北京某大型体育场改扩建工程施工新技术应用概述.doc

北京某大型体育场改扩建工程施工新技术应用概述*体育中心体育场工程的整体改造包括拆除部分原有看台结构、加固保留结构、增设耗能支撑体系、在原结构上部扩建钢结构等。其施工创新技术有：无损性拆除技术，不损伤保留结构；耗能支撑在新老结构上共同使用，提高建筑整体抗震性能；利用吊车高空精确就位安装下部无支撑的屋面大跨度钢梁；大面积看台采用聚脲弹性体防水材料，将防水层与装饰面层合二为一等。本工程各项目标圆满完成，并提前竣工，环保效益好。*体育中心体育场位于北京市*体育中心的园区西侧，建筑面积为34975m2，建筑高度43m，可容纳观众36000人。它在第二十九届北京奥运会期间承担现代五项马术和跑步两个比赛项目，将见证现代五项男女两块金牌的产生。奥运会赛后将成为一个环境更为良好、设施更为齐全的国家运动员训练基地及全民健身场所。体育场由国家体育总局奥运会场馆和国家队训练设施建设管理办公室建设，设计单位为北京*建筑设计研究院，总承包单位为中建*工程股份有限公司。1工程概况本工程抗震设防烈度为8度，设计使用年限为50年建筑耐火等级为二级，屋面与看台防水等级为级，结构安全等级为一级。采用钢筋混凝土框架结构及钢结构，基础形式为独立基础和筏形基础(坡道)。本工程通过拆除部分原有看台结构、对保留结构进行加固、增设耗能支撑体系、在原结构上部扩建钢结构等方式，完成了对原体育场的整体改造，实现了增加观众人数及使用面积的目的共实施无损性拆除面积达到7300m2，加固面积达到16000m2，扩建面积达到19000m2。在满足建筑体量及结构安全的同时，又增加了各个机电安装系统同时采用了如遮阳百叶、聚碳酸酯板材、光伏玻璃等一批节能环保的新型材料，增加了建筑物的使用性和舒适感。2施工概况21施工特点和难点211时间紧、工期压力大本工程属于奥运比赛场馆开工较晚的一个工程，于2006年3月30日开工，并且要承担2007年9月的“2008好运北京”测试赛，整个合同工期仅为511d，而且要完成拆除、加固、新建等多个分部的施工，时间相当紧张，工期压力极大。212改扩建工程施工条件受限本工程为改扩建工程，拆除、保留、加固、新建等多种类型并存给施工带来了很大的难度。场内的塑胶跑道及外环的高架平台均为保留结构，使得位于两者之间的改扩建工作在垂直运输、材料转运、施工方法选择等诸多方面难度较大。213环保及绿色施工要求高本工程占地面积大，虽然建筑面积仅为34975m2，但整个现场的占地面积达到近9万m2，必须严格按照奥运工程绿色施工指南实施管理，在施工过程中建立完善的环境管理体系，将工程施工对整体环境的负面影响减小到最低程度，确保绿色施工。214安全管理要求高本工程涉及到拆除工程、高大脚手架工程、钢结构吊装工程等多个危险性较大的工程，同时场区面积较大，易产生的死角较多，必须加强施工过程中的安全管理，确保不发生伤亡、火灾、机械事故。215确保比赛及转播功能本工程承担现代五项马术及跑步的比赛项目，对场地特别是马术场地有特殊的要求，既要保证奥运会时马术比赛的正常使用，又要兼顾到赛后改造为足球场地的要求。为保证赛时转播的效果，增设了如体育场地照明、LED电子显示屏、场地扩声、网络通讯等很多配套系统，必须确保这些系统正常稳定的使用。22施工技术创新应用(1)通过无损性拆除技术对原结构进行分离，并不损伤保留结构。为最大程度地利用原结构，设计提出了无损性拆除的要求，既要拆除部分构件，又要不损伤保留结构使其可以继续使用。(2)耗能支撑在新老结构上共同使用，提高建筑整体抗震性能。耗能支撑加固技术主要利用阻尼器吸收地震产生的能量，显著增强原结构抗震能力。