1 工程概况

　　国家速滑馆项目位于北京市奥林匹克森林公园西侧，北邻国家网球中心。主场馆屋盖为大跨度马鞍形结构，建筑面积约9.7万m²，建筑高度为33.800m^[1,2]。国家速滑馆中大型异形劲性结构主要包括斜柱、环梁、悬挑梁等部分。支承屋面的48根劲性结构斜柱与水平面夹角为70.84°～76.09°，斜柱顶设置混凝土环梁，标高随马鞍形屋盖形状变化而变化，最高柱顶标高为17.330m，位于主入口大厅两侧，最低柱顶标高为6.237m，位于南、北两侧。首层外侧64根悬挑梁斜穿幕墙拉索^[3,4]。

　　该项目劲性结构中，混凝土构件尺寸形状不一，无法定型加工耗材;单个大型劲性结构构件无法一次性吊装和安装;多数梁柱劲性连接节点交错复杂，施工难度大^[5,6]。因此，本工程通过采用分段吊装、搭建倾斜模架体系，采用高标准自密实混凝土浇筑等方法，解决以上劲性结构施工难题。

　　2 异形劲性结构与施工难点

　　2.1 屋顶桁架支撑劲性结构

　　屋顶桁架支撑劲性结构包括异形截面斜柱和环梁，其中异形截面斜柱(编号GKZ1～GKZ12)共48根，由钢筋混凝土和超规格的型钢组成，截面随高度改变，形状不规则，地面以上柱体背向场馆倾斜。柱平面布置呈双轴对称，劲性柱从±0.000开始倾斜，如图1所示，柱内由2或4根H型钢柱组成格构式截面钢骨柱。顶部环梁支撑充分配合建筑椭圆形和马鞍形要求，具有双向倾斜角度，通过环梁使劲性柱连接形成整体，如图2所示，异形截面斜柱和双向倾斜双环梁交界处设置柱帽。

　　图1 斜柱结构 

　　图2 环梁结构  

　　2.2 平台支撑劲性结构

　　平台支撑劲性结构包括支撑幕墙拉索的巨型柱WGKZ1及6.1m平台劲性外环梁、径向悬挑梁、之字形梁(南北平台内外环梁连接加强区梁)。构件截面规格多、连接构件数量多。WGKZ1共32根，截面为矩形+半圆，其钢骨为双H型钢组合截面形式。6.1m平台劲性梁截面为500mm×1 500mm,500mm×1 800mm,750mm×1 500mm,600mm×1 850mm,800mm×1 850mm,750mm×1 900mm，其钢骨为焊接H型钢，首层钢骨梁362根，其中柱间圆弧主梁64根，主梁间次梁140根;外侧悬挑钢梁170根，根据建筑轮廓线变化，悬挑钢梁截面为异形钢梁，由钢板和245×16锚管组装而成。平台支撑劲性结构节点如图3所示，劲性外环梁如图4所示，平台支撑劲性钢骨整体结构如图5所示。

　　图3 平台支撑劲性结构节点   

　　2.3 劲性结构梁柱节点

　　劲性柱GKZ1截面最大尺寸达2 000mm×3 180mm，双向倾斜双环梁截面尺寸为双750mm×1 500mm，对应的钢骨截面也较大。在梁柱交叉节点部位最复杂处有7根钢骨约600根钢筋交汇，钢筋直径大多为36mm或32mm。这些都导致本工程劲性结构梁柱节点的钢骨构件复杂、钢筋密集、可视性差，因此，如何协调好型钢和钢筋的关系、完成钢筋绑扎的施工是梁柱节点的难点和重点。

　　图4 劲性外环梁  

　　图5 劲性钢骨整体结构  

　　3 异形劲性结构关键施工技术

　　3.1 钢骨分段施工技术

　　3.1.1 分段吊装

　　考虑加工、运输、安装等需求，将劲性结构中的钢骨分段进行加工和安装。钢骨采用工厂化加工，分为5,4,3节，降低塔式起重机的吊装荷载。钢构件上设置吊装耳板和节段对接的连接板，吊耳及连接板等在工厂内焊接完成。其吊装顺序应结合混凝土结构施工分区，实现合理高效安装。

　　3.1.2 钢管外撑

　　由于劲性斜柱向外倾斜，安装定位控制难度大、受自重影响稳定性差。为保证施工安全，降低焊接时连接位置的内应力，在倾斜外侧采用独立钢管撑进行稳定支撑。待顶部环梁结构全部焊接完成，形成稳定体系后拆除，并浇筑结构外包混凝土。

　　3.1.3 分段微调

　　劲性柱钢骨分节处设置现场临时连接和吊装措施，采用可调节位置的千斤顶用于结构就位后的微调定位。

　　3.1.4 全过程全覆盖快速放线

　　劲性结构施工阶段，结构体系繁多，钢结构与混凝土施工穿插作业多，且场地内部环境复杂，同时，由于劲性结构体系的施工精度直接影响屋盖环桁架等的安装精度，须严格制定从工厂加工制作至现场拼装、安装的测量方案，采用科学的测量仪器及测量手段进行各道工序施工精度控制。本工程具有钢结构施工面积大、结构整体性强、安装精度要求高的特点，同时现场安装过程中存在不同结构体系温差效应导致热胀冷缩差异，因此涉及的测量、监测内容繁多且技术要求较高。在测量作业过程中，劲性结构和混凝土结构的施工共用一套控制体系及控制精度要求。

