国家速滑馆超大跨度环桁架索网结构全过程BIM 技术应用

王志滨，王 伟，王 钦，赵书东，秦 展，崔建波

（北京城建集团有限责任公司，北京 100088）

1 工程概况

1.1 项目简介

国家速滑馆工程项目的建设位置与林萃路和国家网球中心相邻，2022 年北京冬奥会将在这里举行速滑比赛。国家速滑馆的建筑面积达到了9.8 万m2，主场馆的外形为椭圆形，共计包括五层，地上建筑为三层，地下建筑为二层，檐口高度设置为16m 和34m，能够容纳12000 多人观看比赛。北京作为世界首个“双奥之城”，其标志性建筑物就包括国家速滑馆在内。国家速滑馆的效果图详见图1。

图1 国家速滑馆项目

1.2 结构概况

国家速滑馆地上为一个独立的结构单元，不设永久结构缝。地上首层为现浇钢筋混凝土框架结构，看台部分除梁柱为现浇外，台板以预制清水混凝土为主；地上二层及三层为纯钢框架结构，具体结构体系如图2所示。

图2 结构体系示意及分解

该工程项目的屋盖结构的主要形式为单层双向正交索网联合大跨度马鞍形环桁架结构体系。超大跨度屋盖投影形状为椭圆马鞍形双曲面，索网的类型为单层双向正交形式，支承于周圈的钢结构环桁架上，索网南北向稳定索最大跨度198m，东西向承重索最大跨度124m；立体桁架结构形式时环桁架的主要类型，平面投影外形尺寸为226m×153m，网格间距4m，节点采用相贯焊接的形式连接；用于支承屋盖的48 根看台斜柱采用劲性混凝土柱，使用成品固定球铰支架将劲性混凝土柱与环桁架连接在一起。外围护幕墙为波浪形曲面玻璃幕墙，支承结构采用钢拉索加竖向波浪形钢龙骨，在顶部钢结构桁架上固定拉索的上端，在主体结构首层顶板外圈的悬挑梁端固定拉索下端，钢拉索间距为4m，钢龙骨采用箱型截面，通过销轴耳板与幕墙拉索对应位置的索夹铰接[1]。

2 深化设计阶段

2.1 环桁架深化设计

环桁架按照设计要求“环桁架零态为钢结构加工、安装对应的状态；环桁架初始态为索网张拉、配重加载完成时对应的状态；从零态到初始态，支座底部应为滑动。”环桁架深化设计建模所使用的坐标为设计图中零态对应的空间坐标。环桁架深化设计通过直线拟合马鞍形空间曲线，主弦杆采用直线段圆钢管，降低加工制作难度。

在深化钢结构时，发现桁架杆件与幕墙撑杆点相贯节点位置有现场焊缝碰撞的情况存在，与设计协商后，对杆件位置进行了调整；屋面索牛腿与天窗梁牛腿存在着冲突的情况，与设计协商后，对天窗梁位置进行了调整。

2.2 索结构深化设计

索结构深化设计主要包括耳板设计、提升张拉工装设计。整个屋盖索网结构，整体提升、张拉的拉索数量多，拉索提升、张拉力大，提升和张拉施工的要求比较严苛，对提升和张拉施工的安全性要求比较高，也能提高施工效率，保证施工质量并节省施工成本。

深化设计理念，对构造要求和工装受力情况进行了综合的分析，工装受力储备充足，结构形式科学；对张拉耳板和提升张拉工装进行三维实体放样，保证满足施工构造的需要；对提升张拉工装进行有限元分析，确保在最不利工况下，工装处于安全状态。

3 构件加工阶段

3.1 钢构件加工

最大屋面环桁架弦杆的规格设置为D1600×60。针对本工程大口径钢管筒体成型，利用数字化加工技术保障加工精度和加工质量。

加工成型时，使用的设备为专用的钢管数控卷板机，将钢板先卷制成若干个钢管小段节，然后接长焊接至10m 左右，最后进行内部加劲板的焊接；在滚轮台架上使用自动焊接台架或者是筒体自动焊接台架以埋弧焊接的方式来焊接筒体，使用自动埋弧焊接的方式处理筒体的环向焊缝和内外侧纵向焊缝，并采取措施对外侧焊缝的余高进行控制，使焊缝余高不大于2mm。

3.2 索体加工

首次实现建筑用高钒封闭索国产化，打破了国际市场的垄断，大大减少了索体进口成本并降低了工期风险。高钒封闭索索体加工步骤如下：盘条→半成品拉拔→热处理→二次拉拔→热镀锌铝→倒轮→合绳→成盘包装。

