整体稳定性与法国的方案相 当。有结构验算结果作依据，

12、为顺利制作、安装创造了条件，实施结果良好，结构变形的实 测值和计算值十分接近。 其二，制作阶段壳体钢结构整体预拼装。根据法方结构及节点构造的原先设计，每榀桁 间连杆的水平夹角均不相同，且用高强螺栓连接，只有经过整体预拼装，才能实现制作阶段 的正确定位，从而保证制作和安装精度，对于一个长 212m，宽 143m，高 45m 的巨型壳体， 进行整体预拼装谈何容易。首先必须落实一块 250mm200m 的预装场地，然后搭设高达 40 余 m（近十几层楼高）的满堂临时支撑架，再由大型吊车进行预装，最后解体外运。这一措 施在技术和经济上的不合理性。在分析了结构和节点构造特点的基础上，提出从节点构造的 改

13、进入手，简化制作阶段预拼装的方案。最终提出的节点构造型式被法方所接受，而整体预 拼装方案也改为顶环梁部分立体预拼装，弧形梁架平面预拼装。这样既保证了制作质量，还 大大降低了制作成本，缩短了工期。 其三，计算机控制实时检测的安装测量控制。鉴于该壳体钢结构外形特殊，形体复杂，结构安装控制点众多，而安装精度要求又很高，法方提出了一整套测量控制方案，即在工地 四周设置由八至十个测站组成的平面测量控制网（有部分测站设在东侧人民大会堂屋顶上） ； 在壳体外表面设置数百个专用测量梭镜，内表面粘贴数以万计的测量反光标志；同时在每一 测站上各设一台高精度全站仪，八至十台全站仪与中央计算机联网，进行不间断实时检测

14、； 通过实测空间坐标与理论模型对照，从而控制壳体安装的全过程。这一测量方案投入设备数 量之多，代价之大是显而易见的。实施操作中也存在一系列问题，如人民大会堂的屋顶就不 准设置测站，所组成的测量控制网由于无法通视而不能工作，再加上环境影响，如日照、温 差等，造成结构在整个安装过程中无序变形，并非计算机所能精确模拟的等等。借鉴以往工 程的成功经验，把这一超级椭球壳体分解成 150 个平面（顶环梁、底（砼）环梁各一个平 面，梁架一百四十捌个平面）把复杂的空间结构转化为平面结构，即可用传统的测量工艺和 手段来解决上述难题。实施过程中，仅用了两台全站仪，十个测量棱镜，并辅以数台经纬仪 和水准仪，即完成了

15、整个结构在安装阶段的测量控制，并采用由壳体内部向外测设来根本解 决通视问题。经验收，结构安装精度均符合质量标准要求。 另外，壳体钢结构在安装过程中采用的临时支撑系统，不仅对施工阶段的结构稳定和安 全十分重要，而且对结构的安装精度亦有重大影响。法方建议的独立支撑，局部轮换的方案 是难以满足上述要求的。结合工程实际情况，综合了装、拆，荷载扩散及支撑竖向刚度和水 平刚度的各种因素，创造性地把螺栓球节点网架引入组合支撑系统，不仅把上千吨的荷载扩 散至成万个支点上，最大支点反力小于 15t，砼结构基本可不作加固；支撑系统的刚度特别 大，确保了结构在安装阶段定位的精确和结构稳定；而且装拆方便，特别是拆卸时

16、由于无法 使用起重机械，仅能用人力拆除，球节点网架化整为零的优点就更突出了。采用如此大量的 球节点网架组成承重支撑系统，堪称一绝。 国家大剧院的建设方案曾遭到很多争论与批评。耗资巨大以及建筑设计的艺术形式存 在着令人担忧的问题。巨型壳体覆盖着四座剧场，从演出功能看毫无必要，导致很大的耗费； 大面积的水池也是一种不经济的行为。其外表形状与附近的故宫以及毗邻的人民大会堂建筑 风格不协调也是人们争论、批评的焦点。国家大剧院建成后的运营费和维护费极其惊人， 仅每月的电费就需要 400 万元人民币。此外，从实用性考虑则问题更多。上面加了盖子，房 子套房子，结果需要高大空间的舞台上不去，要向地下挖六至八层楼。这些都是大剧院的弊 端。但它新颖的造型，独特的构思，尤其那充满活力的艺术气息更令人惊叹。国家大剧院有三最：世界最大穹顶，整个壳体钢结构重达 6475 吨，东西向长轴跨度 212.2 米；世界最深的建筑，剧院地下最深处为-32.5 米，相当于往地下挖了 10 层楼的深度；亚洲最大的管风琴，音乐厅内的管风琴共有 6500 根发音管，造价达 3000 万元。 这