国家大剧院幕墙、金属屋面及钢结构系统介绍.pdf

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1、国家大剧院幕墙、金属屋面及钢结构系统介绍国家大剧院幕墙、金属屋面及钢结构系统介绍 1 总体概况 国家大剧院位于北京人民大会堂西侧，北边紧靠西长安街，国家大剧院工程 总占地面积 11893 公顷，总建筑面积 149520m2，总投资 268838 亿元。建成 后将成为中国最高表演艺术中心。 国家大剧院工程业主委员会由建设部、 文化部、 北京市共同组成， 施工总承包单位是由北京城建集团有限责任公司、 香港建设(控 股)有限公司、上海建工(集团)总公司三家组成的承包联合体，其中北京城建负责 土建部分，香港建设负责幕墙结构，屋面系统采用德国 KALZIP 系统，由 Corus Building Sys

2、tems 广州子公司提供 Kalzip 连续侧面焊缝板。幕墙系统设计和屋面 及玻璃幕墙的安装由精艺 KGE 公司完成，而广受关注的壳体钢结构吊装由上海 建工集团所属上海市机械施工公司负责。 2玻璃屋面系统与安装 屋面可视部分由 1126 块大小不等的超白玻璃组成一个渐开式玻璃幕墙屋 面，形状就像一个逐渐垂下来的水滴，长约 105m。夜晚来往于长安街的行人， 可以通过晶莹剔透的玻璃幕墙，观赏到国家大剧院金碧辉煌的观众休息大厅。 1 玻璃屋面的设计难点主要 要考虑以下因素： 玻璃分格为 WH 4000mm2290mm 若 完全采用铝龙骨会导致较大 的截面尺寸， 而且横竖龙骨尺 寸不统一， 即使把竖

3、向龙骨设 计与横向龙骨相同的截面尺 寸，内视效果也较差，满足不 了建筑师的要求， 由于屋面的 形状较为特殊， 钢结构会有一 定的变型量，若使用通常的幕墙结构，会导致杆件的加工异常复杂，变形和伸缩 问题难以解决。 另外还有玻璃的清洗问题等。 精艺的设计巧妙的克服了以上问题， 使所有难点迎刃而解。 2 2.1 国家大剧院玻璃幕墙系统特点 2.1.1 玻璃屋面系统采用球铰连接方式与主体钢结构连接，满足玻璃幕墙表面的 三维调整， 使用专用钢制铸造转接件实现连接球头与钢结构的可靠连接和三维调 整。 2.1.2 使用球形转接，满足板块之间不同角度的变化，使玻璃板块和铝框紧密的 贴合。在玻璃和横竖框架之间加

4、垫框，垫框的角度可以随玻璃板块的角度变化， 垫框与玻璃之间使用胶条密封。压板直接作用在内层夹胶玻璃上。 3 2.1.3 铝龙骨两端与圆盘转接构件采用精致铸钢件，既能实现横竖框的角度变化， 有能加强龙骨的强度，使铝型材的加工非常简单，无斜角和空间角加工，满足复 杂立面要求。 2.1.4 表面喷涂处理，外形美观，实现钢铝完美组合。充分满足设计师要求。使 点式幕墙技术与框架幕墙技术得到完美的组合。 2.1.5 玻璃配置采用为夹胶中空钢化玻璃组合，中空玻璃为大小片，外层为 12mm 半钢化超白玻璃 15mm 空气层， 内层为两层 8mm 超白夹胶玻璃中间胶片为 1.52mm, 内层玻璃大于外层玻璃 2

5、4mm 4 2.2 玻璃板块的安装 2.2.1 玻璃板块的吊装 使用多头的吸盘挂在天吊的吊钩上，这个多头的吸盘一共由 12 个小吸盘组 成，能吸住重达一吨以上的物质，当这 12 个小吸盘吸住玻璃以后，就迅速将吸 盘内的空气抽干，以保证玻璃在空中吊运时不会脱落。玻璃板块尺寸长 4 米，宽 2.29 米，总面积 9.16 平方米，重量达 700 多公斤。但是为了安全起见，还是用 绳索将玻璃固定在吸盘上面。 2.2.2 玻璃板块的固定 将玻璃吊到指定位置后， 迅速拆除系在 玻璃上的绳索。 这时只有靠吸盘的吸引力来 吸住玻璃。钢结构内侧需搭设脚手架，便于 玻璃的定位和固定。 因为玻璃本身是平直的， 而

