大型体育场高大空间异形结构施工技术

科特迪瓦国家体育场位于科特迪瓦经济首都阿比让市北部阿尼亚马区，用地呈矩形（500?m×400?m），东侧200?m为城市干道，是由中国政府出资，北京建工集团有限责任公司承建的援外项目中非洲最大的单体体育场建筑。该体育场建筑面积61?250?m2；为6万座特大型体育场；体育场等级为甲级；体育场建筑层数为5层，高51.4?m（罩棚最高处结构中线）；采用钢筋混凝土框架+空间管桁架结构+膜结构；混凝土灌注桩基础（图1）。

图1??体育场效果示意

1??结构特点和施工难点

本工程的施工难点在于空间异性结构的斜杈柱、扶壁柱、飞扶壁构件截面尺寸大、斜率不一致、截面面积变化多，斜杈柱、扶壁柱属建筑的外围护结构，利用飞扶壁与看台相连，构成建筑的整体特色，利用艺术手段使外立面呈现“凯旋之门”的创意（图2）。

图2??体育场外立面效果示意

本工程扶壁柱共96根，均为空间异型构件，截面尺寸较大且高度，从16.264~27.056?m各不相同，且延环向轴G轴方向有倾斜角度，共有24种斜率；斜杈柱为变径四方体，截面尺寸为不规则四边形，且有96种斜率；飞扶壁为变径多边体，整个截面尺寸有4种斜率。构件定位、模板制作、脚手架搭建难度大。

2??施工方案对比

扶壁柱、斜杈柱、飞扶壁均为空间异形结构构件且截面尺寸和高度不同，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，致使施工方案选择困难，为此对多项方案进行了对比（表1、表2）。

表1??扶壁柱模板方案对比

表2??架体支撑体系对比

经综合考虑，扶壁柱选用型钢框木模、斜杈柱，飞扶壁采用钢管固定木模，架体采用扣件式脚手架。该方案能最大化满足现场施工要求并提高后期开拓当地市场的材料利用率。经分析现场扶壁柱的标高和模板尺寸，定型钢框木模采用2.44?m和1.2?m两种高度，梁柱接头位置采用散拼散支方式；根据斜杈柱及飞扶壁的截面尺寸可对看台使用过的钢管进行二次加工，减少现场切割钢管造成的损耗。

3??施工工艺

与传统施工图纸相比，方扶壁柱、斜杈柱及飞扶壁均以三维坐标点的形式给出的施工图设计，由原二维图纸转换成三维图纸，这让施工变得更加抽象，准确定位异形构件的空间位置和结构尺寸十分困难，为此利用BIM技术将抽象的三维坐标图转化成立体的建筑构件，以更好地理解图纸；然后利用BIM技术分析异形构件，准确推算其空间位置和斜率，最后借助数学原理将其转化成易于现场施工的计算公式，从理论上解决该难点。采用首段样板负责制的施工模式，结合现场施工实际效果（图3），与三维图进行对比分析，分析产生偏差的原因，从而保证整体施工效果满足设计要求和达到长城杯验收标准。

图3??异形构件施工效果

由于扶壁柱标高不同，导致飞扶壁和斜杈柱的距离地面的高度也不同：飞扶壁高度为16.264~33.800?m、斜杈柱高度为16.264~41.617?m。每种标高均需用安全计算软件进行计算一次，总共有24种不同的排布方式，施工时需搭设24种不同间距和步距的脚手架体系。通过分析整体现场施工情况，最终简化成高度20?m和32?m两种类型的模型构件，并采用安全计算软件算出满足施工要求的架体搭设模式。

