柔性索网屋面荷载置换施工技术

国家速滑馆是北京2022年冬季奥运会的标志性场馆，建于北京2008年奥运会临时场馆原址上，与奥林匹克公园重要建筑“水立方”“鸟巢”相呼应，形成“水”“火”“冰”的质感对比。国家速滑馆建筑面积约9.7万m2，主场馆外廓线投影呈椭圆形。鉴于速滑馆的新型结构体系，其屋盖形式和受力相比传统结构更复杂。

国家速滑馆屋盖组成由48根倾斜混凝土劲性柱支撑，环绕场馆看台1圈，顶部支设钢结构环桁架，环桁架内侧包含张拉的单层正交双向索网，尺寸为198m×124m，外侧包含张拉的幕墙索网，整体呈马鞍–椭圆形（图1）。屋面主要划分为3部分，索网和环桁架区域均采用金属屋面、索网–环桁架交界处采用人字天窗屋面。正交索网近似将索结构屋面划分为1080块4m×4m（边缘为异形）的矩形网格，屋面材质为金属铝板，每块单元金属铝板也均为4m×4m（边缘板为异形），总面积约16600m2。

图1国家速滑馆屋盖组成示意

1设计要求

1.1支座锚固

为了保证速滑馆结构的安全性、适用性、耐久性和抗灾害能力，对其屋盖钢结构环桁架支座锚固提出以下要求。

（1）应在屋面和幕墙索张拉完成后进行。根据记录，国家速滑馆索网在2019年3月19日已全部张拉完毕，满足要求。

（2）应在温度为10?℃~20?℃左右进行。分别统计了2018年和2019年北京市最高和最低气温。结果表明，进入5月以后环境的最高温度基本超过20?℃，不适合支座锚固，因此要在2019年3~4月完成支座锚固。

（3）应在屋面荷载施加完进行。屋面荷载加载完屋盖结构才能达到稳定，才有利于后续施工部署。按照正常施工顺序，屋面要在索网张拉后进行现场复测返尺才能下料加工，加工将持续几个月，完成后才能正常施加屋面荷载。因此若按正常施工顺序较难满足（1）和（2）的要求，需要提出新的施工方案。

1.2索网变形

为了计算屋盖的变形，根据其结构形式建立有限元模型。拉索张拉完毕后，屋面及马道安装前下屋盖结构变形如图2所示，屋面及马道安装完成后屋盖结构变形如图3所示。

图2拉索张拉完毕后屋面及马道安装前下屋盖结构变形

图3屋面及马道安装完成后屋盖结构变形

结果表明，屋盖结构由索网张拉完成到屋面及马道安装完成，索网中间区域变形最大，最大竖向变形为0.577m。

以椭圆索网平面的长轴和短轴为例计算屋面网格的变形，屋盖主体结构索安装完成后，长轴方向索长约200m，短轴方向索长约120m。以长轴为200m、短轴为120m为弧长的屋面变形如图4所示。由图4几何关系可计算索结构在最大竖向变形为0.577m时的单元网格变形。

图4?屋面变形示意

（a）长轴；（b）短轴

（1）长轴总伸长量为0.132m，平均到每个单元板块上为0.132/200×4=0.002?64（m）=2.64（mm），取3mm。

（2）短轴伸长量为0.220m，平均到每个单元板块上为0.220/120×4=0.007?3（m）=7.3（mm），取8mm。

根据以上分析，索网安装屋面前后在长轴方向和短轴方向每个板块需分别均布拉伸3mm和8mm，则金属屋面有撕拉变形，甚至开裂变形的风险。因此，需要在索网上预加屋面荷载，使屋面提前达到荷载作用下的变形，再安装金属屋面，既可满足钢结构支座锚固的需求，同时又能降低屋面荷载施加前后索网变形给屋面带来的不利影响。

2配重吊挂物选择

2.1配重容器选择

在现有的荷载配重施工中，大多采用沙袋或钢锭作为吊挂物，其施工要点如下。

（1）由于配重的总质量较大，采用沙袋配重时，需要在施工现场搬入搬出大量沙子，该方法存在沙子泄露污染场地、沙子堆放占用较大场地、扬沙污染环境等问题。同时，沙袋需要采取一定的防水措施，如果沙袋防水保护发生破损，降水、结露、浓雾等天气会造成配重重量改变。

（2）采用钢锭作为吊挂物时，需要采购大量的钢材，施工费用较高。针对以上问题，本研究创新性地提出IBC水箱（图5）施加荷载，并成功应用于国家速滑馆索网屋面的预加载。在IBC水箱容器中，配重填充物是水，以显著降低配重吊挂物的施工费用，同时也可避免吊挂物污染施工场地和环境。IBC水箱中配重物的施加和撤除仅需通过水管注水和出水口排水即可实现，操作简单方便。

