国家体育场钢结构施工关键技术
李久林 高树栋 邱德隆 李文标 万里程 魏义进 陈桥生
提 要：本文主要从方案选择、施工部署、主次结构吊装、钢结构合拢和支撑卸载以及厚板焊接等方面对国家体育场钢结构工程安装过程中的关键施工技术进行了介绍，期望对类似工程施工提供参考。
关键词：钢结构、吊装、合拢、卸载、厚板焊接、关键施工技术
1工程概况
国家体育场钢结构工程由24榀门式刚架围绕着体育场内部混凝土碗状看台区旋转而成，其中22榀拉通或基本拉通。大跨度钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，交叉布置的主结构与屋面、立面的次结构一起编织成“鸟巢”的造型。所有钢结构构件形成结构及建筑外形。
钢结构屋面呈双曲面马鞍型，最高点高度为68.5m，最低点高度为40.1m；平面上呈椭圆形，长轴为332.3m、短轴为297.3；屋盖中部的开口内环呈椭圆型，长轴为185.3m，短轴为127.5m；大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为38.0m。
屋顶主结构均为箱型截面，上弦杆截面基本为1000mm×1000mm，下弦杆截面基本为800mm×800mm，腹杆截面基本为600mm×600mm，腹杆与上下弦杆相贯，屋顶桁架矢高12.0m。竖向由24根组合钢结构柱支撑，每根组合钢结构柱由两根1200mm×1200mm箱型外柱和一根菱形内柱组成，每个桁架柱下设有一个T型钢柱脚，荷载通过它传递至基础。立面次结构截面基本为1200mm×1000mm，顶面次结构截面基本为1000mm×1000mm。
设计总用钢量约42000吨。钢板的最大厚度110mm。当钢板厚度≤34mm时，采用Q345钢材；当钢板厚度≥36mm时，采用Q345GJ钢材；当钢板厚度为100mm时，采用Q345GJ和Q460钢材；当板厚为110mm时，采用Q460钢材。具体板厚分布情况如图1-2所示。另外，桁架柱内柱由菱形截面向矩形截面转换处采用GS-20Mn5V级铸钢件（C19桁架柱除外），铸钢件最厚达140mm。
而且，设计对钢材的抗撕裂性能和冲击韧性作了明确要求。具体情况如表1-1、表1-2所示。
另外，设计规定钢结构的合拢温度为14±4℃，支撑塔架卸载按照“分阶段整体分级同步”原则进行。
2工程特点及难点
2.1大量采用空间弯扭构件、节点复杂，加工制作及安装难度大
为了体现“鸟巢”独特的建筑造型，本工程大量采用空间弯扭构件，无固定的线型。同时，本工程中无论是主结构之间，还是主次结构之间，都存在多根杆件空间汇交现象；加之次结构复杂多变、规律性少，造成主结构的节点构造相当复杂，节点类型多样，制作、安装精度要求高。如图2-1。
2.2构件体型大、单体重量重，构件翻身、吊装难度大
作为屋盖结构的主要承重构件的桁架柱最大外形尺寸达25m×20m×68.5m，分两段吊装，吊装单元最重达360多吨，吊装高度最高达68.5m。而主桁架高度12m，双榀贯通最大跨度约260m，吊装单元最重262吨，构件最长约43m。由于构件体型较大，重量重，各类构件重心位置互不相同，翻身时吊点的设置和吊耳的选择难度较大，特别是桁架柱的翻身，吊耳在翻身和吊装时的受力有所变化，需考虑三向受力。翻身过程中的稳定性控制难度大。起吊时，必须调整好分段构件的角度和方位，而对于体型大、重量重的构件，角度调节相当困难，吊装难度大。如图2-2。
2.3焊接量大、焊接难度大
本工程为全焊接钢结构，焊缝总长度约30万m，焊缝折算总长度约280万m。钢板厚度从3mm到110mm，焊接位置涉及平焊、横焊、立焊和仰焊，且焊接工作跨整个冬季。既有高强钢（Q460E-Z35）的焊接，又有铸钢件（GS-20Mn5V）的焊接。薄板焊接变形大，厚板焊接熔敷量大，温度控制和劳动强度要求高。而高空焊接、冬雨季焊接的防风雨和防低温措施更使得焊接难度增大。
