钢结构施工新技术.docx

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1、钢结构施工新技术1、钢结构发展概况钢是一种铁碳合金，人类采用钢结构的 历史和炼铁、炼钢技术的发展是密不可分 的。最早在公元前 2000 年左右，在伊拉克 两河流域就出现了早期的炼铁术。 我国也 是较早发明炼铁技术的国家之一，早在战国 时期，我国的炼铁技术已很盛行了。公元 65 年（汉明帝时代），已成功地用锻铁为环， 相扣成链，建成了世界上最早的铁链悬桥 兰津桥。此后，为了便利交通，跨越深谷， 曾陆续建造了数十座铁链桥。其中跨度最大 的为 1705 年（清康熙）建成的四川泸定大 渡河桥，桥宽 2.8m ，跨长 100m 。除铁链悬 桥外，我国古代还建有许多铁建筑物，如铁 塔等，目前依然存在。所有

2、这些都表明，我 们中华民族对铁结构的应用，曾经居于世界领先地位。欧美等国家中最早将铁做为建筑材料 的当属英国，但直到 1840 年以前，还只采 用铸铁来建造拱桥。1840 年以后，随着铆钉 连接和锻铁技术的发展，铸铁结构逐渐被锻 铁结构取代，随着 1855 年英国人发明贝氏 转炉炼钢法和 1865 年法国人发明平炉炼钢 法，以及 1870 年成功轧制出工字钢之后， 形成了工业化大批量生产钢材的能力，强度 高且韧性好的钢材才开始在建筑领域逐渐 取代锻铁材料，自 1890 年以后成为金属结 构的主要材料。 20 世纪初焊接技术的出现， 以及 1934 年高强度螺栓连接的出现，极大 地促进了钢结构的

3、发展。除西欧、北美之外， 钢结构在前苏联和日本等国家也获得了广 泛的应用，逐渐发展成为全世界所接受的重 要结构体系。由于我国长期处于封建主义统治之下， 束缚了生产力的发展， 1840 年鸦片战争以 后，更沦为半封建半殖民地国家，工业落后， 古代在铁结构方面的技术优势早已丧失殆 尽。我国在 1907 年才建成了钢铁厂，年产 钢只有 0.85 万吨。新中国成立后，随着经 济建设的发展，钢结构曾起过重要作用，如 第一个五年计划期间，建设了一大批钢结构 厂房、桥梁。但由于受到钢产量的制约，在 其后的很长一段时间内，钢结构被限制使用 在其他结构不能代替的重大工程项目中，在 一定程度上，影响了钢结构的发展

4、。自 1978 年我国实行改革开放政策以来，经济建设获 得了飞速的发展，钢产量逐年增加。自 1996 年超过 1 亿吨以来，一直位列世界钢产量的 首位，2003 年更达到创纪录的 2.2 亿吨，逐 步改变着钢材供不应求的局面。我国的钢结构技术政策，也从“限制使用”改为积极合 理地推广应用。所有这些，为钢结构在我国 的快速发展创造了条件。钢结构以其独特的优越性在建筑工程 中得到广泛应用，特别是高层、超高层、轻 型钢结构，大跨度结构等应用的比较多。这 是由于钢结构有许多优点，如强度高、塑性、 韧性好、重量轻、材质均匀、制作简单、施 工方便、工期短、节能环保、综合技术经济 指标优、建筑造型美观、抗震

5、性能好等优点。 当然它的缺点是耐火度不够，耐腐蚀性差， 造价稍高等。但综合来评定，钢结构优点多， 缺点易克服。它仍是结构体系中最重要的一 种结构形式，将被越来越广泛重视和使用。 2、钢结构的应用情况钢结构应用于高层、超高层建筑中在南 方一些大中城市中，高层、超高层建筑如雨后春笋般拔地而起，由于外资工程的兴建， 建筑用钢材的发展，高层、超高层建筑应用 钢结构越来越多。如在上海的浦东开发区建 设中，高层建筑钢结构的发展尤其迅速。现 已建成的上海金茂大厦，为框- 筒结构，混 合材料，高度 420m ，地上 88 层，地下 3 层。 在北京、深圳等地的高层、超高层建筑中， 大都采用了钢结构建筑。目前在

6、高层、超高层建筑中应用的体系 大致有三种。一种是混凝土结构， 一种是 钢结构，另一种就是两种体系组成的混合结 构。在这种混合结构中因发挥了钢结构的优 点而克服了钢结构的缺点，应用的比较多。 现在钢结构应用的形式主要有 : (1) 作为钢 框架与混凝土核心筒组成受力结构体系，这 是高层混合结构中常用的形式。(2) 作为劲 性骨架与混凝土一起组成受力构件，包括钢管混凝土，这种混合结构兼有钢与混凝土两 者的优点，整体强度大，刚性好，抗震性能 好。当采用外包砼结构形式时更具有良好的 耐火和耐腐蚀性能。混合结构构件一般可以 降低钢量 15 % 20 % ，还可减少支模，施 工方便、快速，因此混合结构在高

