体育馆屋顶网架改建施工方案比选

体育馆屋顶网架改建施工方案比选摘要：作为上海地标性体育建筑，上海体育馆将全面改造成符合“国际赛事 之都”要求的市级公共体育文化中心。体育馆改造主要难点又集中在保留下部结 构前提下的屋面网架系统改造网架使用逾 40 年，跨度大，高度高，对保留 结构保护要求严，社会影响大。本工程对于大型体育场馆屋面网架改造方案的推 进过程，对于改造方案的综合比对及实施方案的比选，可为以后类似工程提供了 借鉴案例。1 项目背景上海在竞技体育方面以打造“国际赛事之都”为发展目标。东亚体育中心作 为上海标志性体育设施，在设施能级、环境品质、赛事类型与组织等方面都存在 一定差距。为促进上海体育事业的进一步发展，将东亚体育中心改造为徐家汇体 育公园，推进地区功能升级和环境改善。2016 年5 月，市领导调研徐家汇体育公园时提出“要面向未来，站在更高的 起点，让它重新焕发城市的功能，重新成为面向未来的新地标，既能够举办重要 顶级国际赛事，又可以日常服务于广大市民的健身娱乐体育，成为体育公园”。 上海市人民政府关于加快发展体育产业促进体育消费的实施意见也明确提出 上海将努力打造世界一流的国际体育赛事之都、国内外重要的体育资源配置中心 充满活力的体育科技创新平台。图 1 体育公园鸟瞰图2 上海体育馆改造目标改造后的体育馆定位为“上海体育文化展示和创新竞演的标杆”，体育馆改 造后将成为本市室内综合体育国际赛事场馆，能够举办 CBA 职业联赛（包括 NBA 季前赛）、乒乓球、羽毛球、篮球、排球、斯诺克等多类别顶级赛事和文化演艺 活动的体育建筑，并可引进拳击、自由搏击、电子竞技等娱乐性、观赏性强的新 兴体育赛事，同时满足各种文艺演出的需要，提供更加多样化的体育文化内容。图 2 上海体育馆改造效果图3 上海体育馆现状上海体育馆地处繁华的徐家汇商圈，是上海地标性体育建筑群的重要组成部 分，1972 年经周恩来总理亲自批示，由上海市规划建筑设计院 1973 年至1974 年 间设计，上海市第八建筑工程公司于 1975 年建成，这座当年中国规模最大、设 施最先进、功能最齐全的体育馆不仅成为了上海这座城市的新坐标，在世界上也 处于领先水平。场馆平面呈圆形，由内圈主馆和外圈单层辅房构成，两者间设有沉降缝，结 构相互独立。1975 年建成时主馆正中为比赛场地，四周为环形看台，南侧看台中 部设有主席台、北侧中部设有裁判台，主席台和裁判台下设有一层地下室，比赛 场地下设地垄墙架空。场馆 1999 年改造为上海大舞台，北侧将近1/4 的看台及 看台下空间被拆除改造成舞台结构，地上面积大为缩小，场馆逐渐丧失了体育赛 事功能，转变成了一个以文化演艺功能为主的室内场馆。图3 上海体育馆现状4 网架概况上海体育馆现状屋顶网架为焊接球节点网架结构，呈圆形，网架覆盖面积为12160平方米，重量为600吨，跨度110米，外挑7.3m，高33.62米，由均匀分 布在直径为110m圆周上的36根柱子支撑，支撑以外悬挑。支撑以内网架高6m， 支撑处减为3.6m，在挑口处改为0.68m。混凝土构件主要为预制构件，构件之间 通过预埋件焊接、预埋钢筋焊接、节点空隙浇筑细石混凝土的方式进行连接。现状网架为正三角形三向桁架体系，由边长6.111m的三角形网格组成，网 架矢高为6m,中间起拱2.5m，共有杆件11400多根，钢球930只。结构杆件规 格主要D48X3.0D194X11.0的钢管，钢球为规格主要为D300X10、D400X14、 D450X16的三种规格的焊接球，网架材料材质均为16锰钢。图4上海体育馆现状网架由于上海体育馆使用至今已逾 40 年。本次改建为上海市重点工程，将全面改造成符合“国际赛事之都”要求的市级公共体育文化中心。