2.4安装精度控制难、施工质量要求高
由于施工过程中结构本身因自重和温度变化均会产生变形，结构形体复杂，均为箱型断面构件，位置和方向性均极强，安装精度受现场环境、温度变化等多方面的影响，安装精度极难控制。施工时必须采取必要的措施，提前考虑好如何对安装误差进行调整和消除，如何进行测量和监控，使变形在受控状态下完成，以保证整体造型和施工质量。另外，本工程无论是外观质量，还是内在质量（如焊缝质量等级等），都要求相当高。其中，钢板拼接、弯扭段构件组装焊缝及现场拼装、安装焊缝均为全熔透一级焊缝；钢结构立面在距视线10m内可见焊缝的余高要求为0~1mm，所有焊缝表面均需进行磨光处理。
2.5合拢口多、合拢温度要求严，实施难度大
根据设计要求，本工程中的主桁架和立面结构各设置了四条合拢线。其中，主桁架合拢口100个（含上、下弦和腹杆），立面结构的合拢口28个，合拢口数量众多。虽立面结构和主桁架可采取分次合拢方案，但一次合拢的对接口数量仍高达50个，为确保合拢线上的对接口同时合拢，需组织大量的人力和物力。而且，整个钢屋盖安装及制作误差最终均集中在这四条合拢线，选择何种合拢方式来消纳这种误差难度特别大。同时，对于如此复杂的结构和复杂的温度场分布情况，要保证分次合拢时的温度条件基本一致，难度巨大。
2.6卸载点多、吨位重、设计要求高，同步控制难度大
本工程卸载点多、卸载吨位大，屋盖总面积约60000平方米、卸载吨位约14000吨，78个卸载点，设计要求“结构整体分级同步卸载、严格进行比例控制”，单点卸载吨位大、最大点支撑力约300吨，卸载实施难度大。
2.7顶面及肩部次结构安装难度大
顶面及肩部次结构在主结构卸载之后进行安装，卸载之后主结构发生变形，而现有的加工制作依据是卸载前位形，所以卸载前后的变形量将会严重影响次结构的安装精度。同时，施工过程中结构本身因自重和温度变化均会产生变形，加之，结构形体复杂，箱型断面构件的位置和方向性强，安装精度很难控制。
3施工方案选择
国家体育场钢结构为特大型大跨度空间结构，构件自重产生的内力所占比例较大。钢结构施工顺序对结构构件在重力荷载作用下的内力将产生明显影响。为了满足国家体育场工程总工期的要求，按照施工组织总设计的部署，看台混凝土结构先行施工，钢结构随后进行施工。因此协调钢结构安装与混凝土结构施工的关系，对保证混凝土看台连续施工、钢结构的顺利安装、室内装修工程及机电设备工程及时插入以及外围基座尽早施工具有重大的意义。
大跨度钢结构常用的安装方案有整体提升、滑移、分段吊装高空组拼方法(简称散装法)和局部整体提升等方式。针对国家体育场钢结构工程及其与其它分部工程之间的时间和空间关系，在钢结构安装方案的选择过程中对比考虑了上述四种方式。由于采用整体提升方案时看台混凝土部分不能先期施工，因而室内装修工程、机电设备工程无法提前插入，导致在总体工期上受到限制；采用滑移方案时，受到施工场地的限制以及面临的巨大技术挑战等因素，因此主要进行了散装法和局部整体提升法的比选。
根据调整后初步设计的具体技术条件，鉴于以下主要原因：
¬ 屋盖钢结构调整设计后已经没有真正意义上的“内环桁架”；
¬ 由各榀贯通的主桁架形成的“内环桁架”平面尺度很大，而且截面板厚比调整设计前有了较大幅度的减小，同时存在较大的高差，整体刚度较差；
¬ 由于钢屋盖内边界在东西侧已经扩大到一层看台的边线、南北侧到跑道的外侧，采取在地面进行“内环桁架”的整体拼装、提升的方案将对混凝土看台施工产生较大影响。
主结构设计修改前后变化，详见图3-1。
