国家速滑馆双曲马鞍形金属屋面施工技术*

王自伟，李久林，苏李渊，李剑星，陈利敏，袁 浩，骆建坡，陈 杰

(1.北京城建集团有限责任公司，北京 100088； 2.北京江河幕墙系统工程有限公司，北京 101300)

1 工程概况

国家速滑馆位于北京奥林匹克公园规划范围内，项目用地为北京2008年奥运会临时场馆(曲棍球场、射箭场)原址。规划用地范围约20hm2，建筑面积约8万m2，是北京 2022 年冬奥会的标志性场馆之一，也是冬奥会北京赛区唯一新建比赛场馆。冬奥会后，该场馆将成为举办滑冰、冰球等大型国际赛事及满足广大市民冰上活动的多功能场馆。封顶后的国家速滑馆如图1所示。

图1 封顶后的国家速滑馆

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. 800～33. 800m，支承于周圈钢结构环桁架上，环桁架外侧设置幕墙拉索，是世界上类似结构中跨度和规模最大的索网结构，给屋面施工增加了极大难度。其具有技术含量高、外形复杂、工程施工难度大、质量要求高、工期紧等工程特点，要确保工程质量、施工高效安全，施工方案设计与选择是关健。故在施工时采用国内首创的大跨度马鞍形索结构单元式屋面板安装施工工法，该工法具有简单、易操作、用人少、施工速度快等特点，为索网结构等柔性屋面，尤其是大跨度柔性屋面结构施工提供了一种新颖、灵活的施工方法。

2 工艺原理

由于国家速滑馆屋面造型新颖、结构复杂、施工难度大，该工法首先提出将速滑馆屋面大跨度马鞍形索网结构柔性屋面系统分为单元板块屋面、人字形天窗及直立锁边屋面。施工时划分为3个区域(见图2)，每个区域再划分为多个小区域，分批次交叉作业，可达到施工区域安排的合理化、程序化、系统化，优化了屋面安装顺序，缩短了工期。

图2 屋面系统划分平面

鉴于该屋面是国内首创的大跨度柔性索网屋面，单元板块系统构造复杂，安装在柔性索网屋面上方，不具备现场分层安装条件，故采用预制单元板块成品、现场安装的施工方案。安装时，创新性地采用单元板块从索网单元格对角线起吊、放平后安装的施工方式，大大减少了人力、物力的消耗，极大地提高了效率。屋面天窗施工时，在现场制作多榀人字形钢架龙骨，起吊后安装，提高了施工速度。直立锁边屋面分层施工，再根据现场尺寸进行不锈钢天沟的定尺制作和收边收口，保证了工程质量，完美呈现了速滑馆新颖、美观的造型。

3 屋面安装顺序优化

不同于传统屋面施工方式，为确保工期，提高施工效率，降低施工费用，同时便于组织管理，结合具体工程现状，按照施工方向、施工场地限制、施工要求、施工顺序等情况，科学性地将每个施工区域划分为不同施工批次，如图3所示。

图3 屋面批次划分平面

考虑到项目工期要求及不同系统之间的交接，按系统将屋面分为不同施工流水段，合理安排施工顺序，优化屋面安装顺序。例如，考虑屋面拉索结构变形，可安排屋面整体安装顺序为：单元板块屋面→人字形天窗→直立锁边屋面。各施工段内施工顺序也按照从中间向两边，先单元板块屋面、然后人字形天窗、最后直立锁边屋面的顺序施工。

受建筑具体结构形式分布的影响，考虑到起重机械工作半径所能覆盖的范围，不规则单元板块安装顺序为：3→4→5→6→7→8→9→10→1→2。人字形天窗施工顺序为：1→2→3→4。直立锁边屋面施工顺序为：1→2→3→4。

4 施工技术

4.1 单元板块屋面施工

首先将屋面分成装配式单元，预制不规则单元板块进行现场安装。不规则单元板块借助BIM模型，导入数据，实现精准化加工。安装时根据模型变形分析，板块间预留90mm宽缝隙，并由保温岩棉填充，形成柔性连接，适应主体变形。此方法经济高效地解决了索网结构上面材固定及柔性索网变形等技术难题。

此外，根据速滑馆特殊的索网结构屋面特点，创新性提出采用汽车式起重机将不规则单元板块吊装至指定位置，大大提升了施工速度，节约了施工成本。对于预安装位置下方满足25t起重机安放的区域，首先通过精确计算，将起重机摆放至正确位置。将起重机支臂从附近索网分格伸出，起重机的2个吊钩同时下落，将板块垂直沿网格对角线空间吊出(见图4)。对于板块下方不满足25t起重机安放的区域，则需使用大吨位起重机(如300t起重机)，将其摆放在场馆外。将起重机的2个吊钩从指定索网分格中同时下落，将板块垂直沿网格对角线空间吊出，如图5所示。

图4 板块下方满足25t起重机摆放的区域安装示意

单元板块沿索网对角线吊出时，需精准控制板块起吊位置及起重机大臂落点位置，起重机每个站位均需根据板块尺寸、对角线关系进行精确计算，如图6所示。

图6 最厚单元板块与索网边界校核示意

4.2 人字形天窗施工

由于速滑馆具有独特的马鞍形屋面构造，天窗施工需预先在BIM模型中提取每根龙骨的三维坐标，测量人员分组在现场利用全站仪进行精准放线，将龙骨定位至预定位置。同时在BIM模型中提取钢龙骨尺寸，按照每一跨度不同尺寸分格，在地面提前预制好多榀人字形钢架，再进行龙骨吊装焊接等施工步骤，最大化提升施工效率。天窗施工流程如图7所示。

图7 天窗施工流程

4.3 直立锁边屋面施工

直立锁边屋面施工时，预先在BIM模型中提取每根檩条尺寸及三维坐标，测量人员分组在现场利用全站仪进行精准放线，将檩条定位至预定位置。放线工作量大时可分组进行，以提高施工效率。然后吊装檩条，如果1组檩条长度刚好递增或递减，经过精确计算满足起吊条件后，可一次性吊装以进一步提高施工效率，节约经济成本。收边处的包边板均根据水槽与天沟的交接尺寸定尺下料、定尺加工、定尺安装，水槽内侧保温、安装均连续焊接以保证施工质量。

5 结语

国家速滑馆双曲马鞍形金属屋面是我国首个大跨度柔性屋面体系，造型奇特，施工难度极高。本工程采用独创的大跨度马鞍形索结构单元式屋面板安装施工工法，科学、安全、高效地完成了施工任务，工期缩短至普通方法的1/3，极大地提高了经济效益。主要施工特点如下。

1)优化了屋面板安装顺序，提高了作业效率。

2)适用于单元板块系统构造复杂的情况。单元板块安装在柔性索网屋面上方，不具备现场分层安装条件，故采用预制单元板块、成品现场安装的施工方案。

3)单元板块安装时，直接利用小吨位起重机从索网单元格对角线起吊，灵活有效地降低了安装难度，结合地面跟踪测量，有效保证了安装精度。

4)为等效单元板块安装前后索网变形问题，采用屋面索网吊挂作为等效荷载，边装边拆，有效解决了变形不协调的问题。

5)收口、收边及搭接处多为不规则曲线交接形式，须严格根据现场尺寸下料。