7、层，超高 层建筑中所占比重较多。应用于大跨屋盖体系中。一些工业厂 房、仓储库、停车场、集市等建筑设施，由 于空间高，跨度大，其他体系难以满足要求， 故而选用钢网架，悬索，壳体，桁架，膜结 构等形式作为这些大跨结构的屋盖系统。随 着国外钢结构的新技术、新产品的不断引进 和应用，采用轻钢结构体系使工程总造价低 于钢筋混凝土或砖混结构体系，且施工工期 缩短 50 %以上。目前，在经济发达地区新建 的大跨设施中基本采用了钢结构，在内陆地区也有部分采用钢结构，随着人们对钢结构 的认识，将会越来越被重视和采用。 3、钢结构的发展现状（1）钢结构发展的物质基础据有关资料统计，目前，我国钢产量已 超过 1.

8、2 亿吨，成为世界上钢产量之大国， 同时，钢材的品牌、规格与质量日益提高， 国内钢材市场已从过去的卖方市场转变到 买方市场，这为大力推广利用钢结构技术奠 定了坚实的物质基础。（2）钢结构发展的技术政策我国建筑技术政策中，特意提到“发展 钢结构 (含预应力钢结构 ) ，对于超高层建 筑结构、大跨空间结构或大跨重载工业厂房 等，可采用钢结构；对于大跨空间屋盖系统， 可选用钢网架、网壳、悬索、壳体、膜结构 等，加速推广轻钢结构”。又提到“研究推广组合结构和混合结构，充分发挥不同结构 材料的性能。根据建筑物各自的特点，可采 用两种以上结构材料构成的组合结构，如由 型钢、钢筋、混凝土构成的劲性钢筋混凝土

9、， 由钢管和混凝土构成的钢管混凝土等。且在 一个建筑物上可采用两种及以上结构形式 构成的混合结构，如采用钢筋混凝土作为高 层建筑的核心筒，采用钢框架结构作为外柱 与其相连”。而且我国政府提出了从“节约 钢材”转变成合理使用钢材，从“限制使用 钢结构”到“大力发展钢结构”的政策转变。 建设部在修订我国“建筑业推广应用 10 项 新技术”中，首次列入了钢结构新技术，充 分说明我国钢结构发展已经具备了非常好 的政策大环境。钢结构是一项绿色环保建筑产业。钢结 构材料可再生利用，减少大气污染物。钢结构的废弃料可回炉、再生利用。对同样规模 的建筑物，钢结构建造过程中有害气体 (CO2) 排放量只相当于钢筋

10、混凝土结构的 65 % 。工业化生产，现场施工周期短，最大限 度的减少了施工工地对环境的影响。钢结构 工程一半以上的工期是工厂加工制作，现场 工期可缩短 50 %以上，同时工地因很少使用 砂、石、土和水泥等散料，而从根本上避免 了尘土飞扬，污染环境的问题。钢结构体系可以带动其他“节能环保” 型建筑材料的推广应用，钢结构体系由于连 接的灵活性，各种“节能环保型”的围护材 料都可以采用。（3）钢结构新技术的主要内容A高层钢结构新技术根据建筑高度和设计要求采用框架、框 架支撑、筒体和巨型框架结构，其构件可采用钢、劲性钢筋混凝土或钢管混凝土。钢 构件质轻、延性好，可采用焊接型钢或轧制 型钢，适用于超高

11、层建筑。劲性钢筋混凝土 构件刚度大，防火性能好，适用于高层建筑 或底部结构。钢管混凝土施工简便，仅用于 柱结构。B空间钢结构技术空间钢结构自重轻、钢度大、造型美观、 施工速度快。以钢管为杆件的球节点平板网 架、多层变截面网架及网壳等是我国空间钢 结构用量最多的结构形式，在设计、施工方 面均达到国际先进水平，有专门的设计、施 工和检验规程，并可提供完整的 CAD 软件， 除网架结构外，空间结构尚有大跨悬索结 构、索一膜结构、大跨空间钢管桁架结构等。 C轻钢结构技术伴随着轻型彩色钢板制成墙体和屋面围护结构组成的新结构形式，由厚 4mm 以上 钢板焊接成轧制的大断面薄壁 H 型钢墙梁和 屋面檩条，园