鉴于上述原因，最终确定钢结构总体安装方案采用高空散装方案。
4施工部署
主结构的安装顺序遵循对称同步、尽早形成安装区域局部稳定的原则。总体上分为三个阶段八个区域，第一阶段安装1、2区域；第二阶段安装3、4区域，第三阶段安装5、6、7、8区域。
次结构的安装顺序对整体钢结构的安装具有重要的影响，为了加强在每个安装阶段及支撑塔架卸载过程中的整体侧向稳定性，确定在支撑塔架卸载前随每个阶段钢组合柱的安装进行立面次结构的安装。
根据设计要求，顶面及肩部次结构在主结构卸载完成后进行安装。
5主结构吊装
根据本工程的结构特点和结构体系的形成过程，主体钢结构安装划分为三个阶段八个区域，分阶段分区域对称进行安装。由于主体钢结构由钢柱和主桁架两大部分组成，施工时，先安装钢柱，然后安装主桁架，保证结构体系的逐步形成。
5.1吊机选择
根据总体分段安装思路、支撑胎架的布置情况、分段重量、作业半径及起吊高度，钢柱与外圈主桁架分段由2台800t履带吊场外进行吊装、内圈与中圈主桁架分段由2台600t履带吊场内进行吊装。
5.2安装流程
根据现场场地条件、吊机的搭配及施工任务的分工情况，整个钢结构系统的施工分成两大施工区域，两大施工区域“分区进行、对称安装”。如图5-1所示。
5.3吊装工况
主结构吊装分场内吊装和场外吊装两部分。场内和场外吊装工况如图5-2所示。
6次结构吊装
次结构吊装分立面次结构和顶面及肩部次结构两部分。
立面次结构安装，随桁架柱安装分柱间逐步进行。安装时，按照“柱脚先装、联系钢柱的次结构整体吊装，其它次结构分段安装”的原则进行分段，按“从下向上，与钢柱先建立联系，由柱边向中间安装的”原则顺势向上进行安装，钢柱本身的次结构，在钢柱拼装时，与钢柱一起拼装然后分段吊装。典型立面次结构吊装分段及安装顺序如图6-1。
顶面及肩部次结构的安装在支撑塔架卸载以后进行，安装时总体上遵循分区同步对称安装原则，即I、II两区域同步对称进行安装。根据顶面及肩部次结构的分布情况及结构受力情况，顶面及肩部次结构的安装共分为二个阶段：第一阶段安装肩部次结构和内圈顶面次结构，第二阶段安装中圈顶面次结构。肩部和中圈的安装均从南北方向向东西两侧推进，内圈顶面次结构的安装从安装分界线与肩部顺序相向推进。具体的安装顺序如图6-2。
7钢结构合拢
7.1合拢断面选择
本工程结构复杂，跨度较大，屋顶主桁架相互交错，合拢线的选择比较困难。在确定合拢线时，不但要考虑结构本身的受力和变形情况，同时还应考虑钢结构的整体安装顺序和主桁架的安装分段情况，尽量减少合拢点的数量，并确保施工过程的安全。同时顶面主结构是由24榀拉通或基本拉通的门式桁架编织而成，合拢断面的选择应尽量将24榀门式刚架断开。经过反复择优比选并通过设计复核，主桁架、立面结构及顶面次结构的合拢线确定如下:
¬ 主桁架沿屋盖环向设置四条合拢线，主桁架的合拢线充分利用钢结构的两条分区施工线，另增设两条合拢线；
¬ 为保证整个结构的合拢，立面结构与顶面次结构沿屋盖环向在与主体钢结构合拢断面相应的位置设置四条合拢线；
¬ 安装时，合拢线处所有钢结构杆件均断开，采用卡马临时搭接，并保证合拢口的伸缩自由。
根据以上情况，主桁架共有96个合拢口，立面次结构共有28个合拢口，主桁架下弦连系梁共有4个合拢口，总计128个合拢口。合拢口位置具体见图7-1和图7-2。
7.2合拢顺序
根据现场实际情况，结合设计提出“先行合拢构件需纳入后续合拢线合拢温度要求范围”的原则，本工程的合拢顺序为：
先进行主桁架的合拢，再进行立面结构的合拢；主桁架合拢时，先进行两大施工区域内部合拢线的合拢，再进行两大施工分区间合拢线的合拢；立面次结构一次同步合拢；同一合拢线的各合拢口同时、同步合拢。
7.3合拢温度
