国家速滑馆装配单元式屋面施工技术

国家速滑馆是2022年北京冬奥会的标志性建筑，也是唯一新建的竞赛类场馆，具有独特的曲面玻璃幕墙和马鞍–椭圆形屋顶（图1），象征着冰和速度，被誉为“冰丝带”。

图1?国家速滑馆总体效果

国家速滑馆屋盖采用单层双向正交马鞍形索网结构，南北向最大跨度198m，东西向最大跨度124m，标高为15.400~33.800m，支承于周圈钢结构环桁架上，环桁架外侧设置幕墙拉索，给屋面施工增加了极大的难度。

索网结构是一种张力结构，是典型的柔性结构和可变体系，其平衡形式会随荷载形式变化，在承受荷载过程中产生的位移变形较大，且结构变形会引起其内力重新分布，表现出很强的几何非线性。据计算，国家速滑馆索网最大向上和向下竖向位移分别为470mm和474mm，承重索则会相应地产生52mm的伸长变形和206mm的压缩变形，稳定索会相应产生35mm的压缩变形和152mm的伸长变形。为了确保结构安全，要求在索变形下檩条、压型支承板、屋面面板等屋面基层构造不能对索网构件内力产生附加影响，即附属构件不参与主体索网结构受力，只将附属构件承受的外部荷载传递给主体索网结构。同时，屋面基层也不因主体索网结构受力而产生自身功能性破坏，对屋面选材和施工是极大的挑战。

针对以上问题，在设计速滑馆屋面时，提出采用单元式屋面，其抗结构变形能力和抗震能力好，可分模块组装施工，施工方便，屋面整体效果如图2所示。本文介绍了该新型装配单元式屋面体系的施工方法，并验证了其高效性。

图2?整体单元式屋面示意

1?索网复测

1.1?实测模型

在安装屋面前，对索网预加了877.17t屋面吊挂荷载，屋面支座锚固后，需对整个屋面的索网形态进行返尺三维扫描，从而精准获得每块屋面板的尺寸。

本项目采用全站仪对屋面进行测量，共分为屋面的索网形态和环桁架场馆两部分。由于屋盖面积较大，现场配重较多，需要反复移动测量设备，为保证测量效率和精准性，提出对索夹的4个边部进行测量（图3），然后可根据索夹的尺寸，建立其空间模型，获得中心点坐标。

图3?现场测量示意

（a）示意一；（b）示意二

经过返尺复测后，根据所测数据建立屋面的空间模型，对实测模型与原设计模型进行对比发现，速滑馆整体张拉完毕锚固支座后，东西向分别缩短14cm和13cm，南北向分别拉长18cm和14cm，但误差较小，在设计允许范围内。

1.2?模型调整

根据实测模型数据，可对设计模型误差进行调整。在对屋面模型进行调整时考虑以下原则：支座长度标准化、板块在厚度标高上不能斜切、板块缝隙尽量控制在90±20mm范围内。模型调整后，参数化生成单元板块龙骨及面板的BIM模型（图4），加工时可由BIM模型直接提取数据，实现从设计到加工的数据传递和统一，保障了单元式屋面板块的加工精度。

图4?屋面调整后的模型

2?基于BIM模型的屋面板加工技术

屋盖的BIM精确模型生成后，可根据不同构件分类直接给对应厂家下单，由厂家根据三维异形构件进行拆分加工。本工程单元式屋面面积约16600m ² ，共1080多块单元板块，不规则四边形单元式屋面体量较大，单元板块尺寸种类多。在设计和加工中均对屋面板进行分类，其中标准单元板块610块，天沟单元板块356块，排烟窗单元板块114块。

从不同屋面板的加工可以看出，不同类型的屋面板都是按划分的最小单元（4m×4m）加工出来，有利于运输、吊装和安装。在现场进行安装时，从索网单元格对角线对单块屋面板起吊，放平后安装，能大幅减少人力、物力的消耗，极大地提高了施工效率（图5）。

（a）

（b）

（c）

图5?屋面板加工示意

（a）标准单元板；（b）天沟单元板；（c）排烟窗单元板

3?单元式屋面施工

3.1?安装工具和计划

屋面板的安装需要借助吊装机具：场外南北方向各布置1台300t汽车式起重机，场外东西向各布置1台80t汽车式起重机，场内2台升降车配合；在场馆内FOP使用25t汽车式起重机吊装，2台升降车配合安装。屋面板安装吊运路线如图6所示。

