上海浦东足球场钢结构深化创新应用

钱晓村 卢 俊 柯敦华

上海机施建筑设计咨询有限公司 上海 200072

1 工程概况

上海浦东足球场位于锦绣东路以南，规划金滇路以东，金葵路以北，规划金湘路以西，总用地面积约10 hm2。其屋盖部分长轴向约为211 m，短轴向约为173 m，看台罩棚短轴向悬挑长度为50 m，长轴向悬挑长度为48.3 m（图1）。

图1 上海浦东足球场鸟瞰效果图

根据建筑造型、空间使用功能和视觉美观要求，结合结构受力特点，体育场屋盖结构内部的挑篷采用了轮辐式索承网格结构，其独特的中置压环钢结构张拉体系，对钢结构、屋面系统等的设计、加工和安装提出了毫米级的精度要求。

我们运用BIM技术，对本项目的钢结构系统、金属屋面系统、膜结构吊顶系统、立面幕墙系统、看台预制板系统等进行多专业一体化施工管理。以信息化、参数化、模块化为技术应用方向[1-2]，结合大数据合模、动态施工模拟、全息三维扫描、参数化数据对比分析等技术手段，联动设计、生产、施工“三位一体”，以两个一体化为目标导向，在有限的时间内有效规避本项目所产生的复杂空间体量问题，推动项目有序、高效、顺利进行。

2 中置压环钢结构张拉体系屋盖的动态布置

上海浦东足球场设计中最引人注目的就是大跨度的无柱钢屋盖空间及其流线型的外观，屋盖的跨度达到了200 m。

与此同时，本项目建设的最大难点也在于其结构设计中国际首创的中置压环张拉钢结构体系屋盖（图2）。其独有的中压环梁、径向梁，以及刚柔并济的索承网格体系，在体现美感的同时，也为设计、深化、加工、安装等一系列环节带来不小的考验与挑战。

图2 上海浦东足球场钢屋盖模型

2.1 “四态一体”钢结构屋盖系统的布置理念

上海浦东足球场钢屋盖主要的结构体系包括结构柱、中置压环、上部径向梁、下部径向索以及内环索和V柱支撑（图3）。屋盖的结构体系可以看成是轮辐式体系和下张弦屋盖的有机结合。因为传统的全张拉轮辐式体系由于上弦采用柔性的钢索以提供金属屋面的面内外刚度，所以本工程中采用了刚性的箱形上弦杆以提供金属屋面的可靠支承条件。正是由于采用了刚性的上弦杆，才可以将径向索的水平分力有效地传递到中置压环上，从而形成完全封闭的环索自锚体系。

图3 中置压环张拉钢结构屋盖体系

同时，由于本项目钢结构屋盖体系的复杂性，传统的二维图纸无法全面表达其空间体量关系，我们在钢结构模型建立以及深化设计环节，利用正向设计原理，通过多方论证及多个应力状态下产生的空间定位分析，最终明确了可用于深化的钢结构屋盖体系施工计算线模型定位标准，再结合多状态调整后的线模型标准放样得出作为钢结构深化基础的空间体量模型。

针对上海浦东足球场钢屋盖的特殊性，为保障现场施工的精准以及安全性，我们联合设计方，通过严密的结构计算以及对现场施工工况的分析，结合其独特的不同应力下的张拉体系状态变化，将整个钢结构屋盖的深化、施工分为“四态六步”，即4种状态，6个步骤。

四态即为：初始零应力状态、索网张拉完成后状态、内悬挑端安装完成后状态、安装屋面系统并卸载胎架后状态。对于钢结构深化来说，先要快速理清各态的前因后果，明确深化设计思路。从零应力态到索网张拉完成态过程中，结构在径向和环向均产生不同程度的位移。径向位移所引起的问题是V撑的长度有所缩短，变化量为6～29 mm，如果按照零应力态下的长度深化，这么大的长度变化足以导致V撑发生屈曲，显然是不可行的，因此V撑必须按照张拉后的长度深化。环向位移引起的问题是由径向梁、V撑、径向索构成的面在空间发生变形和偏转，径向梁、索夹上的连接板如果按零应力态设计，靠关节轴承调节显然是不行的。按施工流程分析，径向索、环索均采用定长索，初始状态时径向梁、V撑处在零应力态，径向索、环索处于松弛的自由态，张拉后才会逐步就位。因此径向梁、索夹上的连接板空间状态应该按完成态进行深化设计。