关于合拢温度，设计要求本工程的合拢温度为14±4℃。然而，根据钢结构工程总体进度安排，合拢时间安排在8月中下旬。经查阅工程所在地近三十年气象资料，无法满足该合拢温度。为此，经有关部门协调和经过气象、规划等部门的大量研讨论证，根据北京市朝阳气象站1959年至2005年共47年气象资料，并结合全球气温变化趋势，设计对合拢温度作如下调整：
¬ 主结构合拢温度：19±4℃，相当于15℃~23℃；
¬ 次结构合拢温度：19℃-8℃~19℃+4℃，相当于11℃~23℃。
实际合拢施工时，为了对合拢时钢结构的温度进行监测以确保设计合拢温度要求，在整个钢结构布设了60个温度测点，对钢结构本体温度进行全程实时监测；同时，邀请北京市专业气象台在现场设立临时天气预测站点，提前对天气气温条件作出预测，以指导合拢时机的选择。
合拢施工时温度监测结果表明，在选定的操作时间段内所有合拢施工均满足设计合拢温度要求，具体温度监测结果图7-3、7-4、7-5所示。
7.4合拢口安装工艺
由于本工程合拢口数量众多，且合拢段的安装随着工程的总体安装进程在不同时间里进行，合拢段的安装质量不仅影响结构安装过程中的安全，而且影响最终的合拢和结构的总体施工质量及结构使用过程中的安全，因此，必须采取合理的安装工艺措施，确保合拢段与相关构件的安装及结构的顺利合拢。具体工艺措施如下：
（1）为控制合拢时合拢口的间隙大小，减少合拢口的焊接量和焊接残余应力，确保合拢口的焊接质量，在进行合拢段的安装时，要尽量控制合拢段安装时合拢口的间隙大小，该间隙大小要考虑温度变形计算结果和焊接收缩变形。
（2）为确保合拢段施工过程中的安全，合拢段安装就位后，除设计要求的合拢口不进行焊接连接外，其它接口部位均需及时焊接完毕，以增强结构的整体稳定性。
（3）为确保合拢口在施工过程中因温度变化而自由伸缩，合拢口采用卡马搭接连接，卡马的大小和数量需根据该接口部位的受力计算确定。
卡马设置要求如下：
合拢口上翼缘设置三块卡马，其它边各设置两块卡马，为增加卡马侧向稳定性，上翼缘两边卡马增设规格为100×100×10mm的三角形劲板。除下翼缘的卡马焊接固定在已装主桁架牛腿上外，其它卡马均焊接固定在合拢段端口上，如图7-6所示。
（4）为确保安全，合拢段安装就位后，非合拢口要及时进行焊接，待焊接完成2/3以上后吊机方可松钩，同时，合拢口卡马需按要求设置好。松钩时，速度要缓慢平稳，并注意观测合拢口的变化情况，如无异常，可继续松钩。当合拢段跨中安装连接侧向构件时，也应进行合拢口的观测。
（5）在整个安装过程中，要定时进行合拢口的跟踪检查工作，一是检查卡马的连接焊缝和变形情况，确保卡马的安全；二是检查合拢口的间隙情况。
7.5合拢施工
参照桥梁等其他大跨度结构的合拢施工经验，以及本工程结构对接焊缝焊接历时较长的特点，合拢实施采取了卡马合拢的方法。也即是结构的合拢先通过卡马同步焊接完成形成整体，在卡马合拢焊接的过程中严格控制钢结构本体温度满足设计要求；合拢卡马焊接完成后，随即进行合拢口结构对接焊缝的连续焊接，直至对接焊缝焊接完成；对接焊缝焊接完成后对焊缝进行100%的自检探伤和第三方探伤。
8支撑塔架卸载
8.1卸载点布置
主桁架安装采用地面分段拼装、高空对接的施工方法，为此在施工区域内分内、中、外三圈布置78个支撑塔架，每个支撑塔架顶部设置两台千斤顶和两个垫块支撑点，作为主桁架分段高空安装的主要受力支点。同时，这78个受力支点在卸载时作为卸载点，实现支撑塔架受力向结构受力的转移。支撑点布置如图8-1所示，每个卸载点布置如图8-2所示。
8.2卸载方案
