科特迪瓦国家体育馆高大曲面异形结构施工技术分析

邓建芳

（甘肃第四建设集团有限责任公司，甘肃 兰州 730060）

0 引言

伴随着大量造型独特的建筑出现，建筑表面的非线性和不规则性特征变得更加明显。在建筑设计中，新的结构和组合结构也在不断地涌现，这对建筑的建造技术带来了巨大的挑战。在科特迪瓦国家体育场工程项目中，涉及高大曲面异形结构的建造。建设单位针对施工难点，对其施工技术进行优化，形成了一套适用于异形结构施工的新技术。本文就新技术及其在科特迪瓦国家体育馆工程中应用进行分析，包括施工工艺流程及操作要点的介绍，为以后类似施工项目提供参考。

1 工程概况

科特迪瓦国家体育馆（见图1所示）坐落在科特迪瓦经济特区阿比让市以北的阿尼亚马区，场地为长方形（500m×400m），向东200m为主干路，由中国政府投资，北京建工集团有限公司施工。该体育馆占地61,250㎡，为容纳60000个座位的超大运动场；运动场级别为A级；该体育馆的楼层为5层，高度为51.4m（顶盖在结构的中心位置）；该工程采用RC 框架+空心钢管网架+膜面结构，混凝土灌注桩基。该场馆的设计等级为2级，按国内中等规模的B级标准进行设计。

图1 科特迪瓦国家体育馆安装现场

2 结构施工难点及施工工法的确定

2.1 施工难点

该项目共96根扶壁柱，均为空间异形构件，其断面尺寸很大且具备较高的高度，高度从16.264m到27.056m不等，且延环向轴G轴方向有倾斜角度，导致脚手架的搭建难度加大。同时，飞扶壁和斜杈柱的高度也各不相同，需要搭设24种不同间距和步距的脚手架体系，这进一步增加了脚手架搭建的复杂性和施工成本。整个结构形式虽为1/4对称，但在1/4对称中的24条轴线内结构形式不对称。扶壁柱、斜杈柱及飞扶壁节点处钢筋密集，导致振捣棒无法插入，该项目工程施工难点主要在于空间范围内的异形结构扶壁柱、扶壁柱的构件截面尺寸过大或者斜率不一致等问题，构件的定位、模板的制作、脚手架的搭设等都是非常困难的，而且需要耗费大量的人力物力，工期较长，很难保证工程的施工质量[1]。

2.2 施工工法的确定

针对上述施工难点，经过一系列的研究，对于空间异形构件如扶壁柱、斜杈柱和飞扶壁，通过BIM 模型与实际测量的对比，不断调整和优化定位方法，针对异形构件的截面尺寸和高度差异，定制型钢框木模和钢管固定木模。对于扶壁柱，采用定型钢框木模，并根据实际情况调整模板高度和拼接方式。对于斜杈柱和飞扶壁，根据截面尺寸对钢管进行二次加工，减少现场切割造成的损耗，根据扶壁柱、斜杈柱和飞扶壁的高度、倾斜角度和间距要求，设计多种不同间距和步距的脚手架体系方案。采用扣件式脚手架，并根据实际情况调整立杆间距、横杆步距和连墙件设置等参数。对于高度较高的构件，采用分段搭设的方法，根据构件的空间位置和相互关系，制定合理的施工顺序。先施工扶壁柱，再施工斜杈柱和飞扶壁，确保各构件之间的连接和支撑稳定可靠。该工法解决了复杂曲线屋顶的放线定位、支撑架搭设、模板钢筋安装等关键问题，使屋顶曲线的精度得到了很大的提升，同时又不会显著地增加施工费用[2]。

3 异型构件模板施工方案及BIM优化设计

该项目的关键在于异型构件模板施工方案的选择，也离不开BIM技术对异型件细节处的分析。

3.1 异型构件模板施工方案选择

扶壁柱、斜杈梁等都是空间的异型结构构件,而且断面大小和高程也不同，因此整个建筑构造形态中由于结构不对称的问题，让实际的施工情况变得尤为复杂。为此，需对多项施工方案进行比选。扶壁柱模板方案对比如表1所示。