12、钢制成柔性支撑系统和高强螺 栓连接构成的轻钢结构体系，柱距 6 9 m ，跨度可达到 30 m 或更大，高度可多达 10 m ，并可设轻型吊车。用钢量 20 30 kg/ m2。现已有标准化的设计程序和专业化生产 企业，产品质量好、安装速度快、重量轻、 投资少，施工不受季节限制。适用于各种轻 型工业厂房。D钢混凝土组合结构技术以轻钢或钢管与混凝土构件组成的梁、柱 承重结构为钢混凝土组合结构，近年来应 用范围日益扩大，适用于承受较大荷载的多 层或高层建筑的框架梁、柱及楼盖，工业建 筑柱及楼盖等。E高强螺栓连接与焊接技术高强螺栓通过摩擦力来传递应力，由螺 栓、螺母和垫圈 3 部分组成。高强螺栓连接

13、 具有施工简便、拆除灵活、承载力高、抗疲 劳性能和自锁性好、安全性高等优点，工程 中已取代了铆接和部分焊接，成为钢结构制 作及安装中的主要连接手段。在车间内制作 的钢构件，厚板应采用自动多丝埋弧焊、箱 型柱隔板应采用熔嘴电渣焊等技术。现场安 装施工中应采用半自动焊技术和气体保护 焊药芯焊丝及自保护药芯焊丝技术。 F钢结构防护技术钢结构防护包括防火、防腐、防锈，一 般在防火涂料处理后无需再做防锈处理，但 在有腐蚀气体的建筑中尚需做防腐处理。国内防火涂料种类较多，如 TN 系列、 MC 10 等，其中 MC10 防火涂料具有防 火、防腐功能。防腐防锈涂料有醇酸磁漆、氯化橡胶漆、氯橡胶涂料及氯磺化涂

14、料等。 在施工中应根据钢结构形式、耐火等级要求 及环境要求选用合适的涂料及涂层厚度。随着经济和科学技术的迅猛发展，钢结 构技术日新月异，一些新型结构体系如住宅 钢结构体系、预应力结构体系、张弦顶结构、 膜结构等处于研究开发和推广应用阶段；一 些新型高效材料如轧制 H 型钢、冷弯型钢、 压型钢板、耐火钢、不锈钢正在积极推广。（4）目前存在的问题及对策A钢结构设计力量薄弱从全国范围来看，制约我国钢结构发展 和推广应用的最大问题是设计力量薄弱。目 前我国绝大部分设计院没有专业化的钢结 构设计人员，绝大多数结构设计工程师对钢 结构设计不熟悉，主观上不接受钢结构方 案，进行一些钢结构设计，也由于设计水平

15、不高，体现不出钢结构的优越性，客观上也 阻碍了钢结构的推广应用。鉴于这种不利情 况，政府主管部门、行业协会、设计院、科 研院所及高等院校应加强钢结构技术人才 的培养，一方面对现有的钢结构设计的技术 培训， 提高整体素质，逐步在设计院 (所 ) 配备一定数量的钢结构专业设计人员；另一 方面对在校钢结构专业设计的学生强化钢 结构专业学习和培养，造就一批高级工程技 术专门人才。B钢材的品种、规格和质量有待于提高 目前，我国普通钢材的生产能力大于市场需求，但具有竞争力的真正能够满足市场 各种需求的生产能力不足一半。钢结构用钢 的品种选择面小，常用品种 (Q235) 与国外 大多数国家的常用品种相比，设

16、计参数相差 很大，无法接轨；高效、经济断面钢材，如H 型钢、冷弯型钢、钢管等规格不齐全，不 配套，使用率较低；一些特效钢材，如耐大 气腐蚀钢、不锈钢、耐火钢及低合金高强度 钢还没有进入实质应用阶段；超厚钢板还存 在着严重的质量问题。总之我国建筑钢材在 品种、规格和质量方面还存在不足，在一定 程度上制约了钢结构的发展和推广。一定要 积极开发新的品种和规格，提高产品质量， 学习国外的先进技术，缩小与国外发达国家 的差距，逐渐与国际接轨，更好地推动我国 钢结构的发展。提高我国钢结构制作、安装 水平，规范钢结构市场改革开放以来，我国 从事钢结构加工制作、安装的厂家和施工队 伍很多，但真正具有技术实力，

