理学中国国家大剧院结构施工工序

1、 中国国家大剧院位于北京市中心天安门广场西，人民大会堂西侧，中国国家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，总占地面积工湖、绿地组成，总占地面积11.8911.89万平方米，总建筑面积约万平方米，总建筑面积约16.516.5万平方米，其万平方米，其中主体建筑中主体建筑10.510.5万中国国家大剧院标志平方米，地下附属设施万中国国家大剧院标志平方米，地下附属设施6 6万平方米，总投万平方米，总投资额资额26.8826.88亿人民币

2、（大剧院最新公布的造价数字是亿人民币（大剧院最新公布的造价数字是3131亿元人民币）。亿元人民币）。设计师简介设计师简介保罗保罗安德鲁安德鲁（paul andreupaul andreu），），19381938年出生于法国年出生于法国波尔多市波尔多市附近附近的冈的冈戴昂戴昂，毕业于法国高等工科学校（，毕业于法国高等工科学校（19611961年）、法国道桥学院年）、法国道桥学院（19631963）和）和巴黎美术学院巴黎美术学院（19681968年）。年）。19671967年，他设计了圆形的巴黎年，他设计了圆形的巴黎戴高乐机场戴高乐机场候机楼候机楼。从此，作为巴黎机场公司的首席建筑师，他设计。从此

3、，作为巴黎机场公司的首席建筑师，他设计了尼斯、雅加达、了尼斯、雅加达、开罗开罗、上海等国际机场，、上海等国际机场，日本关西国际机场日本关西国际机场的基本的基本概念也出自安德鲁之手。他参与过许多大型项目的建设，像巴黎德方概念也出自安德鲁之手。他参与过许多大型项目的建设，像巴黎德方斯地区的大拱门、英法斯地区的大拱门、英法跨海隧道跨海隧道的法方终点站等。的法方终点站等。19991999年，安德鲁领年，安德鲁领导的巴黎机场公司与导的巴黎机场公司与清华大学清华大学合作，经过两轮竞赛三次修改，在中国合作，经过两轮竞赛三次修改，在中国国家大剧院国际竞赛中国家大剧院国际竞赛中3636个设计单位的个设计单位的6

4、969个方案中夺标。个方案中夺标。19991999年年7 7月，月，获选为最终的建设方案。安德鲁曾说获选为最终的建设方案。安德鲁曾说“我想打破中国的传统，当你要我想打破中国的传统，当你要去剧院，你就是想进入一块梦想之地去剧院，你就是想进入一块梦想之地”。安德鲁这样形容他的作品。安德鲁这样形容他的作品巨大的半球仿佛一颗生命的种子。巨大的半球仿佛一颗生命的种子。“中国国家大剧院要表达的，中国国家大剧院要表达的，就是内在的活力，是在外部宁静笼罩下的内部生机。一个简单的就是内在的活力，是在外部宁静笼罩下的内部生机。一个简单的鸡鸡蛋壳蛋壳，里面孕育着生命。这就是我的设计灵魂：外壳、生命和开，里面孕育着生

5、命。这就是我的设计灵魂：外壳、生命和开放。放。” 担任设计的是法国机场担任设计的是法国机场设计师设计师安德鲁，他从来没有设计歌剧院的安德鲁，他从来没有设计歌剧院的经验，而他主持设计的法国经验，而他主持设计的法国戴高乐机场戴高乐机场候机厅在候机厅在20042004年年5 5月月2323日发生屋日发生屋顶坍塌事故，造成顶坍塌事故，造成6 6人死亡，多人受伤。法国巴黎检控官办公室人死亡，多人受伤。法国巴黎检控官办公室5 5月月2929日表示，负责设计戴高乐机场新翼客运大楼的总建筑师安德鲁涉嫌在日表示，负责设计戴高乐机场新翼客运大楼的总建筑师安德鲁涉嫌在赢得中国北京国家大剧院投标过程中舞弊，法国当局赢

6、得中国北京国家大剧院投标过程中舞弊，法国当局20032003年年7 7月开始进月开始进行初步调查。行初步调查。 壳体结构壳体结构 shell shell structure structure 由曲面形板与边缘构件由曲面形板与边缘构件( (梁梁, ,拱拱 或桁架或桁架) )组成的空间结构组成的空间结构. . 或桁架或桁架) )组成的空间结构组成的空间结构. . 壳体用于建筑结构壳体用于建筑结构虽为较早虽为较早, ,但工程结对壳进行研究反洗但工程结对壳进行研究反洗核试验则是在核试验则是在1919世界才开世界才开 壳进行研究壳进行研究反洗核试验则是在反洗核试验则是在1919世界才开世界才开 始的始