综上，内悬挑端安装完成后状态和最终卸载状态对整体结构的影响较小，可以忽略；初始的零应力态到索网张拉完成态对整体结构位移较大，但V撑以上部分屋面结构变形量不大，可以忽略；径向索和环索都为定长索，不设调节量。所以在深化过程中V撑以上部分按零应力态深化，而V撑、环索等则按张拉完成态深化。V撑、径向索两端分别与环索和径向梁相连，而在深化模型中，环索和径向梁分处不同的设计态，如何正确处理不同设计态下的构件关系，开展钢结构深化、出图、加工和安装工作，确保现场顺利实施，是屋面深化的关键。

2.2 钢结构屋盖体系的模型建立

由于上下两部分在钢结构深化过程中分属两个状态而产生不共面的问题，从而导致钢结构在深化阶段的连接节点、出图等方面产生冗长繁复的操作。

就此，我们联动多方，根据施工吊装顺序，以由设计方计算得出的V撑外肢及径向索长度不变为标准，移动每一榀下拉环点位使其与径向梁中线共面，再定出V撑内肢的长度与空间定位，最终使上部径向梁体系与下部V撑体系共面，更精准、更方便地为后续钢结构深化工作的展开提供条件（图4）。

图4 屋盖主钢结构构件深化依据

我们利用Rhino及Grasshopper平台，以上述条件为依据，将所有屋面钢结构以钢结构深化阶段标准按不同阶段进行线模型放样及共面调整，生成深化状态下的钢结构线模型，再利用Grasshopper平台计算所有环向钢梁与径向梁衔接位置的旋转角度，将最终线模型及相关数据导入传统钢结构深化软件Tekla中进行体模型的放样以及后续的深化操作。

通过上述操作，从而完成钢结构深化的设计沟通、偏移量计算、线模型原则及空间定位确定、空间体量模型放样等一系列环节。

根据以上原则，吊装所有主钢构件及附加主檩条后，开始整个屋盖的索网张拉操作，并在施工开始前，模拟出索网张拉完成以及安装内侧悬挑端主钢构件后的所有已安装杆件的空间定位坐标，以供后续屋面体系及膜结构吊顶体系的深化、加工、安装。

同时，考虑现场施工形变及精度控制等特点，再将此“四态”细分为6个施工步骤，即：安装立柱、径向梁、外侧圈梁（预留8个合拢嵌补段）→安装V撑外肢、环索、径向索和索夹并同步张拉径向索→安装中压环外侧的合拢嵌补段圈梁、屋面支撑及柱间BRB支撑→安装V撑内肢和中压环内侧径向悬挑梁→安装压环内侧圈梁、屋面支撑及V撑横梁→安装屋面系统、马道并卸载胎架（图5）。

图5 上海浦东足球场钢屋盖模型（局部）

3 屋盖各体系结构的难点及解决措施

3.1 屋盖檩条支撑体系的难点及解决措施

屋面水平支撑的难点在于空间位置的确定及连接板的设置，空间位置需要同时考虑屋面结构、圈梁、吊顶构造等多种因素才能确定。由于前后2根径向梁在空间的斜率不同，支撑不共面，连接板无法按共面处理，因此我们只能尽可能考虑局部构造的合理性，在支撑的交点处把连接板进行共面处理，两块连接板合成一块，做成异形连接板，穿过环梁并连接水平撑。

主体结构与屋面体系密切相关，同时设计明确要求现场不得在径向梁上施焊，为了配合后续屋面体系的施工，深化时需预先考虑在主体结构上设置屋面主次檩的连接节点。主檩沿径向分布，节点主要设置在环梁上，采用螺栓连接（图6）。次檩沿环向布置，除与主檩连接外，主要连接在径向梁上，同样采用螺栓连接。放样后发现由于整体结构的不规则，导致次檩连接板与径向梁的关系非常复杂，无法按统一原则设置，如预制在径向梁上，不仅加工定位难度增大，现场返工率也将大幅提升，权衡利弊后最终确定径向梁上仅设置槽钢构造，虽然一定程度上增加了现场工作量，但现场施工更灵活、可调性更大，也满足了现场不直接在径向梁上施焊的需求（图7）。