本工程设置48组耗能支撑分别与原结构及新建结构相连，并综合采用粘钢、增大截面等多种加固方法，满足结构增层的需求，提高了结构抗震能力。(3)钢结构外形复杂，施工难度大。体育场钢结构属于复杂的空间结构，造型新颖独特，因新老两套轴线控制网存在一定偏差，所有构件均需依靠空间坐标点定位，并建立三维模型进行构件深化。屋面后部设有预应力拉索结构，须根据仿真计算确定张拉时间、顺序、次数及张拉力的大小等具体参数。(4)屋面大跨度钢梁在下部无支撑状态下，利用吊车进行高空精确就位安装。屋面大跨度罩棚悬挑钢梁受场地条件及原结构承载力的限制，利用胎架安装无论从结构安全、时间及经济效果上均不合理。利用预应力钢结构自身平衡的原理，在跨度40m的悬挑结构采用端部无支撑在国内并不多见。(5)大面积看台采用聚脲弹性体防水材料，将防水层及装饰面层合二为一。由于体育场看台阴阳角多，各类防水材料极易产生空鼓，且长期暴露于室外，面层保护层也易开裂，如何综合解决防水性能及面层开裂一直是困扰体育场施工的难题。本工程采用的看台防水装饰一体化技术将防水与装饰合二为一，是对解决这一难题进行的一次全新尝试。(6)将足球与马术两种不同的比赛需求相结合的特殊场地。奥体体育场承担着奥运会现代五项马术和跑步的比赛任务，跑步原塑胶跑道能够满足比赛的需求，而如何将足球场地改造为马术场地，同时还要在赛后简便地还原为足球场是一大难题。23施工部署231施工流水段的划分根据工程现场的实际情况以及结构的特点，体育场由东、西、南、北四个看台以及四个旋转坡道组成，故将其分为两个施工区域独立平行施工，A区由东、北看台及东北、东南两个旋转坡道组成，B区由西、南看台及西北、西南两个旋转坡道组成。为保证施工进度要求，在具体的实施中，又将两个施工分区根据施工缝划分为若干施工流水，具体见图2。232施工工艺流程本工程涉及拆除工程、加固工程、混凝土结构工程、钢结构工程、机电安装工程及众多的弱电工程和体育设施的改造和新建，工程量较大，工序较多，专业分包涉及面广。因此必须综合部署，统筹安排，充分考虑各分部分项工程的工序衔接、资源配备及进度安排。根据现场实际情况及工序安排，将整个施工阶段划分为5个主要施工阶段进行控制，每个阶段具体安排如下。(1)前期准备阶段：做好现场总平面布置工作、外界的协调工作、项目资源的调配工作、前期技术准备工作；建立项目管理各项制度及联络机制：编制施工进度计划、材料进场计划、劳动力进场计划和机械设备进场计划及相应的分包进场计划等；针对拆除工作编制详细的拆除作业方案，并按要求组织专家论证。(2)结构拆除阶段：首先进行段的无损性拆除及段的破坏性拆除工作，其次进行I段钢罩棚的拆除工作及段破坏性拆除工作，最后进行I段无损性拆除工作，各段的隔墙及装修拆除工作同步进行。(3)结构加固及新建结构阶段：每段拆除完成后，随即进行结构加固和新建结构的施工。新建田径练习场配套用房由于开工时不具备开挖条件，定于2007年初开始插入施工。机电安装工程预埋预留工作、钢结构的加工制作及预留预埋随结构的施工同步进行。(4)安装及装饰施工阶段：第一次结构验收后适时插入机电各专业的管线安装及砌体、抹灰等初装修工作，结构施工完毕后插入外装修及室内精装修工作：各专业管路、线路敷设完成、设备安装完成后，进入调试验收阶段。(5)竣工验收阶段。3施工中主要创新技术31无损拆除施工技术体育场始建于1989年，原结构体系为混凝土框架结构，分东西看台、东西高架平台和南北高架平台等部分。其中西看台地上三层，东看台地上二层：东西看台一层层高均为50m，二层均为斜池座看台，层高为13651610m。