图5 IBC水箱

本工程选用的IBC集装桶的规格参数见表1，其容量是1000L。IBC集装桶内桶使用的材料是HDPE，即高分子量低压聚乙烯材料，其卫生性好，耐酸碱，只要使用温度不超过60℃，液体密度不超过1500kg/m3，或者Ⅱ类或Ⅱ类以下危险品的种类都可以使用，选择范围广。单个IBC集装桶的重量为60kg（±2kg），壁厚平均为3mm。

表1 IBC水箱规格参数

2.2钢丝绳选择

本工程每个吊挂点的荷载为1.16t，索夹下挂点销孔的直径最小为26mm，为避免施加荷载误差和提高施工效率，钢丝绳的选择应轻便易操作。

综合考虑后，本工程选用直径为6.0mm的双钢丝绳进行悬挂，单根钢丝绳能承受的重量至少为3.0t，具有至少2.5的安全系数。钢丝绳每100m重量为18.79kg。

根据现场施工条件，索夹标高最高为26.000m，距离混凝土面（FOP面回填后标高–5.900m）最高距离为31.8m，但实际最高点底部为看台板。综合考虑后，将吊挂钢丝绳分为两种长度，在场馆内沿环桁架内圈3个索夹采用40m钢丝绳，其他索夹部位采用52m钢丝绳。

经统计可得，悬挂长40m的钢丝绳为155处，悬挂52?m长度的钢丝绳为498处，则本工程使用的钢丝绳总长度约为32000m。因此，荷载置换计算时需要考虑该钢丝绳的重量。

3预负载施工方案

在进行屋面施工时，先根据设计计算屋盖结构的预负载配重，然后将屋面预负载以悬挂IBC水箱的方式施加在索网上，再进行屋面板安装。安装屋面板后，材料本身的重量可逐步替换吊挂水箱荷载，直至所有屋面安装完毕，即所有预负载均被置换。

3.1预负载计算与分布

本工程中采用的屋面标准单元板块自重为44~ 45kg/m3，共582块，总重约419t；天沟单元屋面自重为60~65kg/m3，共384块，总重约399t；排烟天窗屋面自重为65~70kg/m3，共114块，总重约128t，合计屋面总重约930t。不同区域屋面板的具体分布如图6所示。

图6不同区域屋面板的分布示意

施工时采用隔一拉一的梅花形布置可变荷载置换方案，共计653个索夹需要吊挂荷载，每个索夹要求的吊挂荷载大小为1.16t，吊挂预负载总计约757.48t。 在索结构下部安装完马道后，可代替部分预负荷载，马道总重120t，因此，索网吊挂荷载总计877.17t，满足设计要求。施工时对以上653个吊点进行单独编号，FOP区域为52m吊点，看台区域为40m吊点。

3.2悬挂方式

本工程采用的索夹形式包含3种类型：吊挂荷载吊挂点设置在索夹底部的吊挂耳板上；当索夹没有设计吊耳时，可直接绕过索夹斜跨在索夹上；在索提升前，可以在地面上操作，提升和张拉完以后，索夹标高为11.305~26.035m，对应底部在FOP底板或看台板上（图7）。

图7索夹荷载吊挂点示意

索网配重吊挂物的施工效果如图8所示。本工程所采用的屋面索夹共计1142个，其中有571个索夹底部设计有吊挂点，可用于吊挂荷载，每个吊挂点的额定荷载最小为1.16t，2圈马道布置了82个吊挂点，总计653个吊挂点，满足设计吊挂荷载的要求。

图8国家速滑馆索网配重吊挂物施工

3.3质量控制措施

为了保证施工质量和精度，现场施工需要采取相 应控制措施，具体如下。

（1）吊挂荷载的控制关键是保证吊挂荷载的精确度。为准确控制，并减少施工操作过程中的误差和提高施工方便性，需对重量进行严格控制，施工中将重量误差控制在±0.5kg以内，称重采用100kg级电子台秤。

（2）定期专人巡视检查吊挂钢丝绳以及荷载，查看是否有钢丝绳卡子松动、水箱损坏等问题，或有无人为破坏，并及时通知相关负责人调整。

（3）为了便于计算和操作控制，每个吊挂钢丝绳的长度离地或看台板高度尽量保持一致，本工程吊挂点在张拉完成后标高为11.305~26.035m，对应底部的FOP区域底板上表面的标高为–5.900m（最低点），吊挂荷载离地高度尽量控制在30~50cm，其中FOP区域需要预留出40cm抗冻混凝土层。

（4）为了便于荷载能准确控制，每个吊点都有独立且唯一的编号。

3.4安装步骤

根据上述分析和施工要点，本工程屋面索网吊挂荷载采用钢丝绳吊挂标准重量的IBC集装桶。计划通过索网提升前安装好的A6钢丝绳将专用IBC集装桶吊挂离地面50cm，然后对挂好的IBC集装桶分南北两个区域对称同时注水，直至每个吊挂点荷载满足设计要求。