图6 环梁上部与屋面檩条节点示意

图7 次檩与径向梁连接处增设槽钢示意

3.2 屋盖水平支撑体系的深化节点分析及焊缝合理应用

设计屋面图纸上典型水平撑节点如图8所示，图8中仅示意了转换圈梁和径向梁交会处的水平撑连接板。

图8 水平撑板节点示意

但在碰到图9中径向梁和圈梁交会处的水平撑节点时，连接板厚度和径向梁及圈梁焊接明显不满足厚薄板焊接规范要求。在和设计方讨论的节点方案中，避免厚薄板问题的一种方案是增加板厚，另一种是采用本体开槽连接板贯通。本体开槽方案的材料没有增加，但焊接工艺会要求更高。考虑到径向梁为主要受力构件，设计方不希望在腹板上开槽口，圈梁为次要构件，可以采用开槽节点。经过讨论，最终确认径向梁采用腹板在水平撑范围局部加厚至与水平撑同厚，圈梁腹壁开槽，并采用牛腿现场连接的形式，这样有利于水平撑及开槽工作在工厂就能完成。在这个典型节点中，明显体现出深化设计能灵活应用节点的优势，将工厂焊接可行性及现场安装操作性考虑周全。

图9 水平撑板节点实际放样示意

3.3 屋盖径向梁和环向梁（中压环）体系的深化节点分析及焊缝合理应用

径向梁和环向梁（中压环）是屋盖结构体系的重要组成部分，均采用焊接箱形截面。径向梁采用薄壁箱梁（腹板仅厚10 mm），内部设置纵向加劲（腹板加劲）和横隔板以提高箱梁刚度，与径向索、环向主梁等节点连接区域则通过增加板厚保证受力需求。实际施工时，节点区厚薄板变化区域较多；环向主梁牛腿、水平支撑连接板存在空间角度，定位困难；纵向加劲较密，焊在薄壁腹板上易产生变形，建议采用间断焊处理；箱形截面内部空间小，横隔板无法退焊，所以做不到围焊，优化为斜对角边不焊（图10）。

图10 纵向加劲间断焊，横隔板斜对角边不焊

中压环同样采用的是箱形截面（截面1 500 mm×1 500 mm×50 mm×50 mm），壁厚较厚，端部采用法兰连接，为了减重，法兰板中间开洞，用薄板密封处理（图11）。由于结构造型不规则，空间定位难度较大，考虑现场安装误差，为保证压环梁精确就位，部分环梁与法兰板的焊缝采用现场实测、现场施焊的方式处理。

图11 法兰连接示意

4 深化中合理考虑提升和张拉工装与钢结构的关系

上海浦东足球场屋盖结构内部的挑篷采用了预应力索承网格结构，通过在径向索和环索中施加预应力，平衡上部网格的质量，这步张拉工序由专业单位来完成。张拉过程中会有例如反力工装、钢绞线、千斤顶等张拉设备需要与钢结构构件连接。本工程中的径向索张拉工装较为复杂，深化设计时利用专业技术及时判断在实际加工和现场施工中的可行性，为工程快速推进起到了承上启下作用。

图12中，张拉节点位于外圈梁，千斤顶装置位于外圈梁外侧，此方案仅需在环向梁上设置穿索套管，既施工方便又节省材料。然而在深化放样中，套管与钢结构有硬碰撞，主体结构无法避让，所以放弃此方案另想办法。

图12 位于外圈梁节点与钢结构碰撞模型示意

图13采用张拉工装耳板措施，增加连接侧耳板和径向索竖向连接板全熔透焊接，在侧耳板上采用销轴连接工装装置。在深化过程中，特别针对焊缝工艺进行了优化，耳板尾部由于径向梁本体厚度（26 mm）与侧耳板板厚（70 mm）相差甚远，考虑熔火量过大对圈梁本体的受力影响，和设计讨论后认为在满足强度前提下与径向梁底部焊缝仅采用构造焊缝即可，大大降低了工厂的焊接工作量。

图13 采用张拉工装耳板措施节点示意

5 结语

通过以上“四态六部”过程及细部张拉工装节点方案结合一体，从真正意义上做到并进一步提升了“钢结构、屋面一体化”以及“设计、深化、加工、施工一体化”的两个一体化理念，为设计、深化、施工提供了有效理论支撑。