7、的. .在在2020世纪初叶世纪初叶, ,壳体结构的发展一壳体结构的发展一 始始的的. .在在2020世纪初叶世纪初叶, ,壳体结构的发展一壳体结构的发展一 直是缓慢的直是缓慢的. .主要因为计算复杂主要因为计算复杂. .第二第二次次 世界大战期间和战后才发展起来世界大战期间和战后才发展起来 壳结构的优点是具有很好的空间传力壳结构的优点是具有很好的空间传力性能性能, ,能以较小的构件厚度形成能以较小的构件厚度形成 承载承载能力高能力高, ,刚度大的承重结构刚度大的承重结构, , 能覆盖或能覆盖或围护大跨度的空间而不需围护大跨度的空间而不需 能覆盖或围能覆盖或围护大跨度的空间而不需护大跨度的空间

8、而不需 中间支柱中间支柱, ,能能兼承重结构和围护结兼承重结构和围护结 构的双重作用构的双重作用, ,从而节约结构材料从而节约结构材料. . 室内空间宽敞室内空间宽敞, ,能能满足各功能要求满足各功能要求壳体结构壳体结构 世界之最世界之最世界最大世界最大穹顶穹顶 国家大剧院整个壳体钢结构重达6475吨，东西向长轴跨度212.2米，是目前世界上最大的顶。 世界最深建筑世界最深建筑 国家大剧院地下最深处为-32.5米，相当于往地下挖了10层楼的深度，成为北京最深的建筑。 亚洲最大管风琴亚洲最大管风琴 音乐厅内的管风琴共有6500根发音管，是亚洲最大的管风琴，造价达3000万元。 。施工区域划分施工

9、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；施工主信道：位于吊装区和拼装区东西两侧。由于壳体吊装时，202 区地下结构和地面建筑结构虽然已经施工完毕，但壳体四周的消防信道尚未施工，以及201 区部分地下结构也未施工。因此，以上各个区域在吊装阶段处于不同的标高位置，其中：吊装区 位于-6.750 标高位置；构件第一拼装区 位于-9.000 标高位置；构件第二拼装区 位于0.000 标高位置和位于-7.000 标高位置；大型机械和构件进出场信道 位于0.000 标高位置

10、。各施工区域划分及标高位置见图3。整个壳体钢结构的构件平面分布情况见图4；考虑到设计要求及结构体形特点，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：cc2800（600t）履带式起重机（一台）：先采用超起（sfsl）性能，接60m 主臂84m 副臂，后挂300t 超起配重，停在壳体北面，定点中心位置在土建坐标（0.000，+86.000），跨外综合吊装，完成第一作业区域施工；然后向北退8m，采用sw 性能，安装m440d 塔吊二台。再恢复使用sfsl 性能，在原位进行梁架吊装。最后在壳体安装完成后拆除m440d 塔式起重机。（见图5）各吊机吊装范围施工时

11、剖面图 国家大剧院钢壳体结构呈半椭球形,其长轴(东西向) 长212120m ,短轴(南北向) 长143164m ,建筑总高度为461285m。钢壳体结构由顶环梁、梁架(分长轴梁架与短轴梁架) 、斜撑和环向连系杆件组成。其中顶环梁呈椭圆形,长轴长约60m ,短轴长约38m ,由环形钢管、箱形梁以及h 型钢等构件组成。长轴梁架由h 型钢拼焊而成,短轴梁架用60mm 厚钢板拼焊而成。梁架呈中心对称辐射状布置。斜撑与连杆采用140195 的钢管制作。连杆沿水平环向布置,上下、里外共82 道,并采用铸钢连接件或套筒连接件与梁架连接。钢壳体平面如图1 所示,梁架编号由正北开始,往西依次为w01w74 ,往

12、东依次为e01e74 ,在正南汇合。国家大剧院的钢壳体为超大型空间结构,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。因而,在施工阶段保证结构的稳定与安全至关重要。 国家大剧院 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，全靠全靠148148榀弧型钢梁承重榀弧型钢梁承重。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

13、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20厘米。 戴高乐机场和国家大剧院虽然同为拱 型结构，受力原理却是大相径庭，戴 高乐机场是钢筋混凝材质的筒壳结构。 而国家大剧院则是空间双层网壳结构， 这一结构更完整，更纯粹。整个钢壳体共有148 148 榀榀梁架,由于在安装程中,壳体未形成稳定的结构体系,因此必须采取一系列措施,来保证过程中的结构安全,其中包括设置必要的支撑与支架,以及采用合理的安装顺序等。钢壳体的施工包括吊装阶段和卸载阶段两个部分。钢壳体梁架的吊装顺序如表1 所示。临时支撑的拆除方案须通过分析予以确定。根据施工方案,将吊装阶段按表1 相应划