表1 扶壁柱模板方案对比

通过对扶壁柱的整体分析，确定了扶壁柱采用型钢框木模板和斜支柱，保证了支撑柱的紧固性，并将支撑柱的最大倾角设在75°，避免了支撑柱的失效。使用钢管来固定木材模板，可以最大限度地满足工地建设的需要，并且在后期开发本地市场对可复制利用。通过对现场扶壁柱标高及模板尺寸的分析，确定了固定钢框架木模的高度分别为2.44m 及1.2m，在梁、柱连接部位采取了散拼散支的方法；依据斜杆柱和飞扶壁的断面大小，可以对支架上用过的钢管再进行二次加工，实现快速拆卸，缩短施工周期，并可以反复使用，节省施工成本。

3.2 异形构件施工方案的BIM优化设计

高大曲面异形结构通过 BIM 技术对异型件进行分析，精确地确定其空间定位及倾斜角度。在此基础上，运用“第一阶段样板责任制”的施工方式，将其与3D图纸进行比较分析，以确保其总体施工效果符合设计要求[3]。

（1）用Tekla软件对钢构进行深化设计，构成完整的高大曲面异形结构3D节点，转变传统的二维设计思路，通过调整参数及自动匹配功能，以解决钢构的加工与成形难题。

（2）体育中心内的钢桁架每根杆件重量为28.43t，由于受到吊装装备的限制，不能一次全部吊装，因此利用BIM 软件建立临时支撑模型，对其进行了可行性分析，最终决定采用单杆杆件三跨回转，在中跨与边跨的交叉点上进行拼装，并在空中进行合拢的方式，确保大跨径钢桁架屋盖的安装能够安全、顺利地进行。

（3）通过BIM技术，根据建筑的实际外形，制作幕墙表皮，对其进行优化和切割，使得幕墙的嵌板能够满足设计和规范的需要，这大大减少了现场的冲突，避免了施工返工，从而提升了项目的设计质量和工作效率。

（4）为了保证异形构件的布局更加合理，确保各个构件之间以及与其他专业之间的施工不会相互干扰，将Revit 模型引入到Navisworks 中进行了优化分析。打开Navisworks软件，进入操作面板。在上方“常用”选项卡中点击“附加”，从下拉菜单中选择附加功能。接着，在附加窗口中找到需要载入的Revit模型，点击打开，即可将模型顺利导入Navisworks 软件内。对导入的模型进行碰撞检测，根据《建筑施工规范》对异形构件进行了进一步的优化调整。优化过程中，确保它们在施工过程中能够相互协调，不会造成施工难度或安全隐患。经过优化后的异形构件布局更加合理，不仅避免了可能存在的冲突问题，还提高了施工效率和质量。在实际施工中，根据优化后的模型进行了精确的定位和安装，保证了异形构件的稳定性。

（5）基于BIM技术，利用自动焊接机器人，对大型钢框架结构进行了平面、横向和垂直三种模式的自动焊接。利用BIM技术进行模板设计，并与放样机器人进行模板安装、定位和校核的过程中，能够减少模板间的拼缝数量，减少混凝土错台，最大限度提高混凝土结构整体度、消灭空鼓，减少混凝土浇筑后的修饰工序。

4 异形构件模板施工工艺流程及操作要点

4.1 施工工艺流程

开始→制作外弧模型，以胶合板为材料，画线、切割成模型→将外弧板平放在拱出的圆弧上，用外力按住两侧模板与模型弧度相切→对拉螺杆加固：在模板上开孔，穿对拉螺栓，连接主龙骨和山型卡→模板与方柱创新链接：模板平放于木方上，用钢钉铆钉固定，浇筑面覆塑处理→调节器优化设计，对位螺杆式背后调节器，减轻自重，方便运输和调节→调节孔周全设计：椭圆状调节孔提供调节空间→内外施工加固样式：内弧面采用内紧螺丝，外弧面采用外放螺丝进行加固→将屋顶按照弧形区域划分→模板支撑预埋→定位放线→钢支撑架捆扎→混凝土、钢支撑架浇筑→混凝土浇筑施工→拆模。在施工阶段，将事先准备好的材料以分段吊装的形式运送到施工现场，并运用BIM模型，对施工过程进行仿真，进而确定最优的施工工艺[4]。

4.2 施工操作要点

4.2.1 精确制作与定位弧形模板

选用高质量的胶合板作为材料，按照设计图纸上的相应弧线进行画线并精确切割，在制作过程中，应注意模板的平整度和光滑度，应将模板平放在相应的圆弧上，用外力按住两侧模板，使其与模型弧度紧密相切。然后，通过调节螺母使调节器U 型卡充分受力，固定住木方，确保模板在浇筑过程中不会发生位移或变形。