6、大剧院的钢 结构的框架则呈一个球形， 施工人员需将玻 璃慢慢嵌入钢结构框架内并调整转接压条 的角度，保证玻璃表面和胶条紧密的结合， 然后将上下 8 个压块压在内层玻璃上， 5 2.2.3 使用密封胶将玻璃板块之间密封， 保证幕墙的水密性、气密性 3金属屋面系统 国家大剧院的椭球屋面将由 20000 多块钛金属板组成。 为了保证结构的抗震 性，建筑师要求整个屋面系统不能限制钢结构的自由伸缩和位移，屋面系统应自 成体系其伸缩和变型应相对与主体结构。 屋面不可视部分由两层外壳组成，第一 层与钢结构连接部分为镀锌钢板，镀锌钢板 上面为防水、保温隔热和防潮层，其防水抗 压外层是 0.9mm 厚的 Kal

7、zip 直立锁边铝镁合 金扇型板，铝板材质为 3004 进口铝合金板， 保温材料是密度为 16kg/m3 的长纤维玻璃棉 及铝箔。 3.1 适应复杂的体形 将整个屋面分为三段进行施工，通过板宽延长 度方向渐变的扇型板均匀地平滑变化，适应椭 球水平周长地变化。 3.2 固定方式和抗风性能 首先将铸压铝合金固定座与檩条固定，在将压 型铝板的直立肋卡在带有梅花头的铝合金固定 座上，并被另一块板盖住。最后用锁边机将卡 在同一个固定座上的直立大小肋锁紧。固定座 在结构上按一定的间距布置，这种固定方式不需穿透面板，从原理上解决了渗漏 问题。通过固定座与镀锌钢板连接在一起，最后一层装饰钛板由与 Kalzip

8、 铝板 凸起的一边相啮合的夹子来支撑，这种夹子是专门为这项工程而研制的。这种设 计确保了装饰面板覆盖层可以安全的附着在建筑物表面之上， 并且能确保雨水通 6 过紧覆于装饰层之下地 Kalzip 板被顺利地排走。 3.3 系统防腐 压型铝板材料选用进口 3004 铝合金板，基材具有极强的抗腐蚀能力，特别能抵 御酸性环境，据供应商介绍，这种防水板在常态下使用寿命不小于 40 年。 3.4 温差作用 由于保温层设在金属板的下面，所以大面积金 属屋面板都存在着严重的温度变形问题，北京 一年的温度变化将近 80，这么大的温差，必 然导致防水板有较大的温度变形。如不合理释 放这部分变形，易产生噪声，严重时

9、会导致防 水板局部折屈、隆起。大剧院屋面采用的固定 座构造能保证延板长方向释放变形。 3.1.6 分段和边界的处理 将防水板分为三段进行施工，通过成熟的节点处理，使各段即能自由伸缩又可靠 搭接，保证其良好的防水保温性能。 7 ST固定座和隔热垫 保温材料 Kalzip 压型铝板 封修板夹子 4主体建筑钢结构 4.1 主体建筑钢结构为椭球形壳体，是一个超大型的空间结构。壳体最大跨度东 西长约 212.20m，南北约 143m，高约 46m，壳体的展开面积达 35 万 m2，钢 结构总吨位 6750，且建筑物内还没有支撑柱。 整个壳体由顶环梁、梁架构成主体骨架，梁架之间由连杆、斜撑连接。连杆 及斜

10、撑均采用钢管，可见部分梁杆之间连杆采用铸钢节点连接，不可见区域连杆 采用钢套管连接。为加强壳体的整体稳定，对称设置了 4 个斜撑区(见图 1)。 4.2 壳体钢结构制作与安装变形控制 壳体钢结构的制作由上海江南重工股份有限公司负责， 整个椭球钢壳体制作 工程分为厂内分段制作及预拼装、现场拼装两个阶段。工厂制作阶段主要包括底 部长轴、短轴梁架、顶部梁架、箱形梁、钢管环梁小分段、环向系杆、H 型钢的 制作。为了便于公路运输，梁架小分段每段长约 12m。工厂预拼装包括顶部结构 的整体预拼装、长轴梁架平面预拼装、短轴梁架平面预拼装。现场拼装指在现场 顶部钢管环梁、顶部箱形梁、顶部梁架、底部短轴梁架、长

11、轴梁架分段拼装为吊 装分段。梁架小分段在现场拼装成约 30m 一段的吊装分段。 4.3 施工方案 经过多方案的比较，最终确定吊装方案为：大型吊机停于壳体外，分段对称 8 散装的支架法施工，即吊装阶段在壳体内设置 3 道临时网架支撑，作为构件空间 定位的依托，并解决吊装阶段的结构稳定。壳体安装全部完成后，先卸载、再拆 除网架支撑。之所以选用上述安装方法是鉴于以下原因： 4.3.1 壳体下为全地下室结构，最深达 32m，大型吊机进入壳体内难度很大。 4.3.2 壳体顶环梁离壳体内最高建筑歌剧院屋面有 1520m 的间距，顶环梁又 必须先行安装，才有利于梁架的安装定位。顶环梁施工必须有支承架。 4.

