转载自建筑结构-《国家体育场钢结构施工过程仿真分析》，作者：范忠、刘先明、胡天兵、范学伟、赵丽华
0 前言
国家体育场屋盖钢结构为大型、大跨度空间结构[1-2]，构件自重产生的内力占有很大比例，屋盖钢结构施工顺序对构件在重力荷载作用下的内力有显著影响。根据本工程总工期要求，大部分看台混凝土结构先施工，后施工屋盖钢结构。协调好屋盖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和屋盖钢结构安装顺利具有重要意义。在整个国家体育场钢结构设计过程中，经过与北京城建集团、中信国华国际工程承包有限公司等相关单位的密切配合，最终形成了施工图设计文件中采用的钢结构安装技术方案。
国家体育场设计中大跨度钢结构施工过程模拟分析的主要目的是在综合考虑施工总工期要求、现场安装条件、结构优化等因素的基础上，提出大跨度钢结构的施工顺序建议，并从结构设计的角度提出钢结构现场安装的技术要求。
国家体育场主钢结构支撑塔卸载于2006年9月13日至9月17日进行。卸载完成后，主钢结构与78座临时支撑塔完全分离，实测屋面变形值与理论计算值十分接近。卸载过程的成功是“鸟巢”钢结构建设的重要里程碑，对整个2008年北京奥运会建设工程的进展具有重大的象征意义。
1 钢结构安装平面图
1.1钢结构安装方案确定的原则
大跨度钢结构常见的安装方案有整体提升、分段滑移、分段吊装高空拼装（简称散装法）和局部提升。若采用整体提升方案，混凝土看台部分无法提前施工，对总工期影响较大。由于国家体育场建筑顶面呈马鞍形，分段滑移的使用受到限制。本次设计在初步设计修改前没有遵循“扩大内环桁架整体提升+外围主桁架分段吊装”的安装方案，主要原因是屋盖结构没有真正的内环桁架。初步设计修改后，各贯通桁架形成的内环长轴长185.3m，短轴长127.5m，平面尺度大，且高差较大，整体刚度较弱。 此外，内环桁架在地面整体拼装对混凝土看台施工影响较大，因此设计中建议国家体育场屋盖钢结构安装采用高空散装方式。
国家体育场屋盖钢结构的施工顺序对结构构件在重力荷载作用下的内力会有明显的影响[3-4]。根据总工期的要求，大部分看台混凝土结构将先施工，屋盖钢结构将后施工。在钢结构施工图设计中，施工顺序设计主要遵循以下原则：
（1）符合现场实际情况，满足整体施工进度要求。
（2）控制起重装置的重量，减少对超大型起重设备的需求。
（3）通过控制施工顺序实现结构优化目标。
（4）考虑到施工涉及多家单位，应尽可能减少相互影响。
1.2 临时支撑塔布置
临时支撑塔应尽量均匀、对称布置，临时支撑塔数量不宜过少，避免对起重设备的起重能力要求过高，起重机的最大起重量应控制在800t以下。同时，临时支撑塔数量不宜过多，否则将对下部立柱混凝土结构施工造成较大影响。
临时支撑塔均位于主桁下弦节点处，主桁建模时采用双K节点设置临时支撑塔，双向主桁共有4根腹板，相交于主桁下弦节点处。
屋盖结构共设置临时支撑塔78座，分为外圈（Z1～Z25）、中圈（Z26～Z50）、内圈（Z51～Z80），见图1。
1.3钢结构安装顺序比较
国家体育场钢结构安装工程根据主、次结构安装顺序的不同，提出了多种施工方案，下面就三种主要施工方案的技术特点作简单介绍。
（1）方案一——主次结构整体安装：主结构、立面次结构、肩部及顶部次结构同时安装，主次结构全部安装完毕后，整体卸载荷载。其主要特点为：
1）符合传统施工规范，肩部及顶面子结构安装难度较小；
2）主次结构区分不明显，在罕遇地震作用下，塑性铰很难以理想的顺序出现；
3）结构用钢量较大，温度效应和地震作用相应增大；
4）临时支撑塔荷载较大，支撑塔结构用钢量较大；