为此业主对体育馆 的新功能提出了很高的要求，必须满足体育赛事、环保绿建、消防等诸多要求： 在网架跨中需要增设斗屏（固定斗屏自重15吨；业主和外方建筑强烈要求采 用可升降式斗屏，自重45吨，可满足所有体育赛事的需要）； 满跨设置铝镁 锰直立锁边屋面系统，并满足目前新规范对屋面保温的要求，新建屋面的保温构 造层自重将大于原有屋面自重； 建筑设计仍希望保留原来别具特色的吊顶样 式，尽最大可能“修旧如旧”，新吊顶需满足隔音的要求； 改造后的马道、 风管荷载均略高于原设计值。经过新老设计荷载对比，本次改造屋盖荷载增加较多。经计算，有2800根 杆件承载力不足（原网架结构共10435根杆件），原有网架承载力不能满足改建 后的要求，需要进行改造。图5上海体育馆新建网架效果图5 网架改造方案比选自上海院至上海建工，从一线设计到众多钢结构领域专家，他们综合分析几 经研讨，最终从原位加固、预应力索、新增桁架、拆除替换、拆除重建五个方案 中筛选出了拆除重建这个最终方案。这个方案虽然只有短短的四个字，但它的背 后却凝聚了上海土木工程领域众多工程师及专家的心血，是综合考虑经济效应、 施工可行性及社会影响度的智慧结晶。最初的结构设计采用的是“原位加固”的方案（方案一），强度不足的弦杆 与腹杆，采用外套钢管且两端与球节点焊接；稳定不足的弦杆采用外套钢管且两 端与球节点不焊，腹杆采用增设侧向钢管支撑。但在2018年2月份召开的结构 超限评审会上，专家提出“加固方案除满足结构的使用要求和抗震要求外，应结 合施工方案，充分考虑施工的可行性和安全性”、“现方案加固施工难度较大， 经济性较差，是否还有更简单且经济、可行的加固方法宜作进一步比选、论证”。 应专家的要求，设计方又提出了以下四种加固改造方案：1）预应力索（方案二）：采用在主桁架下设竖向撑杆、张拉预应力拉索的 方法，对原有网架结构提供支撑反拱，拉索两端固定在混凝土柱顶。但仍存在大 量需加固的构件。2）新增桁架（方案三）：在原网架的外围新增桁架结构，与原网架独立， 新增桁架上下弦杆分别置于原网架上、下两侧。新增桁架的腹杆从原网架杆件缝 隙中穿过，与新增桁架的上下弦杆螺栓连接。新增桁架用以承担斗屏、马道、风 管荷载；若建筑要求设置吊顶，吊顶荷载也由新增桁架承担。屋面荷载与风荷载 仍由原网架承担。通过新增桁架承担部分荷载后，原网架在其余荷载作用下仍需 要进行加固，但仅存在稳定不足杆件。3）拆除替换（方案四）：原网架总重约 560 吨，采用若干台塔吊整体起吊 平移放到地面，在地面对计算不满足的杆件进行切割、拆除、替换。4）折除重建（方案五）：采用 36 榀径向钢结构平面钢管桁架方案，周边通 过钢铰支座搁置于混凝土柱上，中心通过倒三角形圈环结构相连，环向通过若干 环桁架形成一个整体。针对以上共五种加固方案，设计方与业主、总包以及加固顾问进行了多次讨 论，并于 2018年 5月 28 日邀请到多位专家召开了“屋盖钢结构方案比选专家咨 询会”，对上述五种方案进行了可行性对比。各方案的经济技术指标见表 1 所示表 1 体育馆钢屋盖加固方案对比新建钢屋盖外形与原网架完全相同，采用空间钢管桁架方案，构造简洁，自 重较轻，施工简便，安全性高，耐久性好，可满足业主对体育馆功能的全部要求 且总造价最低，工期也较短。从使用功能、安全性、工期以及造价等各方面考虑 “拆除重建”方案均优于其他方案，因此选择“拆除重建”的方案作为最终实施6 网架拆除重难点网架拆除的重点和难点在于如何确保整个拆除过程的安全性，做到万无一失。 现状网架为正三角形三向球节点桁架体系，结构杆件、球节点多，属于高次超静 定结构，受力复杂，网架的拆除方式和拆除顺序直接影响到网架的内力重分布， 因此选取合理的拆除方式拆除顺序是防止网架局部坍塌乃至整体坍塌的关键。目前社会上部分人认为：虽说跨度 124.6m 的上海体育馆在当时是规模最大 设施最先进、功能最齐全占了许多全国第一，甚至世界第一，可是，从我国 现在的设计、施工以及机械的水平来说难度都不是很大。这种观点忽略了几个很 重要的问题：（1）上海体育馆是上世纪 70 年代建造的，当时人民的生活水平不高，物资 匮乏。根据体育馆的结构设计师林颖儒先生回忆，网架所需的钢材是由周总理特 批，鞍钢冶炼的。