12、3.3 单榀梁架薄而长，侧向刚度极差，必须分段安装，为此也必须在分段对接 处设临时支撑。 4.3.4 整个结构需待壳体完全形成后，方为稳定的空间结构，在施工阶段支架是 不可缺少的稳定措施，且有利于控制结构变形。 4.3.5 因施工进度需要和业主的要求，壳体安装需与 3 个剧场的机电安装、舞台 设备安装同步，大型吊机进壳体将严重影响设备安装。 4.4 支架法施工 该法施工必须考虑支架的变形，特别对国家大剧院工程使用的大体积、大范 围的支架，起码要做到变形协调。为满足这个要求，本工程选用了 4 台主机，梁 架安装从 4 个斜撑区开始，按中心对称安装原则施工。从实施效果看，主机的选 择与布局较为合理

13、，达到了预期的目的(见图 2、图 3)。 9 CC2800600t 履带起重机是上海建工集团为大剧院工程专门从德国进口的大 型起重机，负责顶环梁区域的吊装工作，2003 年 7 月 1 日运抵施工现场。其工 作范围主要在大剧院北面，负责顶环梁部分的吊装工作，即利用该起重机的超起 性能：选用 60m 主臂加 84m 副臂，起重量 l 564t，起重高度 47125m，作业 半径 12238m。负责安装顶环梁与梁架的上段等构件。此外还有 2 台从澳大利 亚进口的行走式塔吊 M440D(600tm) 2 台，接 55m 巴杆。布置在壳体的东、西 两侧，负责安装梁架的下段与中段 等构件。德国进口的 6

14、00tm 固定式 塔吊 SK560(600L m)1 台，固定在 壳体南区，落脚标高在土 000m 的歌剧院外， 塔高 56m， 臂长 52m， 负责南区梁架的安装。在同一个工 程中动用如此大吨位的 4 台设备在 国际施工史上都属罕见。 4.5 顶环梁的正确定位 顶环梁的投影呈椭圆形，长轴长约 60m，短轴长约 38m，沿椭圆的外周采用 少 1117254 的 THK 钢管，中心区 2 根 12m 高的钢箱梁与 14 榀用 60mm 厚钢板组成了平面钢板衍架，东西两侧的半圆区内，呈放射状对称布置 38 道平 面衍架。 梁架分为 A 类(短轴梁架)、B 类(长轴梁架)。A 类梁架安装在透明区(玻

15、璃幕 墙区)，采用 60mm 厚钢板制作；B 类梁架安装在非透明区，采用上下翼缘宽度 10 不等的焊接 H 型钢。梁架共 148 榀，上与顶环梁相接，下与混凝土底环梁相连， 单榀梁架的长度在 80100m 不等，且中间没有搁置点。整个钢壳体呈一巨型的 罩壳，将里面的 3 幢混凝土建筑(歌剧院、戏剧院与音乐厅)罩盖。 如果顶环梁的定位偏差过大，会直接影响到下部梁架的安装质量。先行安装 的顶环梁，支承在临时的网架平台上。网架结构的整体刚度比较差，变形相对较 大。分析网架平台的变形原因与规律，发现吊装阶段造成网架变形的原因有二： 一是太阳光照射，造成网架左右前后摆动；二是不均匀的垂直荷载，使网架产生

16、 不规则的变形。对于前者，在顶环梁吊装时不必过多地关注，因为阳光偏差是有 规律可循的， 1 日中总会有 1 个时段， 网架上的基准点会重新回到原始位置附近。 只要在这个时段，个方向同时对称安装梁架，那么顶环梁的空间位置就能控制， 而且随着对称安装的梁架不断增加，阳光对顶环梁的影响也会越来越小。而垂直 荷载对网架造成的偏移必须引起重视，60m 长、38m 宽的椭圆型顶环梁是分块、 分段安装的，每块每段的重量在 2040T。这些大件共有 19 件，按中心对称安 装的原则进行排序，在吊装过程中利用测量仪器进行监测，尽可能将网架平台的 变形控制在标准允许的范围内。 这里要着重提到的是焊接，大件的焊接工