西看台中部池座看台上设置局部三层房屋，层高为34m，房屋上部设置平板网架钢罩棚。东西高架平台均为一层，层高为50m。南平台中部设置六层混凝土框架结构记分牌。311需拆除部分(1)拆除四个体育场入口处原高架平台梁、板、柱及部分柱基础，新建入口高架平台：(2)拆除东西看台C、D轴间一层外挑部分及其间走廊，新建混凝土梁、楼板，进行结构封堵：(3)拆除东西看台二层B、C轴间池座看台梁板：(4)拆除西看台全部三层和屋面钢罩棚；(5)拆除东西看台C轴线5000m标高以上的原混凝土柱(图3至5)。312拆除施工根据设计要求，在拆除过程中，对于要保留的原结构不能有任何的损伤和破坏。在本工程需要拆除部分中，难点和重点的部分是拆除东西看台二层B、C轴间池座看台的梁、板、柱。3121吊车吊拆根据现场情况，看台的高度由1365m变化到1610m，C轴外悬挑部分看台外挑6m，C-D轴之间的通道宽8m，这样可选择用吊车作为卸除的主要工具，利用吊车的吊装能力固定看台结构的构件，在悬吊的情况下，对所有梁、板、柱分块切割，然后分块拆除。分块的大小，要根据吊车的能力进行计算，因此吊车的选用成为了一个重要的前提。我们选用50t的履带吊，它的车身长7m，宽45m，在C轴和D轴之间8m的通道中完全有回转的空间，而且履带吊能够悬吊重物移动，它在工作幅度18m时，吊卸的重量是477t。这些条件决定看台梁、板的分块为215t。吊车吊拆时，在分块与原结构分离的一刹那会有一个向下的冲力，这个冲力会比它自身的重力大1115倍。因此预先计算好每一个分块的重量，在分离时根据吊车性能表的显示加载，这样就不会产生过大的偏差，使每一块在分离瞬间都能平稳地吊卸。在吊装时，对板采用四点吊装，对梁采用两点吊装，对柱采用一点吊装。吊拆的方案节省了大量脚手架的搭设，同时也解决了高空拆除的难题(图6、7)。3122静力切割吊车吊拆方案的确定，为静力拆除方案的确定奠定了基础。静力切割方案的确定首先满足设计的要求，其次是满足保留结构的要求，最后是满足环保的要求。施工中根据不同的部位，采取了不同的金刚石锯切工具进行切割，效果良好。其施工工艺流程如下。(1)第一流水施工：护栏板的切割C轴外悬挑梁的切割收边梁的切割C轴外看台板的切割。(2)第二流水施工：C轴框架梁的切割BC轴看台板的切割BC轴框架梁的切割。切割前，首先要根据吊车的吊装能力以及现场的情况把原结构拆除的梁、板、柱分块，再根据不同的结构构件分别采用金刚石圆盘锯、金刚石手持锯和薄壁钻以及金刚石绳锯等金刚石锯切工具静力切割是劳动强度最低的机械化操作工种，在一定的作业层面上，不但施工效率高，而且可大大减少操作人员，有利于综合经济效益的提高。它不但解决了环保问题，而且无震动、无灰尘、无污染、无噪声；在成本上节约了大量的支撑材料，在质量上未对原结构产生扰动，在施工进度上大大提高了效率(图89)。通过综合利用各类金刚石工具进行分块切割、整体吊装的施工方法，本工程梁、板、柱等构件的拆除完全达到无损性的目标，且施工效率高，全部拆除工作历时2个月，施工过程中噪声小无扬尘产生。构件拆除完毕后，经国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心检测，结果表明，采用无损性拆除对原有结构没有造成明显损伤和变形，满足了结构改造加固的要求。32耗能支撑安装技术本工程东西看台底层为框架一钢支撑结构，上部为钢框架结构，抗震设防类别属于乙类建筑，抗震设防烈度为8度，建筑物场地类别为类，抗震等级为一级。由于本工程为改造加固工程，原结构基础及首层的框架梁柱部分保留，部分采用增大截面法加固后使用，但依靠结构自身不能满足抵抗地震荷载的需要，因此采取了消能减震的设计理念。