5）临时支撑拆除不及时，对下部混凝土结构最终完工、室内装修工程、设备安装进度有较大影响。
（2）方案二：路肩及顶面二次结构后安装方案
先安装主体结构和立面下部结构，待主体结构卸载后再安装肩部和顶部下部结构。其主要特点是：
1）肩部及顶部次结构构件内力明显减小，构件壁厚减小，减少结构总用钢量，降低温度和地震影响；主次结构差异明显，可形成良好的抗震体系；
2）临时支撑塔荷载较小，支撑塔结构用钢量较少；
3）临时支撑拆除较早，对下部混凝土结构最终完工、室内装修工程、设备安装进度影响较小；
4)主体结构卸载后，结构形态发生一定变化，肩部及顶面二次结构的安装变得更加困难。
（3）方案三——肩部与顶部子结构临时搭接为减少后期吊装工作量，所有立面子结构（含肩部）及顶部子结构均在主体结构卸载前安装完成，但肩部、顶部子结构与主体结构临时搭接，节点仅传递子结构自重，子结构内部节点为刚性连接。其主要特点为：
1）提前完成后期吊装工作，减少塔吊占用场地对各项交叉施工的影响；
2）次结构构件数量较多，计算模型中边界条件模拟的复杂性较大；
3）主体结构卸载过程中，次结构与主体结构连接处受力情况复杂，可能出现自由滑移、脱开、或受到严重约束等多种情况；
4）卸载过程不确定性较大，风险较大。在国家体育场钢结构安装过程中，对以上三种安装顺序经过反复比较论证，最终采用方案二。
1.4钢结构安装主要步骤
国家体育场钢结构设计采用的主要施工步骤如下。
第一步：安装桁架柱座、立面二次结构柱座、楼梯柱座；设置78个临时支撑塔。
第二步：分段安装桁架柱、立面二次结构（倒角区域以下部分）、楼梯柱下部、立面楼梯。
步骤3：开始主桁段吊装工作。
步骤4：主桁段吊装工作完成。
步骤5：进行主桁架隔墙间整体收尾工作。
第六步：卸载主体钢结构，拆除临时支撑塔。
第七步：安装顶部下部结构、角部立面下部结构、楼梯柱上部。
第八步：安装马道及各种设备吊架、顶棚ETFE膜结构及下弦PTFE吸声吊顶、灯光、音响、大屏幕等设备。
国家体育场钢结构施工图设计中采用的主要安装步骤如图2a至2h所示。
2 施工模拟计算方法
计算分析表明，安装顺序对大跨度结构构件的内力和变形有明显影响，因此有必要对国家体育场大跨度钢结构施工过程进行详细的施工模拟分析。
在大跨度结构设计中，有限元法计算程序中激活“死”单元（不参与整体结构分析的构件）的技术用于对钢结构整个施工过程进行分析，模拟结构在施工过程中刚度和荷载的变化。在建立整体结构分析模型时，将结构的所有节点和单元都纳入其中。整个施工过程分为几个主要阶段。在进行第n阶段结构受力分析时，将后续阶段安装的单元指定为“死”单元。这些“死”单元没有刚度和自重。在进行第n+1阶段施工的受力分析时，激活该阶段安装的“死”单元，以恢复应有的刚度和自重效应。“激活”的单元基于结构变形后的几何配置。 第n阶段“激活”构件在重力荷载作用下产生的内力和位移与前几阶段重力荷载作用下产生的内力和位移相叠加，后几阶段安装的单元仍为“死”单元。通过重复上述过程，可以模拟整个施工过程中结构构件内力和变形的发展。
为了正确反映结构施工过程中及施工后受力状态，在整体结构分析模型中将上述8个主要安装步骤分为4个控制施工阶段。
第一阶段（相当于第四步）：24根桁架柱、立面二次结构、主桁架、立面楼梯吊装，主桁架上弦杆在临时支撑塔上方施工段处断开，形成分段简支十字桁架。
第2阶段（相当于步骤5）：主体结构成型，临时支撑塔卸载。
第 3 阶段（相当于步骤 7）：安装顶面下部结构、角部区域立面下部结构和楼梯柱的上部。
第四阶段（相当于步骤8）：膜结构、马道、音响系统
设备、灯具、排水管、各类管线已全部安装完毕。