参照相关工程实践经验，通过大量的计算分析比对，考虑了不同的卸载方式和卸载量控制，在“分阶段整体分级同步”的卸载原则下，按照位移等比同步控制为主、卸载反力控制为辅，卸载方案最终确定为由外向内的卸载总顺序，并且在外、中、内三圈支撑塔架各圈卸载过程中保持同步，三圈支撑每次卸载的位移同各点的最终总位移保持等比关系，逐步实现支撑塔架受力向结构受力的转移。
整个卸载过程共分七大步、三十五小步。卸载时，第一、二、三大步卸载步骤为：先外圈卸载10%、中圈5%、内圈5%，再中圈5%，内圈5%；前三大步完成后外、中、内三圈各卸载总位移量的30%。第四、五、六、七大步卸载步骤为：每大步先外圈卸载剩余位移量的1/4、中圈1/8、内圈1/8，再中圈1/8，内圈1/8；后四大步完成后外、中、内三圈各卸载总位移量70%。最终支撑脱离顺序为外、中、内。
由于卸载支撑点的卸载位移不仅有垂直方向，同时存在水平方向的位移，卸载时采用千斤顶和垫块支撑交替作用来减小千斤顶承受的水平力。
8.3卸载液压控制系统
为了保证卸载方案的有效实施，经分析比较最终选用ENERPAC计算机控制同步顶升和下降控制系统进行本工程的卸载工作。该系统是基于闭环控制系统理论，通过发出和采集这些顶升力和位移信号，通过比较运算这些同类信号并将其时刻输出至显示器上来实现监测系统当前运行状态，并及时提示用户做出修正。卸载液压系统包括中央控制器、区域控制器、控制阀、油泵、千斤顶等组成，位移同步精度可达到3mm。
卸载时，首先由中央控制器向区域控制器发出升（降或停）的指令，泵站操作员依照指令将换向阀转到对应位置后，由中央控制器启动泵站；在系统工作过程中不断采集压力信号和位移信号，当系统发现压力值超过预先设定的压力值，说明在卸载过程中该点载荷过高，系统自动关闭所有的泵等待检查。液压控制系统如图8-3所示。
9测量测控
9.1测量控制网
由于国家体育场钢结构工程造型奇特、传统的施工测量控制网无法满足国家体育场钢结构工程施工测量的需要，为此采用卫星定位系统、激光雷达、全站仪及数字水准仪等快速建立高精度三维工程控制网，建立了一个高精度的施工导线控制网，保证现场拼装、高空安装施工定位精度，控制网的精度达到0.3mm。
共布设4个GPS点和12个高精度导线点，其中12个导线点采用强制对中的形式。为避免施工对控制点点位的影响，保持控制点成果的可靠性，每三个月对控制网进行一次复测，并在每次测量工作开始前都要对相邻控制点进行检查。在计算中用测量专用平差软件对观测数据进行严密平差，平差后的控制点点位误差在2mm~3mm。
9.2施工测量
鉴于地面拼装时多点定位多点检查、高空安装时多接口对接等特点，国家体育场钢结构工程施工测量时一改测角、量距的传统方法，而是充分发挥全站仪高效、精确、方便的优势，从导线控制网的观测到基础定位、放线，从钢结构构件的地面组装到高空三维定位安装，全部采用全站仪。测量过程中，先后使用了12台全站仪和1套（3台）GPS定位仪。其中用于导线控制网观测的Leica TCA2003全站仪是目前最先进、精度最高的测量仪器，该仪器测角中误差0.5秒，测距中误差 1 +1ppm，其他的全站仪也大部份是高精度的Leica型号的仪器。这些仪器在国家体育场的钢结构施工测量中发挥了不可替代的作用，可以说“没有全站仪就没有鸟巢”。
施工测量时，在测量控制网的基础上，建立加密网满足施工测量的需要。所有的地面拼装和高空安装，均采用三维坐标来确定和复核拼装、安装精度。同时在安装的过程中，地面拼装的测量控制测取已经安装就位的构件的形态进行及时的调整，确保安装和拼装的协调统一。
9.3激光雷达扫描技术
按照设计要求肩部和顶面次结构在钢结构卸载完成后进行安装，而肩部和顶面次结构施工图是以卸载前位形为基准。因此，按照卸载前位形施工图加工的肩部和顶面次结构接口会存在较大的偏差；另外，膜结构设计也是基于卸载前的三维模型进行设计的，设计位形和实际安装位形存在偏差。