17、能够承接大 型、复杂钢结构工程的单位很少，大部分都 是设备简陋、技术水平低、小作坊作业的小 单位，其工程质量低劣，甚至造成不少钢结构安全隐患，同时采取低价竞争不正当手 段，扰乱了钢结构市场，影响钢结构的发展 和推广。钢结构技术在我国建筑技术领域是一 项新技术，目前国内已形成了完整的成套技 术、焊接技术、高强螺栓技术、现场安装技 术等，每项技术都应有专门的技术人员和操 作人员来实施，这些专门人员必须通过培 训、考核、持证上岗；对钢结构加工制作厂 家和安装企业实行资质审核，项目经理和技 术负责人持证上岗，规范招、投标制度，整 顿钢结构市场，鼓励和支持条件比较好的企 业进行技术创新，提高技术水平，组

18、成专业 化的钢结构制造、安装队伍，淘汰一些不合 格的企业。（5）钢结构应用A.多、高层建筑钢结构：用于宾馆、饭店、办公大楼等多层和高 层建筑。金 茂 大 厦上海证券大厦 B.高耸钢结构上 海 环 球 金 融 中 心例如：电视塔、微波塔、通讯塔、输电线 塔、石油化工塔、水塔烟囱等。青岛电视塔（232 米） （336 米）C.桥梁钢结构黑龙江电视塔由于钢桥建造简便，易于修复，因此钢 结构广泛用于中等跨度和大跨度桥梁。南浦大桥浦大桥D.移动钢结构杨钢结构不仅重量轻，还可以用螺栓或其 他便于拆装的手段来连接，因此非常适用于 需要搬迁的结构，如装配式房屋、活动车库和各类起重机等。E.轻型钢结构用于中、小

19、型房屋、小型仓库 等。4、钢结构的新发展钢结构是一种具有较大优势的建筑结 构，随着人类在经济和科学技术方面的不断 发展和进步，在钢结构领域也取得了不少新 的进展。结构用钢的新发展：国内外在高性能钢 材的应用方面取得不少新进展，其中包括高 强度高性能钢、低屈服点钢和耐火钢的开发 和应用等。主要有：Q235、Q345 、Q390 、Q420 Q490、Q590 结构和构件计算的研究和改进：计算和测试手段越改进，就越能反映结构和构件实 际工作情况，从而合理使用材料，发挥经济 效益，保证结构安全。结构形式的革新和应用：在全国各地修 建了大量的大跨空间结构、网架和网壳结 构，张弦桁架、悬挂结构也有很多应

20、用实例； 直接焊接钢管结构、变截面轻钢门式刚架、 金属拱型波纹屋盖等轻钢结构已遍地开花； 钢结构的高层建筑也在不少城市拔地而起； 钢- 混凝土组合结构和混合结构也有了广泛 应用；还建造许多索膜结构的罩棚和建筑小 品；钢和混凝土组合构件的应用：充分利用 钢强度高、宜受拉，混凝土宜受压，发挥各 自优势，是一种合理的结构。优化原理的应用：结构形式优化、截面 形式优化、计算机辅助设计、绘制钢结构施工详图。发展钢结构施工工艺：加强自动化水 平，提高安装质量。5、钢结构实例*上海金茂大厦工程（1）工程概况金茂大厦位于上海浦东陆家嘴金融贸 易区，工程占地面积 23 万 m2，地下三层、 地上八十八层，建筑面

21、积约 29 万 m2，金茂 大厦建筑总高度为 4205m，为目前已建工 程的国内第一、亚洲第二、世界第三高度。金茂大厦是一幢集办公、旅馆、购物、 娱乐、餐饮、休闲于一体的综合性大楼。其 152 层为办公楼，5387 层是五星级的金 茂凯悦大酒店，距地面 340 米的 88 层是观 光层；裙楼部分有 6 层，内设大小宴会厅、 百货商场和休闲娱乐等；6 万 m2 的三层地下室内设有各类大型机电设备、服务设备、地 下停车库和食街。整幢大楼如一座综合性的 小区。其总投资约 45 亿人民币。金茂大厦基坑面积近 2 万平方米，基坑 开挖深度约 20 米，主楼基础承台为 4 米厚。 13500 立方米的 0

22、0 高标号大体积混凝土，主 楼泵造混凝土高度达到 3825 米，在 24 26 层、5557 层、8587 层有三道外伸桁 架将核心筒与八根巨型往连接成一个整体。 工程结构设计独特，并获世界结构工程协会 颁发的国际建筑结构设计最高奖。金茂大厦的建设吸引了众多的国内外 承包商的青睐，上海建工（集团）总公司携 日本大林组、法国西宝公司、香港其士集团， 一举中标总承包该幢大楼的建筑施工，开创 了国内大型企业集团首次总包具有国际影 响的大型建筑，也首次实践了运用总包的总管理总协调的手段和高新施工技术完成了 该幢大楼，为上海浦东地区及外滩沿线增加 了新景观。（2）应用新技术情况商品砼和散装水泥应用技术该