在这种情况下，他们通过计算，几乎把材料的性能在规范允许 的范围内发挥到了极致，几乎做到了用料最省（设计荷载：支撑以外200kN/ms 支撑以内250kN/m2。而且这批钢材在高应力下工作了 40多年，材性有无发生变 化，既无可靠依据，又无类似的可参考的案例。（2）该工程位于繁华的徐家汇商业区，毗邻3条地铁线路及内环高架，场 地周边均属交通要道，人流密集，社会关注度高，属环境敏感区域，现场周边可 用场地空间狭小，在如此诸多苛刻的条件下，不仅要做到最高标准的安全文明施 工，还要从更高一层的社会影响度考虑施工的可行性。（3）体育馆中心区域为地垄墙架空，承载能力极为有限，甚至连中型的施 工机械也无法发挥作用。4）虽然网架结构的拆除属于破坏性拆除，但因为原混凝土结构需要保留、加固，所以从总体上讲它更属于保护性拆除，这将大大增加拆除的难度。（5）需要相关专业技术人员按照既定的拆除方法及拆除顺序进行受力分析， 仿真分析需要利用两种不同的软件分别建立模型，按照拆除的步骤，每一步均需 要做出受力分析，进而确保拆除过程中每个工况中的杆件均满足要求。拆出顺序 不可随意改动，如需改动，必须重新进行仿真分析。综上所述：本工程网架的拆除与其他工程的网架拆除无论是规模上还是难度 上都有本质的不同，因此应该格外重视，必须谨慎选择合适的拆除方法以及合理 的拆除顺序。7 网架拆除方案比选适用于大型网架结构的拆除的目前一般有三种常用方案：整体拆除、满堂脚 手架散拆、超大型液压同步下降技术整体下放逐级分段拆除。其中较为常规的两种方案：整体拆除、满堂脚手架散拆。针对本项目及周边 环境弊端较多，具体表现如下：（1）整体拆除方案的弊端 如果采取整体起吊，网架均布受力点基本不可能找到，假设吊到薄弱点， 可能会把整个网架拉塌。如果按照常规应起吊支座点，但是网架中间挠度可能过 大导致网架变形甚至折断。内蒙曾经出现过类似事故。 即使能吊起来也会变形很大，假定变形满足，也没法平移，垂直起吊简单,水平位移最难控制的，而且场内可用场地太小，网架取下也无处安放。（2）满堂脚手架散拆的弊端 所需脚手架数量巨大，经过测算大约需要23万m3。 脚手架搭设及拆除工期较长，且在满堂架存在期间，室内其他流水施工基 本无法进行，体育整体改建改建工期将大大延长。 脚手架只是操作平台，并不一定能承受网架的重量，一旦开始拆除，如果 利用脚手架承重，将会产生很大的变形，安全隐患巨大。 现有的三台塔吊无法覆盖中心区域，人工高空搬运效率低下。通过对现场施工条件及现有结构布置的深入分析，从屋顶网架拆除的安全性 以及拆除效率等多方面综合考虑，拟利用“超大型液压同步提升技术”将屋顶网 架采取“整体下放逐级分段拆除”的施工工艺进行拆除，同时新的屋顶网架按照 拆除的逆序，采取累积提升的施工工艺进行安装。相较其他方案而言，其优势如 下：拆除及安装共用一套提升措施，总体措施费用小，脚手架（支架）搭设数量 小。核心环在地面拼装，模台搭设方便，安装精度高。网架的重力由中心的胎架承受，受力明确；可通过胎架提升力的变动与信息 化的监测措施相结合的方法全程监测网架的应力、应变以及位移的变化，并结合 有限元分析确保每一步均安全可靠。36榀径向桁架高空拼装利用汽车吊，塔吊负责环向杆件拼装，起重设备利用率高，总工期较短。网架拆除及桁架与安装，均不影响看台下方其它区域的施工。因此，本工程选取“超大型液压同步下降技术整体下放逐级分段拆除”的方法对体育馆的网架进行拆除。8 结语本工程是大型场馆保护性改建的一个经典案例，其中又以网架改建难度最大 类似改造在国内基本没有先例。本工程推进过程中，设计、施工、监理单位及社会各界专家广泛讨论，群策 群力，为工程方案顺利推进起到了关键作用。随着建筑施工的发展，大型优秀历史保护建筑的改建将越来越多，根据本工 程目前实际推进状况及社会影响来看，各方面反馈信息均较为良好，本工程对于 大型场馆网架结构的的处理也为以后类似工程提供了借鉴案例。