3 主要计算结果及分析
3.1临时支撑塔反力及卸荷变形分析
为了协调国家体育场钢结构临时支撑塔的设计与卸载，根据总承包商提供的卸载时钢结构安装完成情况，计算了临时支撑塔的反力及钢结构卸载变形值，为控制国家体育场钢结构卸载变形提供了参考[5]。
卸载时，桁架柱、肩部以下二次结构、大楼梯、主桁架、检修走道、部分天沟、PTFE膜结构连接件等安装均已完成。施工荷载沿顶部主桁架考虑为0.10 kN/m。由于卸载时的温度与收尾温度的差异对临时支撑塔反力和钢结构竖向变形有一定影响，因此卸载时的温度也应尽量与收尾温度保持一致[6]。
临时支撑塔反力及钢结构卸荷变形估算值如表1、图3所示。
计算结构可知，内环临时支撑塔间距较小，支撑反力较小；外环临时支撑塔间距较大，支撑反力较大，最大反力为2093kN。钢结构卸载后，主桁架挠度内侧较大，外侧较小，内环中部附近最大竖向变形为286mm。
由于多种复杂因素的影响，大跨度钢结构的实际刚度很难与计算假设完全一致，钢结构在卸载过程中实测的变形一般与计算值存在差异。大跨度结构卸载过程是对结构计算假设及构件节点设计、施工加工制造、现场安装质量、焊接质量的综合考验。卸载后实测屋盖内圈中部平均最大挠度为271mm，与理论值286mm十分接近，说明设计时采用的计算模型十分准确，各项假设与实际情况十分接近。
3.2 各施工阶段构件内力变化
为了正确反映结构施工过程中及施工后的情况，在整体结构分析中考虑了四个控制因素。
施工阶段计算模型及应力状态。仅考虑结构自重效应时，各施工阶段主桁T10A、p10轴桁柱、p10~p11轴立面次结构、顶面次结构P-5B5A典型单元应力及最大跨中挠度变化情况见表2。从表2可以看出，随着施工阶段的进展，构件最大应力和最大跨中挠度不断增大。对于主体结构而言，支撑塔卸载引起构件应力和挠度变化最大。
3.3 主结构与次结构安装顺序的影响
安装顺序对大跨度结构用钢量有一定影响。在安装过程中，若与主结构同时安装屋面次结构，次结构构件内力将明显增加，导致次结构构件截面壁厚增加，结构用钢量增加；主次结构差异不明显，地震效应增大，难以按规定顺序形成塑性铰，形成良好的抗震体系。另外，临时支撑塔位置、数量的合理布置，对安装过程中主结构构件的受力状态有很大影响。
3.3.1 二次结构内力分布规律
考虑主结构与顶面二次结构同时安装和临时支撑塔卸载后二次结构安装，顶面二次结构内力变化规律如图4和表3所示。从计算结果可以看出，安装顺序对顶面二次结构内力影响较大，采用主结构与二次结构同时安装的顺序时，与临时支撑塔卸载后二次结构安装相比，构件轴力增大2~3倍。虽然2种安装顺序对顶面二次结构面内弯矩影响不大国家体育场鸟巢钢结构工程施工技术，但采用主结构与二次结构同时安装的顺序时，与临时支撑塔卸载后二次结构安装相比，构件面外弯矩增大2~5倍。
3.3.2钢材消耗量对比
考虑主结构与顶部次结构同时安装及临时支撑塔卸荷后再安装次结构国家体育场鸟巢钢结构工程施工技术，结构用钢量变化见表4。由表4可见，安装顺序一般对桁架柱、主桁架、立面次结构的用钢量影响不大，但临时支撑塔卸荷后安装顶部次结构时，桁架柱内柱、主桁架下弦杆的用钢量明显减少。安装顺序对顶部次结构和转角区域次结构的用钢量影响较大，临时支撑塔卸荷后安装次结构时，顶部次结构（含转角区域）用钢量减少662t，这主要是由于次结构未安装
主桁架在临时支撑塔卸载过程中承担整体结构重力荷载作用，顶部二次结构内力明显减小。
3.4 板内子结构安装顺序的影响
板内子结构安装顺序对子结构内力和变形有一定影响。顶面子结构安装可采用单件散装安装和分件吊装两种方式。当采用单件散装安装方案时，应按照先吊装主子结构，再安装二次子结构的顺序进行安装。