使用整体模拉法来完成关键工序二次拉拔过程中的Z 形钢丝拉拔施工，使用三维软件模型来设计拉丝模，将圆形钢丝拉拔到Z 形钢丝的实际拉拔状态，使各道次孔型得到快速的形成。使用多道连续直线式拉丝机完成Z 形钢丝的二次拉拔施工，在拉拔钢丝时，不需要附加扭矩，拉丝过程冷却时，使用风冷与水冷相结合的方式，保证成品钢丝的生产质量与设计要求一致。最终保障了合绳阶段各层钢丝松紧一致贴在内层钢丝上，使Z 形钢丝形成了连锁封闭，确保了索体力学性能。Z 形钢丝三维模拟拉拔和索体断面情况详见图3。

图3 Z 形钢丝三维模拟拉拔及索体断面

4 施工阶段

4.1 环桁架施工

钢环桁架平面投影的外形大小设置为226m×153m，连接节点时，使用管与灌相贯焊接的方式。组合式桁架构成了截面的主要形式，主要由腹杆和主弦杆构成。杆件截面的形式非常多，弦杆截面的尺寸也比较大，最大口径钢管为D1600×60 如图4 所示。

图4 环桁架总体施工方案

因现场安装条件复杂，结构东西侧设置有地下车库，因此考虑在东西侧车库上设置拼装胎架，在场馆结构外拼装完成，当场馆混凝土结构施工完成后，采取滑移的施工方案安装就位，节约安装工期。同时桁架地面拼装控制拼装精度，为高空定位创造良好条件，高空定位预先定位支撑模板，全站仪测量定位桁架分段及主弦杆，节约分段定位时间并提高安装精度。

经过施工模拟和仿真分析，将环桁架施工分4 个分区，南北区采用原位吊装，东西区采用滑移技术，西侧滑移距离87m（58m+29m）、东侧滑移距离47m（18m+29m）。两侧滑移段长181.9m，宽40.5m，重量约2750t，在安装时使用滑移机器人完成安装施工任务，安装方式为高低二次滑移就位联合场外高空拼装的方式。将滑移支撑架和滑移轨道事先铺设好，使用计算机来对液压进行控制。钢结构高低空二次滑移缩短了工期，同时也节省了支撑材料的用量，实现了平行施工如图5 所示。

图5 结构平行施

4.2 屋面索网施工

屋面索网的主要类型为单层双向正交马鞍形，南北、东西的最大跨度分别为198m 和124m。索径64mm、74mm，用钢量仅约为传统钢屋面的1/4。共使用高钒封闭索968t，总长度20410m，共498 根。

工程项目施工企业与浙江大学使用1∶12 实体模型仿真实验对结构建造的安全性和可行性进行了充分的论证，实体模型仿真试验的具体情况详见图6。研究影响初始平衡态误差关键因素，提出施工控制标准；研究不同张拉方案的控制效果；验证超大跨度索网结构的受力性能；验证“安装幕墙索、地面组网、整体提升承重索、张拉稳定索”施工方案；对比定长索张拉就位与稳定索索力精确就位下的索网形态与索力。

图6 1∶12 实体模型仿真实验

对方案进行综合分析以后，对施工工期、施工成本投入和施工安全性等因素进行了全面的论述，确定最终的总体施工方案为整体提升张拉与地面组装索网相结合的施工方案。在铺装地面索网时，放样的坐标为索在地面的投影点。索夹螺栓在地面全部拧紧后整体提升，提升过程中对称分级缓慢进行，所有提升机器人由计算机控制。稳定索张拉施工分为8 个步骤完成，最大距离设置为37cm，张拉点的数量设置为60 个，索网张拉成型的效果详见图7 所示。施工及运营全过程在结构上布置监测点进行健康监测，监测索力、风压、位移等，实时展示荷载状况、结构反应并提供故障预警，保障结构安全[2]。

图7 索网张拉成型

5 BIM 应用总结

国家速滑馆项目通过对环桁架索网结构的BIM 建模和全过程的高精度仿真，实现了基于数字化的构件加工和安装，并持续完成实时高精度测控、健康监测，最终保障了工程精准、高效建造，并为类似工程提供了参考。

该项目研究成果在建筑领域获得了很多的大奖，如中国钢结构金奖、优路杯全国BIM 大赛施工组金奖等。