为及时掌握安装过程的实际情况和卸载前后钢结构位形的变化情况，国家体育场工程应用了激光雷达扫描技术对安装过过程以及卸载前后钢结构进行精确检测和完整记录，为构件的安装以及顶面及肩部次结构拼装和膜结构施工提供参考。
10厚板焊接
本工程由于结构跨度大、受力复杂等因素，设计时24个桁架柱大量采用了高强、特厚板。其中，局部采用了100/110mm厚Q460E-Z35厚板（正火状态），此强度级别的厚板应用于建筑钢结构工程国内外均无先例。因此，采取合理的焊接技术和工艺参数以防止热影响区脆化、焊接变形及母材撕裂是关系到工程成败的关键。
10.1焊接技术
（1）在保证焊透的前提下采用小角度、窄间隙焊接坡口，采用小热输入量、小焊道、多道多层焊接方法，以减少收缩量，从而有效控制焊接收缩变形；
（2）焊接时严格控制焊接工艺参数，从而有效控制热影响区的脆化，避免焊接裂纹的产生；
（3）严格控制母材质量，确保母材Z向性能满足设计要求；
（4）选用低氢高韧性焊接材料，焊接时严格控制焊枪的摆动幅度，保证焊缝和热影响区的冷弯及冲击性能。
10.2质量控制
在进行焊接质量控制时，坚持TQC的基本思想，进行全员、全面、全过程质量控制，从“人、机、料、法、环”五方面切实保证焊接工艺的成功实施，确保焊接工作的有序进行。
有针对性的组建焊接质量保证体系，从组织上确保焊接质量。形成专家顾问、焊接工程师、焊接技师及相关专业人员相结合的技术管理组织，以焊工培训、焊材、焊机的优化选择为基础，以控制焊接裂纹为主导的焊接技术路线，从方案编制、无损检测、预热后热等质量控制环节上形成了一套科学、严密的质量保证体系。
重点控制以下几点：
（1）将焊机、焊材厂家作为质量保证体系中的重要闭合控制环节，选择满足工程需要的优质焊机及焊接材料，确保工程的焊接质量；
（2）严把焊工水平关，制定严格的培训、考试和准入制度；
（3）采用远红外电加热技术，对δ≥36mm的焊缝和重要焊接节点全部采用电加热，保证焊缝的预热（后热）温度的均匀和准确性，严格控制焊接应力、防止焊接裂纹的产生；
（4）根据《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）相关规定，结合本工程特点，编写焊接工艺评定方案、进行焊接工艺评定。
（5）自检无损检测单位的确定主要考虑人员素质、设备条件、技术支持等因素，无损检测单位参与焊接的全过程管理，对坡口处理、焊接方法、焊接参数等进行见证，为最终检测结果提供正确判断。
11结束语
国家体育场钢结构工程自2005年10月28日正式开始吊装，历时约9个月于2006年7月16日完成主结构及立面次结构的吊装与焊接工作，完成钢结构总重量约4万吨。2006年8月31日完成钢结构合拢工作。2006年9月17日完成钢结构卸载工作。
自检及第三方监测数据表明，国家体育场钢结构工程的施工质量完全满足设计文件及《国家体育场钢结构施工质量验收标准》的有关要求。
图11-1为目前钢结构安装全景。
致 谢
本文在编写过程中，刘树屯、周文瑛、关忆卢和刘子祥等国内知名钢结构专家给予了大力的支持和帮助，在此表示诚挚的感谢。
参考文献
（1）杨俊峰、邱德隆、高树栋等，国家体育场钢结构施工组织设计，2004.12
（2）中华人民共和国国家标准，钢结构工程施工质量验收规范（GB20205-2001）
（3）李久林、高树栋、邱德隆等，国家体育场钢结构施工质量验收标准，2005.7
（4）中华人民共和国行业标准，建筑钢结构焊接技术规程（JGJ81-2002）
（5）刘树屯、李久林、高树栋、邱德隆，“鸟巢”钢结构关键施工技术介绍，第六届全国现代工程学术研讨会，2006.7