23、技术应用于地下连续墙，钻孔灌注 桩，基坑围护、支撑，主楼核心商、复合巨 型柱。楼板等工程部位。应用的总量达到了 157000 立方米。金茂大厦使用的商品砼用散 装水泥。机械上料、自动称量、计算机控制 技术，外加剂和掺合料“双掺”技术，搅拌 车运输和泵送浇筑技术，不但提高了土建施 工生产的机械化和专业化程度，而且增强了 施工现场的文明标准化程度。并创下了一次 性泵送混凝土 3825 米高度的世界记录。 粗直径钢筋连接技术金茂大厦的核心筒和巨型柱的模板均采用定型加工的钢大模，所以在核心筒与楼 面梁的钢筋连接处，主楼旅馆区环板与核心 筒钢筋连接处，巨型柱与楼面梁的钢筋连接 处，采用锥螺纹连接的施工技

24、术。整个工程锥纹接头共计 58296 只，通过 对接头的试验及抽检结果均符合 A 级水平。 新型钢筋冷轧锥螺纹工艺从七个方面改进 了钢筋冷轧锥螺纹工艺：改进刀具、滚丝轮 的材质；改进了工具夹；增加自动定位装置； 设置滚动上料架；端头冷处理，提高强度， 保证 A 级接头标准。使应用达到了高速、优 质、低耗的目的。新型模板与脚手架应用技术金茂大厦的主体结构层高变化多，还存 在墙体收分和体型变化。共有 32 米、4 米、 52 米等共 8 种高度，53 层以上取消 了原有的井字型内剪力墙，墙体厚度由 850毫米逐步分四次收分至 450 毫米。尤其在 2426、5153、8587 层设有三道外仲钢 桁

25、架，给模板脚手的设计及超高层施工作业 安全性带来了极大的难度。为此，在主楼核 心筒施工中，自行设计制造了“分体组合自 动调平整体提升式钢平台模板体系”。与国 外先进模板比较，各项性能毫不逊色，同时 节约成本约 1000 万元人民币。成功地完成 了高空解体和组装，创新地采用了电脑自动 调平技术控制系统提升的施工技术，及采用 全封闭模板体系，使施工安全可靠，操作简 便、创造了一个月施工 13 层的施工速度。 电脑自动调平技术已获得国家专利（专利 号：ZL952465391 1）。该模板体系的研究 和应用成果已获得上海市科技进步一等奖。在巨型柱施工中，创新设计制造了“跳 提式爬模系统”，成功地解决了

26、巨型柱施工时。上部钢梁已安装就位，传统的模板脚手 体系均无法圆满完成混凝土施工后的爬升 问题。该体系创新设计了伸缩吊臂，斜面滑 板，顶伸式伸缩架，翻转开启式附墙等一系 列专门的构件，使爬架能顺利跨越钢梁。通 过这些新型模板脚手的研究和应用，安全、 可靠地完成了主楼核心筒和复合巨型柱连 续施工。经专家鉴定，该模板脚手体系的技 术水平达到了国际领先水平。建筑节能技术金茂大厦主要填充墙、防火分区隔墙等 均采用空心砌块。其中，120mm 厚砌块 4901 平方米，190mm 厚砌块 49742 平方米，250mm 厚砌块 1098 平方米，300mm 厚砌块 3493 平 方米。金茂大厦裙房屋面、主楼

27、局部屋面也采用了屋面保温层。其中，裙房屋面约 7500 平方米，主楼局部屋面约 2500 平方米。 硬聚氯乙烯塑料管的应用技术在金茂大厦裙房基础底板施工中，采用 了国内首次出现的大面积静力释放层技术。 100PVC 管 1184 米，150PVC 管 511 米。 将地下水通过大面积滤水层集中排到集水 井，再通过泵抽至地面来释放和消减地下水 对底板的浮力。此项技术在纵横交错的盲沟 中设置多孔 PVC 滤水管。大面积静力释放层 技术的应用，使裙房基础底板的厚度仅为 06 米左右，而按传统设计基础底板厚度至 少要 1520 米，比传统做法薄 09m 左右。粉煤灰综合利用技术金茂大厦主楼基础承台为

28、C50 高标号混 凝土，方量 13500 立方米。在配合比设计中，我们掺入了一定量的磨细粉煤灰，发挥其 “滚珠效应”以改善混凝土的和易性，提高 混凝土的可泵性。并因此取代部分水泥，降 低混凝土的水化热。同时，在砌筑砂浆拌制 过程中，也掺入一定量的粉煤灰。粉煤灰的 用量约 4500 吨，达到节能、高效的目的。 建筑防水工程新技术设计要求在金茂大厦基础底板下施工 防水层。防水材料采用美国胶体公司的纤维 装单夹防咸水 CR 膨润土防水膜、膨润土填 缝剂和多用途膨润土粉粒。防水膜用于大面 积铺贴，填缝剂和多用途粉粒用于嵌缝、填 补空洞。CR 膨润上的用量约 23608 平方米。 CR 型膨润土防水系列