扶壁柱施工采用定型钢框模板体系，模板尖角部位与基础承台接触，通过调整后侧模板标高控制整个扶壁柱的斜率，下面倾斜的三角形空隙利用多层板+木方堵严，浇筑完成后观察整体施工效果（图4）。实测现场构件空间位置及尺寸与图纸中的差距。经分析证明应用BIM技术对模型的分析与现场实际情况完全一致，证明施工图纸从三维坐标点转化成利于现场施工的计算方法正确。扶壁柱截面为2?000?mm×1?500?mm的矩形+高1?000?mm、宽1?500?mm的等腰三角形，截面构件尺寸相对较大，在定型钢框木模高度为2.44?m的情况下，为保证C30混凝土浇筑质量，采用分层振捣模式，每浇筑1?m振捣一次。按原施工图扶壁柱、斜杈柱及飞扶壁节点处4个方向的主筋和斜杈柱、环梁节点处钢筋有3个方向的钢筋通过，由于钢筋密集，振捣棒无法插入，施工前应用BIM技术对复杂节点钢筋进行建模，将飞扶壁和斜杈柱的单排钢筋改为双排，满足了现场施工要求。现场钢筋绑扎和模板支设过程中发现扶壁柱上部为一个三角形的装饰混凝土尖，一次浇筑会造成支模困难、振捣不密实且高度过高，对此将该部位分三段浇筑，先浇筑锚固部位，然后浇筑节点，最后浇筑装饰混凝土尖部位（图5）。

图4??扶壁柱钢筋与模板

图5??扶壁柱上部空间混凝土浇筑

在飞扶壁施工过程中，用BIM技术将空间坐标图转化成计算公式，找出飞扶壁折点的水平投影和斜率，进而求算出折点距±0.000?m的高度，用钢管做底模控制线，以保证构件底部尺寸准确，再准确找出飞扶壁上表面点的空间位置，拉斜线控制其斜率。施工过程中发现飞扶壁上表面钢筋保护层难以控制，其原因在于飞扶壁本身是变截面构件，构件箍筋没有统一的标准尺寸。对此应用BIM技术对飞扶壁的箍筋进行精准定位和排布，每个箍筋均编号加工并对应现场飞扶壁箍筋位置，保证所有箍筋排放位置准确，经调整保证了整个飞扶壁构件的钢筋保护层符合规范要求，确保实际混凝土外观效果（图6）。

图6??飞扶壁施工完成效果

斜杈柱高度为12.766~13.561?m，为变截面四边形构件，每条边的斜率均不相同，其施工控制要点在起点、交点处和终点这20个点的空间位置，应用BIM技术将空间坐标点转换成计算公式，在施工过程中算出交点的水平投影和垂直高度，找出与已施工完成的扶壁柱与飞扶壁交点的空间位置关系，进而控制每个交点的空间位置。在样板施工后发现现场采取的控制方法与模型给出空间位置有6.5?cm的位置偏差，分析其原因在于施工时第一次选取的参照点问题，经调整选取的参照点，确保了实际构件空间位置与BIM模型重合，保证了斜杈柱位置准确（图7）。

图7??斜杈柱施工完成

在环梁与斜杈柱的交叉节点有3个方向的钢筋，造成双排钢筋不能完全排放在预埋件的间隙中，通过BIM三维模拟对原设计进行深化，提前在预埋件型钢上开孔，部分钢筋从预埋件开孔位置穿过，保证现场施工顺利进行。在混凝土浇筑过程中为保证控制点不出现单向受力偏差，每跨斜杈柱均采用对浇方式，整个斜杈柱分5段浇筑，每次每个斜杈柱浇筑1?m，每跨间的斜杈柱交替浇筑，保证空间位置不因单向受力产生变形。

4??结束语

科特迪瓦国家体育场采用钢筋混凝土结构，用钢筋混凝土的厚重效果实现“凯旋之门”的设计理念。与钢结构相比，混凝土空间异形大截面尺寸构件的施工复杂，为此在空间异形结构构件施工前应用BIM技术，解决了构件的空间位置关系问题，根据异形构件选择合适的模架体系，为施工提供了安全可靠的支撑体系和经济适用的模板体系；采用分层振捣和对浇方式，保证了混凝土外观质量和整体高大异形空间结构构件的施工效果。