14、分为20 个施工工况 整个壳体钢结构东西长整个壳体钢结构东西长212.20m212.20m，南北长，南北长143.64m143.64m，高约，高约46m46m，中间无一，中间无一柱子。钢结构总重约柱子。钢结构总重约6750t6750t，壳体表面积约，壳体表面积约3.53.5万万m2m2。每平米重约。每平米重约193kg193kg。 短轴可见区域的梁架截面仅为60mm60mm钢板钢板制作的板梁，不可见区域为上下翼缘不等宽的焊接h型钢截面（100mm,160mm）整体线性屈曲特征值仅3.53.5左右左右，按照国内规范，是通不过的。换句话说，按照国内规范，用钢量将远超6750t。原设计用钢量将达8万

15、吨。长轴梁架分段短轴梁架分段顶环梁分段安装示意图梁架(短轴)分段安装示意图梁架(长轴)分段安装示意图下段梁架吊装步骤下段梁架吊装步骤梁架安装顺序示意图梁架安装顺序示意图 上海建筑工上海建筑工程总公司机械施工公程总公司机械施工公司司进行了长达两年的技术准备，先后攻克了壳体施工过程中整体结构稳定、曲面结构高精度测量、百米超远距离吊装等一系列难题，形成了一整套与国家大剧院结构特点相吻合的“中国式”的科学施工方案。施工顺序施工顺序： 钢架分为顶部和底部，先做顶部顶部，然后底部底部分成三段吊装 全部都是脚手架，脚手架是那种球交的（可能在广州较早的63层的时候曾经用过） 节点全部都是焊接，就是焊接两个半球

16、，中间混凝土早就做好了 国家大剧院壳体钢结构安装之第一件顶环梁区域钢箱梁 构件尺寸：长约38m，重约35t。吊装机械：demag cc2800 600t履带吊，吊装高度约45m。 由顶部到底由顶部到底部施工顺序给施工部施工顺序给施工的过程带了相应的的过程带了相应的难度，对钢构件的难度，对钢构件的结合精度带了更高结合精度带了更高的要求。的要求。钢架位置矫正钢架位置矫正结构特殊要求带来的是精度结构特殊要求带来的是精度上苛刻，工人对每一个安装上苛刻，工人对每一个安装好的梁架进行测量，保证其好的梁架进行测量，保证其偏差的值在允许的范围内，偏差的值在允许的范围内，对有偏差的进行矫正，以保对有偏差的进行矫

17、正，以保证工程的顺利进行。证工程的顺利进行。南面合拢仪式伴随着南面合拢仪式的举行标志着国家大剧院的主体壳体钢骨架结构的完成北面合拢北面合拢 壳体钢架完成好的国家大剧院内部钢梁交错带来的特殊光影效果产生的视觉冲击力给人留下了深刻的影响。 壳体表皮安装 在钢结构之上，作为屋面的壳体最外层由铺设在kal-zip铝合金龙骨系统上的2万多块钛金属板和1200多块大小不等的有色玻璃幕墙组成。钛金属板的厚度只有 0.44 毫米，既轻且薄，如同一张薄薄的纸，因此，下面必须有一个由复合材料制成的衬板；每一块衬板也将切割成与其上的钛金属板同样大小的尺寸，工作量非常大。由于壳体的椭圆造型，每一块钛板都变成一个双曲面

18、，面积、尺寸、曲率都不同，因此，安装角度总在变化，施工难度也就相当大。由于钢材与玻璃的膨胀系数差异很大，钢材与玻璃的结合问题最初也被视为技术难点。一方面玻璃要安装得非常精确；另一方面，装上玻璃的钢结构往往会在一段时间内产生变形，钢结构一闹别扭，原来装得严丝合缝的玻璃，也会变得参差不齐。这个问题是所有幕墙施工时都会遇到的，施工中钢结构变形的实际情况是:总的胀缩量较大，但经过平均，分担在每一部分上的胀缩量就很小了。比如穹顶上环梁计算胀缩量为8厘米，但是平均到环梁周长上的每个点，钢材胀缩量仅为零点零几毫米，并不影响大局。钛金属板细部钛金属板细部钛金属板的厚度只有 0.44 毫米，既轻且薄，如同一张薄薄的纸钛金属板与钢梁的交接处构造由于支撑钛金属板的钢结构中有5000多个结点要穿过屋顶防水层，所以，如何确保这5000多结点个个都“滴水不漏”，对施工质量也提出了很高的要求。 工人开始安装国家大剧院外的工人开始安装国家大剧院外的钛金属