图6?屋面板吊运路线

3.2?安装步骤

屋面板的施工流程主要包含起吊、调整、钢托座安装、伸缩缝铝板安装、伸缩缝岩棉安装和防水施工（图7）。在进行伸缩缝铝板安装的同时，安装避雷铜导线。由于单元板块采用装配式的理念，安装过程比较简洁，只需要一次吊装到位后通过螺栓安装钢托座，后续为板缝处理和防水施工。

图7?单元板屋面安装流程

在对单元板进行起吊前，先根据BIM模型提取每块单元板的位置坐标点，近7000个点位。借助4台全站仪，每组3个人进行测量放线。因不同板块尺寸不一，需在每个板块上标记方向、定位板块朝向，然后将待安装板块运输至吊装下方。起吊时将25t起重机支臂从附近索网分格伸出（图8），起重机的2个吊钩同时下落将板块垂直从网格对角线吊出，吊钩下方设有2根缆风绳调整板块方向，待板块吊出索网上方后调整缆风绳将板块放平。同时，由屋面1名调整工反复调整、找位、再调整屋面板，最终将板块与连接件找位准确，并利用高空作业车安装板块钢托座，2台高空车上4个工人负责。

（a）

（b）

图8?屋面板吊装示意

（a）低跨区板块吊装；（b）场馆内板块吊装

由于单元板块从索网对角吊出，需要精准控制板块起吊位置及起重机大臂的落点位置，起重机支车 时，每个位置都要根据起吊尺寸、对角线关系计算，并选择合适的支车位置及出杆角度，根据计算，每安装6块需要挪动起重机位置，每次挪车覆盖的安装范围如图9所示。

（a）

（b）

图9?屋面板吊装示意

（a）场内吊装平面；（b）场内吊装BIM示意

3.3?安装效率

相比常规金属屋面安装，本项目提出的单元板式屋面安装具有如下特点：安装流程简单明了，可一步到位；施工效率明显提高。据统计，安装1块单元式屋面板，仅需要1辆塔式起重机配1名司机、1名信号工，安装2辆曲臂车配2名司机、2名安装工、1名信号工和2名调整工（地面和屋面），共3台机械和7个工人。

1套班组在天气和熟练度达到后单日可完成14块左右（224m ² ）单元板屋面安装。1个班组需要约80d（7人）完成安装，2个班组（14人）需要约40d完成安装。而安装常规金属屋面，每100m ² 材料吊装1d（配1台起重机和1名信号工），每种材料安装配5名安装工人（按3种计算），安装时长约3d。即每100m ² 约17人为1个班组，耗时4d，按照4个班组计算，共需要约130d。因此，采用装配单元式屋面与传统金属屋面相比，安装工期和投入的人力。

4?基于三维激光扫描的施工评价

为了确保单元式屋面板的安装精度及其对索网变形的影响，在安装完所有屋面板后采用三维激光扫描技术对索网和屋面板尺寸进行复测，与施加预负载状态的索网BIM模型进行对比。

本项目采用大空间三维激光扫描仪进行复测，其测距最大值为70m，精度在±1mm以内，如图10所示。根据测试得到的数据导出索网和屋面的模型并进行封装后，给出实测模型和设计模型对比如图11所示。结果表明，实际施工模型整体精度较好，形态与设计模型基本吻合。

        （a）                             （b）

图10?大空间三维激光扫描仪屋面示意

（a）场外扫描点；（b）场内扫描点

图11?实测模型和设计模型对比

索网的某一节点三维扫描数据误差对比如图12所示，其中红色为铝板柱脚顶部，青色部分为铝板柱脚底部，即索夹处。可以看出，该局部节点处误差在0.01m以内，即10mm以内。统计不同节点处的实测和设计数据可得到整个索网的误差数据。结果表明，大部分节点误差在5mm以内（66.31%），小部分节点误差在10mm以内（27.93%），仅5.76%误差达到20mm。所以本项目提出的装配单元式屋面对索网的变形影响较小，能满足索网与屋面变形协调的要求。

图12?索网某一结点三维扫描数据误差

5?结束语

本工程采用装配单元式屋面，分模块支座、运输和安装，很好地解决了国家速滑馆大跨度柔性索网体系构造复杂的问题。结果表明，采用装配单元式屋面安装简便，施工效率高，大幅缩短了安装工期，减少了人力投入，具有科学、安全、高效的特点。

此外，根据索网和屋面复测数据表明，安装完屋面后索网的变形误差大都控制在5mm以内，对索网的变形影响较小，很好地解决了索网体系中变形不协调问题。