29、材料是一种柔性的高 强度聚丙烯纺织物和火山灰钠基膨润土的 复合物，它的技术特点是：遇水膨胀，柔软、 高强度，抗污染，抗老化。它的应用，丰富和发展了国内防水材料的种类，为今后新型 防水材料的研究和应用提供了实践经验。 现代管理技术与计算机应用金茂大厦工程的信息量大、范围广，针 对这种情况，在施工管理过程中，计算机技 术得到了广泛的应用。财务管理、合同预算、 人事档案管理、施工计划管理、施工方案的 设计和编制、施工翻样图的绘制、深化图纸 的设计等均采用了计算机管理软件。 其他新技术的应用在金茂大厦的施工过程中，我们还应用 了“超大超深基坑的支护技术”、“高精度 测量技术”、“大型垂直运输机械应用技

30、术” 等一系列新技术。金茂大厦地下室开挖面积近 2 万平方 米，基坑周长 570 米，开挖深度 1965 米， 土方量达到了 32 万立方米，是上海地区软土地基施工中开挖面积最大，开挖深度最深 的基础。在基坑围护方面，我们设计了空间 桁架式全现浇钢筋混凝土内支撑技术，既保 证了工程质量和安全，又缩短了施工工期， 提高了经济效益。测量工作是工程建设中的“眼睛”，尤 其在金茂大厦这样规模的建筑物施工中，测 量工作的重要性就更显突出。我们在施工中 采用 WILDT2 经纬仪、DII600 激光测距仪等 高精度测量仪器，采用极坐标结合直角坐标 法进行轴线放样，用天顶倒锥体法进行严格 的测量复核，用往返

31、水准控制高程。针对钢 和混凝土两种材料不同的压缩、收缩和沉 降，采用预先控制的修正补偿，达到了很好 的效果。（3）经济效益与社会效益金金茂大厦推广应用新技术使我们尝到了科技转化为生产力的甜头。不但节约了能 源和资源，而且获得了较好的经济效益和社 会效益。共计节支近 2500 万元。同时，通 过新技术的应用，大大推动了建筑业科技成 果的转化工程，培养了一批新技术应用人 才，全面提高了建筑业职工队伍的素质，带 动了一批新兴科技产业和科技型企业的形 成和发展，运用市场经济规律，促进科技和 经济的紧密结合，显示出科技生产力的巨大 潜力。*国家体育场(1)工程概况国家体育场位于奥林匹克公园中心区 的南部

32、，主体建筑紧邻北京城市中轴线，并 与国家体育馆和国家游泳中心相对于中轴 线均衡布置。国家体育场主体建筑西侧为距景观路 200 米的中轴线步行绿化广场，东侧 是环境优美的水面和湖边路，南侧临南一 路，北侧临成府路，其中成府路在地下空间 穿过用地（路面 -7.8m）。国家体育场是北京奥林匹克公园内的 标志性建筑，也是北京最大的、具有国际先 进水平的多功能体育场。国家体育场将成为 奥林匹克运动留给城市的宝贵遗产和城市 建设的新亮点。(2)工程建设特点国家体育场作为北京 2008 奥运会的主 会场，既是运动员的竞技场，世界体育文化的交流中心，又是展示北京古都风貌，弘扬 中华民族优良传统的窗口，向世界描

33、绘中国 经济腾飞、综合国力增强的蓝图。国家体育 场将充分体现绿色奥运、科技奥运、人文奥 运理念及新北京、新奥运的时代主题，将成 为北京的又一标志性建筑。国家体育场的建 设具有重大的历史意义，世界瞩目。国家体 育场工程以其独一无二的大胆创新设计而 成为世界民用建筑史上的里程碑建筑，同时 其建设实施汇集了诸多世界性难题，具有技 术上挑战性、功能上综合性、时间上紧迫性 以及管理上复杂性等特点，针对其特定建筑 形式无规律可循。国家体育场工程具有如下 特点、难点。建设规模宏大4.5 万吨用钢量，30 万 m2 的建筑面积， 将近 300m 的屋盖跨度为世界奥运场馆建设项目所罕见，被市政府确定为一号工程。