耗能支撑加固技术主要解决东西看台的抗震不足问题，也是本工程加固改造中的难题和重点，通过设置耗能支撑体系来达到消除地震荷载的目的。共设置48组耗能支撑体系，其中沿径向布置32组，沿环向布置l6组，每组耗能支撑体系由耗能支撑构件及与之相连接的钢立柱、混凝土柱梁或钢梁柱组成。耗能支撑在布置上分为环向耗能支撑和径向耗能支撑，径向耗能支撑两侧立柱与原结构柱连接，顶部与新建劲性混凝土梁连接；环向耗能支撑与周边连接的均为原结构，两边是原结构框架柱，上下是原结构的框架梁(图1O、11)。耗能支撑与原结构框架柱相连采用M16化学锚栓连接，与原结构框架梁连接采用包钢加固法，同时采用了M14通栓。耗能支撑的所有构件均进行了检测对关键构件阻尼器进行了七项主要检查，其中外观、基本性能试验、最大行程检验、静力液压试验四项进行了全面普查，阻尼器性能规律性试验、时变性试验、过载试验按照3的比例抽查3个；各项性能指标均符合设计要求。并对现场安装进行了验收，构件安装正确，外观美观，符合设计要求。耗能支撑加固技术在本工程中的应用，取得了良好的综合效果。它不仅有效地解决了原有结构抗震的问题；增强了建筑的整体刚度，为上部扩建结构提供了良好的基础，减少了上部结构的用钢量；同时耗能支撑为一个开敞式的构件，便于建筑的空间利用。33钢结构施工技术本工程通过在原结构基础上扩建，达到了增加功能用房以及看台数量的目的，改扩建部分主要集中在东西看台两侧，在保留原一层以下结构及部分池座看台并进行加固的基础上，增加了3层钢结构层、2层钢结构看台及屋面悬挑罩棚。每侧看台由20榀钢框架、屋面悬挑梁及屋面尾部的预应力拉索结构组成，钢结构总量约5300t。钢材材质主要有Q235B、Q345B及Q345GJC等。整个建筑最高点42262m，钢结构有三个区域与原混凝土结构进行连接，分别是两跨钢柱柱脚以及看台斜梁下端(图12、13).3.3.1钢结构整体施工流程因吊车行走线路宽度受限，且最外侧钢柱向外倾斜无法实现吊车的来回移位，故采取从一端推进的安装方式，每一跨的所有构件全部安装完毕后再向下一跨推进吊装。首先按照施工分区和先后顺序对东西两侧的高架平台进行加固，验收合格后，将lOOt履带吊吊装到5m高的高架平台上进行组装，做好吊装准备。构件按照施工顺序进场验收、拼装。钢结构的钢柱以及看台大梁要与原有的混凝土进行连接，先在原有混凝土连接部位植筋、埋设预埋件，然后安装钢柱、钢梁、池座看台梁、楼座看台梁、拉索、屋面悬挑梁。332铜结构安装东西两侧看台同时开始安装，从南侧向北侧推进，先安装C轴钢柱的第一节及看台钢梁再安装D轴钢柱第一节及与C轴钢柱的连系钢粱，形成稳定的空间结构在此过程中拉设缆风绳对钢柱进行临时固定。继续安装C、D轴钢柱的第二节及连系钢梁，再安装看台钢梁，然后安装拉索，最后安装悬挑钢梁及次梁333悬挑屋面梁高空就位安装根据结构的自身特点，采用了钢梁和支撑管整体在地面进行拼装、整体吊装就位的方式，节省了大量的胎架费用，避免了大量的交叉作业施工，不仅降低了成本，而且节约了工期。334拉索施工拉索位于每榀悬臂的尾部，共40根，拉索规格为5301。拉索与前段的悬臂结构共同组成稳定的受力体系。在地面上将拉索、节点板和撑杆拼装在一起，利用卷扬机吊装就位，采用销轴固定在钢梁及钢柱的连接耳板上，先安装位于梁尾部的固定端，再将撑杆一端固定，调整节点板的标高位置，最后安装位于柱根部的张拉端。为保证钢结构的安装精度以及结构在施工期间的安全。并使钢索张拉的状态与设计要求相符，必须对钢结构的安装精度、张拉过程中钢索的拉力及钢结构的应力与变形进行监测。