4.2.2 模板支架预埋布置

施工要求和现场条件选择斜撑加固或对拉螺杆加固，斜撑加固时，应选用合适的钢管作为支撑材料，将钢管的一侧斜向靠在木方的背侧，另一侧则固定在地面或支撑架体上。而在进行拉螺杆加固时，则需要在模板上开孔，并将对拉螺栓穿入其中。此时，木方被用作次龙骨，而钢管或钢筋则充当主龙骨，并与山型卡相连。利用3DMAX 仿真技术，对整个穹顶进行了3D 建模，结合施工计划，对模板支架进行了平面布置。

4.2.3 定位放线及检查

在异形表面现浇顶板的施工过程中，采用了3°横投影法来进行精确定位。将该模型的截面投影到下一层，再利用该模型得到下一层的截面。根据这一成果以及相关数据和现场具体情况，划分了各个测点，并计算确定了各个测点的风荷载。将各个分段的分割线投射到下方的构造层，并将其作为控制轴线。对异形构件的不同部位进行区域划分，并根据每一部分的风荷载的等效关系，得出对应的区域。在定位处，明确指出了各支撑点的位置、长度和编号（X,Y,Z…）。钢管架的定位坐标根据预先布置的定位轴线确定，而长度则是通过三维模型的每一条轴线的截面图精确计算出来的。利用准备工作确保支撑架能够在施工现场快速、准确地安装到位。注重立面为曲面拱的处理，通过结构梁拉结和挂板中间利用隔板的分割，实现了模板的安装加固。严格控制各项参数，确保每一个细节都符合设计要求，从而保证异形表面施工质量合乎规格。

在上述分析的基础上，针对客户的要求，提出了一系列的具体设计方案，即安装前的准备工作和安装流程，让设计师和安装工程师之间的交流更为顺利，以保证正确的安装逻辑，获得最佳的设计效果[6]。下挂板立面图如图2所示。此部位为屋盖顶板下刮板，立面为曲面拱，通过结构梁拉结，挂板中间利用隔板分割，实现模板安装加固并确保一次成型感观质量。

图2 下挂板立面图

4.2.4 钢支撑件的安装

根据三维图纸把各种型号的钢管和扣件放入场内，然后根据定位放线上的数字，对支架进行定位和安装。在进行安装时，要严格按照施工计划和支撑架的计算机预排图，在钢管架的顶端安装一个顶托，以便于对标高进行微调。在进行上下两层的型钢和支模架的施工时，必须严格按照设计图纸和施工计划进行测量和放线。确保布置立杆以及制作模板的准确位置，使其符合要求。在完成测量和放线后，还需要经过专业技术人员的检验和确认，确认无误后方可开始使用。与此同时，在原剪切机架的基础上，在架构件上隔跨时，也要在架构件上隔跨处添加适当的短向斜架，以保持结构的平衡稳定[7]。

4.2.5 模架和加劲肋的布置

（1）模具的设置。首先将钢龙骨与钢条进行搭接，由于钢条的纵弯较为平滑，因此长度可缩短至2m，若横弯较大，则缩短至1m。因此，为保证屋顶的弧度，尽量使用整体模板，由于横向屋面的弧度较大，因此，将模板的短边作为屋顶的横渡，而长边作为屋顶的纵度，将误差降到最低。2个模具的接头应置于其下方，模具的长宽均应用铁钉钉紧，避免造成模具的扭曲。组装完毕后，用钢索将模板与垂直钢管系紧，这样才能保证模板的整体性，所有的板面都要紧贴在龙骨上。

（2）钢筋的安装。天花钢筋为圆钢筋，弹性好，在安装时，只需将固定钢筋按500×500的间距对齐即可；对于直径较大、硬度较高的屋顶梁筋，在加工时，需将其安装到模板短边（915mm）上，并进行弯曲，弯曲完成后，与按照屋顶曲线制作的模具对比，误差不得超过10mm[8]。

5 结束语

总体而言，科特迪瓦的国家体育馆是以钢筋混凝土为主体，与纯粹单位钢结构比较起来，混凝土空间异形大截面尺寸构件的施工比较复杂。因此，在空间异形结构构件施工之前，将 BIM 技术运用到实际工程中，解决了构件的空间位置关系问题，并以异形构件为基础，选择适当的模架体系，为施工提供了一种既安全又可靠的支撑体系；在施工过程中，根据设计要求，对各环节的施工工艺进行有效控制，保证了该异型结构的施工质量。该项目施工形成了一套适用于异形结构施工的新技术，有效地解决了曲面异形结构施工难度大、吊装效率低等问题，值得总结经验，以资参考。