34、 结构型式复杂国家体育场外观形象优美纯净，外观即 为建筑物的结构，立面与结构达到完美统 一。结构组件相互支撑，形成网格状构架， 仿佛由树枝编织成的鸟巢。不但曲线形杆 件、马鞍状曲面无法用简单方程定位，每根 钢杆件截面尺寸、断面形式也逐渐变化，局 部扭曲，钢结构加工安装、测控定位难度相 当大。主次杆件支撑体育场看台的放射状混 凝土框架结构与环绕它们并形成主屋顶的 空间钢结构完全分离，交叉作业多、施工组 织复杂。屋顶采用可开合结构，由两片 75m 70m 可滑动屋盖组成，机械传动装置复杂， 支撑钢架加工精度、变形控制标准要求极 高。屋盖主桁架及巨型钢柱间设置了气垫膜 和可开启膜，且形成具有防雨、通

35、风换气、采暖等功效的双层膜结构，膜材形状多边、 节点构造复杂、安装固定困难。上述特点使 国家体育场建设成为世界性难题。建设工期短建设周期仅为三年，钢结构施工图纸设 计深化、委托加工周期长。建设标准要求高a.设计标准高国家体育场专业系统及体育设施设计 先进，选用材料、设备、设施均为当今世界 最新产品，科技含量高。b.验收标准高建设验收标准要求严格，综合调试、体 育场地、体育设施技术标准必须与 IOC 、 SPOC、BOCOG 及国际单项体育联合会最新技 术标准相一致；工程建设及工艺质量验收标 准除了符合规范及国家最高质量验收标准“鲁班奖”要求外，还应与国际接轨， 满足体育场馆建设有关国际技术标准

36、规定。 c.管理标准高国家体育场建设过程中实行信息化管 理，实现现场管理远程实时监控、计算机模 拟操作、资源共享、无纸化办公；工程建设 过程中对人、机、料等各项资源实行精确的 动态控制，以保证资源的最优整合；为了体 现 2008 年奥运会“新北京、新奥运”的时 代主题，绿色奥运、科技奥运、人文奥运三 大理念将融入工程建设的各个阶段、各个环 节。d.季节性施工时间长、难度大国家体育场建设过程将跨越 3 个冬季、 3 个雨期，针对易受季节影响的分部分项工 程量大的特点，尤其是钢结构焊接作业、混 凝土施工等，需根据其所处的季节及施工阶段，进行季节性施工措施的研究，作出相应 施工方案。根据北京地区气候

37、条件，除须考 虑冬雨季外，还应针对风沙、高温等因素建 立反应机制，为保证工程进度提供有力支 持。e.钢结构施工难度大钢结构与混凝土结构施工交叉作业，必 须从工期、造价、质量、安全等方面综合考 虑，选择最优施工方案。钢结构工厂加工、现场组拼制作、吊装、 焊接、安装测量、工况计算与实现难度极大：钢构件呈不规则形状，局部扭曲，截面 不断变化，加工难度大；由于杆件组拼的桁架均为曲面，且设计 要求曲线变化平滑自然，对焊工水平、焊接 设备、作业平台（场区）要求很高，难以实 现；超重、大跨度、不规则钢结构吊装就位 是国家体育场工程施工的最难点，堪称建筑 业上的世界难题，因此安装设备、安装工艺 选择是成功的关

38、键；国家体育场工程主要钢构件大量采用 厚钢板，焊接温度使钢构件产生变形以及局 部应力集中而导致杆件承载力降低是厚钢 板焊接易产生的弊病，而且屋盖杆件局部超 厚钢板必须实施高空焊接作业，因此工程焊 接拼装难度极大，必须将厚钢板焊接纳入专 门的研究课题，采取有效的预控措施，确保 建造质量；由于国家体育场主要钢构件为不规则 曲线，钢构件组拼而成的网架为不规则曲 面，无章可循，因此对如何对巨型钢结构安 装实施三维测量控制，以确保整个壳体钢结 构现场安装的精确度、可靠性和安全性难度大，特大构架运输、吊装过程中的变形控制 相当复杂；针对钢结构复杂多变的曲线、曲面造 型，必须通过计算机模拟制作、安装工况。

39、由于曲线、曲面很难用方程式表达，因此工 况计算、建模工作量大。f.钢筋混凝土结构质量标准高砼工程 170m 超长楼板混凝土收缩裂缝 控制，以及 2. 5m 厚基础承台厚大体积混凝 土温度裂缝控制，是一个严峻的课题。框架结构混凝土表面质量必须达到清水 混凝土效果，尤其是框架结构外排高空斜柱 现浇混凝土施工质量控制难度很大。 g.预制混凝土看台板施工难度大表面应达到装饰砼效果，看台板的加 工、运输、吊装就位难度大。h.膜结构施工难度大钢结构屋顶采用了可充气气垫膜以及 可开启膜结构，膜材形状多变、用量大，膜 单元与钢结构杆件连接构造复杂。对于如此大量的气垫膜、可开启膜结构 施工安装，国内既没有类似工