注水完成后将整个吊挂荷载区域封闭，严禁工人进入。在对称安装屋面板后有序卸载对应位置的配重水箱。

屋面预负载的具体施工流程和步骤如图9所示。

图9屋面预负载施工流程

屋面预负载的施工注意事项如下。

（1）在索网索夹安装完成并验收合格但未提升时，在索夹底部耳板位置穿挂钢丝绳（直径为6.0mm钢丝绳），钢丝绳（双绳）的长度要大于张拉完成时吊挂点离地（混凝土结构面）高度的2倍，以便于以后操作人员在地面解除吊挂。

（2）测试。根据吊挂荷载的安装思路，在索网就位后先行购置1套IBC集装桶及外框，运至FOP板进行安装测试，同时对IBC集装桶内的容量进行校核。

（3）马道安装。根据钢结构施工方案将索网结构下部马道安装就位，同时将马道下部的吊挂钢丝绳安装就位。

（4）分区域将IBC集装桶运至FOP板。看台板区域分东西2个区域，按照就近原则分散至每个吊挂点放置，同时在每个吊挂点下设置1.5m×1.5m大小多层板保护预制看台板，FOP区域分南北两个区域堆放，以便安装车辆行走。

（5）安装IBC集装桶兜绳，截取长9mA6钢丝 绳，将兜绳穿入IBC集装桶外框，按照相应规定，使用3个绳卡将兜绳锁死。

（6）按照每个吊挂点编号，分别在东西南北4个方向对称吊挂IBC集装桶。使用25?t汽车式起重机和屈臂车配合将IBC集装桶吊挂，距地500mm。

（7）将所有IBC集装桶吊挂就位后，对IBC集装桶进行位置调整，保证距地高度，并使用钢丝绳辅助定位，保证IBC集装桶静止，不旋转，不晃动，并设置防风措施。

（8）注水。使用直径100mm水管，分别从东西南北4个方向对称注水，并派专人监督，保证索网逐一加载。同时，保证注满水后IBC集装桶距地不小于50cm，同时对已编号的IBC集装桶进行标记和记录。

（9）吊挂完成后，在每个IBC集装桶上张贴安全标识。

（10）吊挂施工完成后，对整个吊挂区域进行封闭管理，设置定型围挡或警戒线，并配置相应警戒 标识。

（11）日常检修维护，按照吊挂数量，多购买不少于吊挂数量5%的IBC集装桶，以便安装损坏后及时替换。设置1名管理人员和2名工人负责日常检查和维护，检查项目包括：是否渗漏、水量是否减少、封闭是否完好。

4荷载置换

在预负载施加完成后，即可对屋面板进行安装并有序拆卸预负载IBC水箱，完成屋面荷载的置换。在进行屋面板安装时，先将索网区域进行划分，共划分为10个区域，沿中心轴对称区域的编号相同，最大编号为5（图10）。

图10屋面索网分区示意

（a）示意一；（b）示意二

安装单元式屋面板时，相同编号区域同时施工，施工顺序按区域编号由小到大依次开展。

需要注意的是，安装完1个编号区域的屋面板的同时，要将对应区域的预负载IBC水箱拆除，水箱的卸载顺序同安装顺序（1–2–3–4–5）。在拆除IBC水箱前，先将水箱内的水进行有组织地排出，卸除水箱附加荷载后再卸下水箱，并拆除钢丝绳。

完成以上施工即完成屋面荷载的置换。不同区域屋面实际荷载与预负载的对比见表2。可以看出，编号为1的区域的实际负载与预负载差别最大，误差约为36.5%，由于该区域在结构的边缘位置且不同区域的荷载有相互作用，最终整体屋盖结构的实际荷载与预负载的误差仅为4.8%，满足设计要求，因此本工程的施工方案可行。

表2实际荷载与预负载值对比t

据统计，采用本发明的水箱方案时，每个吊点采用1m3容量的水桶，造价约500元，用水为5元/t （回收的雨水或施工降水收集的地下水可进一步降低水单价），本工程共使用653个吊挂水箱，则措施费合计约为33万元。相比采用沙袋或钢锭作为吊挂物的方案，本工程方案能大幅降低施工措施费，经济效益明显。

5结论

本项目提出采用IBC水箱作为配重容器施加预负荷载的施工技术，实现柔性索网屋面荷载置换，以解决索网和屋面的变形协调问题。该技术在国家速滑馆屋面施工中成功应用。结果表明，IBC水箱的施工（悬挂、注水和拆除）简便、易操作，且由于其附加配重是水，能有效保护施工环境和节约资源。此外，采用水箱对索网预加载的方案能大幅降低配重吊挂物的施工措施费用，性价比高，经济效益明显。