17、作量很大，且都是 26cm 的中厚 板对接。为减小焊接变形与应力，焊接整体上以南北向正交轴为对称轴、两侧基 本同步进行，每个大节点焊接按对称原则进行。 在梁架的安装阶段，为了保证顶环梁的正确到位，必须采取中心对称的安装 原则，从 4 个斜撑区 间同时同步安装。特 别是每个区的起始梁 架安装，除了使用起 临时稳定与校正作用 的缆风绳与工具式拉 撑外，在工艺上采用 了相邻 2 相(每相分 为 3 个吊装分段)交 叉安装的方法，以增 强单相梁架安装时的 侧向刚度，直到形成 11 一个可以作为后续梁架安装靠山的标准间。 4.6 测量 壳体为空间超级椭球体，控制点多，精度要求高，其内部混凝土结构的密度

18、大，且起伏错落，场外周边又缺少可以利用的制高点建筑物，通视条件差。 设计方法国的 ADP 公司提出一套测量方案：利用人民大会堂屋面，并在歌 剧院顶上立 4 个观察塔，在壳体的外表面设置 3297 个棱镜、内表面设 4477 个反 射贴片。这个方案投入极大，且实施效果不一定理想。因为钢结构的观察塔自身 变形大，测得的数据每时每刻都在变化，而实施效果最佳的人民大会堂屋面又不 允许上去。为此，我们采用了一种自行研制的方法即抓住壳体上主要构件梁 架的特点，148 相梁架虽然呈不规则弧形状，品种达 37 种，但安装后梁架平面 均垂直于地面，也就是说它们在地面上的投影均为直线。如果将 148 相梁架的投

19、影线都标在各层面上，那么再加上高程，梁架上任何一点的座标都能很方便地找 到，这样在壳体内部就能定出梁架的空间位置，不必再到外部寻找观察点。而且 除了放线阶段需要使用比较高级的全站仪， 梁架吊装阶段只要普通经纬仪与水准 仪就可解决问题，既简单又经济，且精度也能达到设计要求。 4.7 支撑系统 壳体安装时，壳体内混凝土结构的主体己基本完成，临时支撑点落在混凝土 结构上，有的支撑点落在大空间的剧院屋顶上方。如果采用独立柱支撑 形式，势必在支撑的下部支点上产生较大的反力。为了减小支撑反力，确保 剧场装修工作与壳体安装同步， 临时支撑的结构设计为螺栓球节点的网架结构形 式。 网架的底标高随下部混凝土结构

20、的顶面而变化，但是采用分段安装的梁架， 它在同一标高的分段点可以连接成一个封闭的椭圆曲线。 为了增强支撑系统自身 的结构刚度，我们将 S0 设计成平台形式而 S1、S2 设计成宽 4m 的柱面网架形式 (见图 4)。S0(用于支承顶环梁)支撑面标高定为 4165m；S1、S2 用于支撑分段 梁架，面标高分别定为 23m，S2 标高定为 36m。 网架结构自身变形相对比较大，用它作为支撑必须有相应措施。 12 4.8 设计 S0 是平台形式，投影面积比较大，高度在 20m 左右。网架支撑的基本网格 划分采用 2m x 2m 单元网格，顶部面层采用四棱锥形式，S1、S2 两圈支撑，在 结构选型时采

21、用了多边形折线拟合曲线的方法，设计成封闭的柱面网架形式，并 注意选择适当的位置与墙体连接。梁架安装开始阶段，适当配置缆风绳，控制柱 面网架的侧向位移。这样的设计对控制 网架的水平位移起到了较好的作用。 13 4.9 施工 变形确实是一个最伤脑筋的难题，浪漫的法国专家曾提议运用“反变形”这 种在理论上很完美的办法，但可惜目前的实际并不能达到这种要求。最终机施公 司设计出一个具有很强操作性的“平面预变形”方案，即梁架上段在安装时留有 足够的空间使它在重力条件下完成变形过程，而中、下两段保持设计要求的安装 方位。工程人员分两步来应对钢结构的变形。即先装上中间部位的玻璃，等钢结 构变形完成之后，再根据变形后的尺寸进行安装。这样，经过“变形释放”的钢 结构自然就会和玻璃紧密结合在一起了。 感谢国家大剧院业主、项目经理、感谢国家大剧院业主、项目经理、KALZIP 北京代表处为本文采写提供帮助， 参考文献： 北京代表处为本文采写提供帮助， 参考文献： 为使读者更全面的了解国家大剧院的设计施工，本文钢结构部分参考上海机械 施工公司罗仰祖的国家大剧院壳体钢结构安装的变形控制 为使读者更全面的了解国家大剧院的设计施工，本文钢结构部分参考上海机械 施工公司罗仰祖的国家大剧院壳体钢结构安装的变形控制 14