　　3.2 模架体系

　　分别针对劲性柱和劲性梁设计支撑体系和模板方案。

　　3.2.1 劲性柱

　　采用的支撑体系为满堂盘扣式脚手架，同时兼作操作架。在斜梁下设钢管立杆，间距600mm×600mm。各斜柱四侧均设独立斜撑，保证位置准确。斜柱上段采用12钢丝绳拉紧于外侧已浇混凝土的楼板上，预埋25地锚，如图6所示。

　　图6 斜柱脚手架支撑 

　　劲性柱的混凝土模板采用15mm厚覆膜模板，垂直钢包木50mm×50mm×1.8mm，每200mm设置1道;柱箍采用[10，每300mm设置1道;对拉螺栓16@457.5mm×457.5mm，倾斜边设支撑，支撑在楼面或支撑架上。为防止柱脚、柱顶施工缝处拼缝漏浆，在模板与邻段柱混凝土间用薄海绵条堵严，并夹紧根部柱箍。

　　3.2.2 劲性梁

　　劲性梁顶标高最低处为6.237m，最高处为17.281m。柱顶环向劲性梁截面大，平面呈环向分布，立面也呈曲线形，梁底距标高5.800m楼板的最高处有10.410m。支撑体系采用盘扣式脚手架，利用已有劲性柱操作脚手架，劲性柱与柱间用相同的盘扣架相连，使整个劲性梁底支撑架连为一体，增加支撑架的稳定性。斜柱顶部劲性梁模架剖面如图7所示。

　　劲性梁模板采用15mm厚覆膜多层板，主龙骨为双钢管48×3.6，次龙骨为50mm×50mm×1.8mm钢包木。采用M16对拉螺栓，底部对拉螺栓距板底高度≤200mm。1 500mm及以上梁侧面均做钢管斜撑，控制侧面模板稳定，梁板阴角处设50mm×100mm方木。

　　图7 斜柱顶部劲性梁模架剖面 

　　3.3 劲性梁柱节点

　　劲性梁柱节点钢筋施工采用穿孔、搭筋板(或钢筋头)焊接、抗剪件3种连接方式，优先选用次序为穿孔、搭筋板(或钢筋头)焊接、抗剪件。

　　1)钢筋垂直相交钢骨时，在钢骨中间位置预留孔洞，使钢筋穿孔通过，预留孔洞位置和大小须经结构设计方同意。

　　2)如钢筋两端均与钢骨连接，采用一端套筒连接、另一端搭筋板(或钢筋头)焊接的方式。

　　3)如钢筋无法穿过，使用抗剪件替换。

　　应用BIM技术排布钢筋，将劲性钢骨上钢筋孔洞、搭接板设置进行深化，提请结构设计工程师审核，同意后按深化图纸在工厂加工，未经设计同意严禁私自在钢骨上开洞。

　　3.4 劲性结构混凝土浇筑

　　劲性结构混凝土浇筑时，因构件内钢筋密集、钢构件尺寸大，混凝土浇筑入模通道狭小，在施工中采取如下措施克服此类问题，确保混凝土的浇筑质量。

　　1)采用自密实混凝土，其流动性好、扩展性能强，无须振捣即可保证混凝土密实度。

　　2)劲性钢结构柱帽上表面设置部分混凝土灌注孔、振捣孔。钢结构无法开孔位置在构件侧面增加倒角，为混凝土浇筑、振捣提供侧面空间。

　　3)严格控制混凝土粗骨料直径不大于钢筋间距的1/2、钢结构保护层的1/3或25mm。

　　4)为保证混凝土浇筑质量，钢筋较密部位要求石子粒径≤2.0cm，混凝土坍落度要求搅拌站到场时≥200mm。

　　5)混凝土中的掺合料只能采用一种，若为粉煤灰应为Ⅰ级。适当加入减水剂，加强混凝土的和易性。

　　6)混凝土的初凝时间不能过短，终凝时间不能过长，要求初凝>4h，终凝<10h。

　　7)浇筑过程中，用橡胶锤均匀敲打侧模，使混凝土能充满型钢周围。使用插入式振捣器，应快插快拔，振捣时间≤10s，至混凝土表面呈水平且不再显著下沉、表面泛出灰浆为止，防止混凝土离析和过振。

　　4 结语

　　国家速滑馆工程作为典型的大型型钢混凝土异形劲性结构，在施工过程中通过对钢骨分段施工，布置高精度测量方案，制定有效控制焊接变形与残余应力的施工方法，合理设置劲性结构模板体系，并应用BIM技术深度模拟复杂劲性结构节点，优化钢筋与型钢的连接措施和构造，同时采用高质量自密实混凝土，设置混凝土振捣孔等有效措施，确保劲性结构施工方案最优，提高了施工效率，保证了施工质量，对劲性结构体系施工具有较好的借鉴意义。