40、程以供借鉴， 更没有成熟的工法、规范标准作为有效依 据，仅仅依靠在参考国外相似工程做法的基 础上自主编制施工工法，用于指导施工、检 验工程质量。这些对于工程技术人员来说无 疑具有很大的挑战。(3)钢结构工程工程分析国家体育场钢结构工程概况钢结构和屋面系统的建筑情况 工程0.00 处绝对标高为 45.50m，屋面呈双曲面马鞍型，东西跨度结构相对标高 为 66.87 米，南北跨度结构相对标高为40.01 米。体育场看台部分的屋架上下弦由 膜结构填充，中间比赛场部分设置滑动屋 面。钢结构和屋面系统的结构定位和组成 国家体育场主体钢结构分为主结构、次结构和移动屋盖三部分。主结构由一系列空 间桁架围绕着

41、内部的碗状坐席旋转而成；次 结构为镶嵌在主结构上弦多边形网格内的 一系列交叉杆件；移动屋盖跨越整个结构开 口空间，由对称的两部分组成，能够沿着主 结构上的固定轨道开启和关闭。主结构、次结构、膜结构划分和各自特 点主结构由钢格构柱和主桁架组成，共 24 组，钢格构柱由 3 根箱形截面柱构成，钢柱 高度通长，主桁架屋盖矢高 12 米。次结构 由主桁架之间的支撑，钢格构柱的柱间撑、钢性环梁以及滑动屋面，其中滑动屋面矢高 为 7.5 米。膜结构布置在桁架上下弦，上弦 底部用透明的 ETFE 气垫膜来填充；下弦下 部用半透光的、可开启的 PTFE 气垫膜。起 到不同的功能作用。构 件 的 可 能的截面形

42、式钢 结 构 构 件以 8.5 8.5m 、0.750.75m 箱形截面为主，包括组成钢格构柱的单柱、桁架的弦杆、钢性环梁 的组成杆件。见结构模型图及局部剖面图结构模型图局 部剖面钢结构施工特点难点分析a.箱形构件制作箱形构件是工程的主要构件形式。目 前，国内 100mm 以内板厚的箱形构件加工工 艺比较成熟，在许多工程中得以应用，如北 京工商银行大楼、城建大厦、辉煌大厦、摩 根大厦、银泰中心等，这是实现该工程的基 础和保障。保证构件质量是整个钢结构工程质量和进度控制的基础，确定满足要求的钢结构 制作厂家，加强构件制作的质量控制是重要 的内容。b.箱形构件起弧和起拱屋面为双曲面马鞍形，构件多成

43、曲线 状，一般的加工下料难以精确控制，必须采 用计算机模拟建立模型，对每根构件进行分 析，确定准确的起拱和起弧尺寸。 c.桁架制作该工程桁架属于悬臂结构，上下弦带弧 形、角度，主次杆件连接复杂，尺寸变化很 大，对制作和安装带来很大的难度。 d.多角度箱形相贯节点制作受建筑效果的需要，构件交叉形成网 状。从结构角度看，存在箱形构件非直角相 贯的情况，见图，而且节点是受力的重要部 位，该处的制作较难，是工程技术控制的重点之一。e.屋面滑动轨道（直线或曲线）制作精度控 制滑动屋面由两部分组成，要求实现可靠 的滑动，对轨道的加工质量标准要求很高， 应按照道桥规范的要求和标准制作。 f.屋顶刚性环梁制作

44、刚性环梁约束整个桁架体系，环梁与桁 架均成斜角连接，连接节点的处理要满足精 度和刚度要求。g.钢结构吊装吊装机械选择：吊车是工程最主要的施 工机械，起重能力和构件吊装顺序、构件分 割密切相关。即起重能力要满足每个吊次构 件的重量。工程拟采用履带吊车和塔吊结 合，保证覆盖所有构件安装范围。钢格构柱、桁架、次结构和刚性环梁的整体吊装顺序。刚性环梁组装刚性环梁提升井字桁架安装其他主桁架井子桁架支撑钢格构柱安其装他钢格构柱安装h.钢格构柱吊装钢格构柱安装分段安装。刚性环梁吊装：地面连接，整体提升， 临时支撑固定。或者地面连接，分段提升局 部。桁架吊装：主桁架采取分段吊装，空中 连接。滑动屋面安装：滑动屋面安装采用分段 吊装，空中连接方式。