34大跨度悬挑钢梁端部无支撑安装技术本工程屋面结构采用了预应力拉索、悬挑钢梁及支撑杆共同受力的结构体系，每边屋面20榀，通过连系梁形成双曲面的整体，结构外形十分轻盈，其中最关键的工序便是悬挑钢梁的就位安装。受到场地及施工时间的限制，本工程摒弃了传统的搭设胎架高空就位的安装方式，采取了较为大胆的端部无支撑高空就位安装方式，悬挑钢梁下部不设支撑，在起吊状态下，通过吊车调节安装精度，并利用结构自身受力稳定的特点完成安装。(1)安装前要确定屋面大梁的吊点，在吊点处焊接吊装耳板，并准备钢丝绳、卡环及其他小型工具。安装屋面大梁前，本榀的看台大梁、尾部的钢柱和拉索等应安装、焊接完毕，且拉索要初步张拉完毕，保证前段屋面悬挑大梁安装后自身结构的安全性。(2)为便于构件的运输，悬挑大梁分两段进场，然后在现场地面拼装，最后整体吊装。拼装时采用高约600mm的拼装马凳，马凳选用槽钢制作。每段用两个马凳进行支撑，钢梁采用卧式进行拼装。(3)屋面悬挑大梁安装的一般方法是，先安装钢管支撑杆，然后在悬挑的端部搭设支撑架对悬臂进行临时支撑，安装就位调整后拆除支撑架。但在本工程中，若采用临时支撑，则严重影响下部看台的施工，并且费用大大增加。所以采用大梁和支撑一起进行吊装、利用自身受力体系稳定、采用吊车对大梁进行校正的安装工艺。(4)屋面悬挑大梁是本工程钢结构中最长、最重的构件之一，其安装就位高度约43m，悬挑总长度达到42m，其连接形式为一端与斜柱刚接、中间由一个钢管支撑，钢管两端均铰接。由于各种不确定性，给悬挑大梁的测量校正带来一定难度。在钢梁和支撑就位后，要对支撑杆进行调节以确保悬挑大梁的就位精度，本步骤的调节是保证安装精度的关键所在。此种施工方法，不但节约了脚手架支撑的费用，在质量、安全、进度以及影响其他工序上都达到圆满的结果。35大面积看台防水装饰一体化施工技术本工程看台为室外看台，分为新建钢结构看台、新建混凝土结构看台、保留混凝土结构看台三种类型。考虑到看台造型复杂，阴阳角多，人员流动大，同时处于室外，必须综合考虑防水层及面层能够适应本地区的温度变化、日照及日常磨损等情况。三种看台的防水作法存在细微的差异。，但面层统一采用了喷涂聚脲弹性体防水涂料的作法，直接起到防水与装饰的效果。三类看台的具体作法如下。(1)新建钢结构看台(自下而上)：20mm厚聚合物防水砂浆找平层，涂刷一道防水专用底漆。面层喷涂15mm厚聚脲弹性体防水材料。(2)新建混凝土结构看台(自下而上)：基层处理15mmJS聚合物水泥防水涂料，20mm厚聚合物水泥砂浆保护层，涂刷一道防水专用底漆，12mm厚聚脲弹性体防水涂料。(3)保留混凝土结构看台(自下而上)：原结构裂缝修补，810mm聚合物砂浆修补，15mmJS聚合物水泥防水涂料，20mm厚聚合物水泥砂浆保护层，涂刷一道防水专用底漆，12mm厚聚脲弹性体防水涂料。本工程共实施喷涂聚脲弹性体防水涂料20000余m2，经过一个雨季的考验，无渗漏情况发生，作为室外看台的面层，无开裂现象，外观良好。4结语通过认真践行“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的三大理念，本工程积极推广应用各项新技术、新材料，使得原有结构得到了最大限度的利用，减少了大量因拆除产生的建筑垃圾，节约了大量的建筑材料。例如无损性拆除技术的应用减少了拆除过程中的扬尘污染；在旋转坡道屋面使用了最新技术的非晶硅太阳能光伏发电板，每年能提供28000kWh的“绿色”电能，减少了能源的消耗及环境污染。本工程通过全员的共同努力，圆满完成各项目标，并提前竣工。