屋面下部结构安装可采用单片散装安装和分片吊装两种方式，两种安装方式的主要特点如下。
单件散装：高空拼接节点较多，对起重设备要求较低。
逐件吊装：高空拼接节点较少，对吊装设备要求较高。
在施工模拟分析中，为简化计算，假定二次结构分片安装。考虑到二次结构板面积较大，分片吊装难度较大，实际存在单片批量安装的可能性，因此针对安装顺序对二次结构构件内力分布的不利影响专门进行了计算分析。典型顶面二次结构板P-5B5A的单元号如图5所示。
模拟施工过程时，假定次结构与周边主结构铰接，次结构间为刚接。仅考虑构件本身自重，考虑构件平面内、外计算长度的变化及受压构件有效面积的影响。单件散装安装顺序为第一步安装1-1、1-2单元，第二步安装2-1、2-2单元，第三步同时安装3-1、3-2、3-3单元。单件散装安装与分件整体吊装时构件应力比如图6、表5所示。从表5可以看出，两种安装方式对构件应力均有明显影响。对于单件散装施工，第一步安装时主要构件应力明显高于分件整体吊装。 其中，1-1构件的应力是分件整体吊装的1.86倍，而后期安装的二次结构构件的应力有所减小，因此在确定顶面二次结构构件吊装方案时应考虑以上因素的影响。
4 主次结构分阶段安装误差分析
4.1 安装错误的原因
造成安装误差的原因可分为结构受力变形、加工安装精度、温度变化等几种情况。主体结构在卸载后会产生一定的变形，安装过程中肩部及顶面二次结构对相邻二次结构的安装会产生一定的影响。由于现场条件限制，主桁架无法预拼装，容易出现偏差。二次结构通过牛腿与主体结构连接，而主体结构弦杆往往有多个牛腿，要将所有牛腿准确对位非常困难。由于国家体育场钢结构采用了大量由钢板焊接而成的箱形构件[7]，因此在屋盖肩部采用空间扭箱结构。
[8-9]，此类大尺寸焊接薄壁箱形构件错边控制难度大，本项目钢结构加工制作及安装施工周期超过一年，且季节气温变化范围较大，对构件长度造成一定影响。
为了研究卸载后主体结构构形变化对肩部及顶面二次结构安装的影响,采用有限元计算结合CATIA分析软件,对主体钢结构卸载前后顶面及肩部二次结构的变形进行了详细分析。
4.2 后置子结构几何构型变化分析
分别选取顶部子结构典型板P-8A8B、P-11A11B和肩部子结构典型板P-7A8B、P-9A10B，子结构杆件布置如图7、图8所示。在主体结构卸载后，肩部及顶部子结构均安装完毕，各构件长度变化情况分别如表6、表7所示。从表中可以看出，对于顶部子结构板，构件长度变化一般可控制在10mm以内。对于肩部子结构板，构件长度变化一般较小，仅3号杆件（长度31.323m）长度变化了23.1mm。可以看出，卸载后主体结构配置的变化对二次结构构件长度影响不大。
由于结构刚度大，构件弹性变形较小，主桁板内的变形主要为刚体位移。考虑到国家体育场钢结构的复杂性，有大量的扭箱形构件，设计文件未要求钢结构预拱，构件可按原比例模型加工，降低加工、制造和安装难度。由于本工程采用高空散装法，对构件偏差的适应性很强，二次结构构件长度的变化可通过调整构件两端焊缝间隙来处理，安装误差也可采用后装等方法调整。
5 钢结构安装技术要求
5.1钢结构安装基本要求
（1）将桁架柱、主桁架、次结构按吊装单元在地面分段拼装。
（2）结构构件及各类设备吊挂的安装过程应遵循对称、平衡的原则。
（3）充分考虑温度、焊接变形、安装精度等引起的累积误差，采取相应的施工措施。
（4）严格控制结构整体闭合温度。
（5）建立完整的施工测量与控制系统，对安装过程中构件的几何定位、变形和应力进行监控。
(6)安装顶面二次结构、角部立面二次结构及上部楼梯柱时，应采取有效措施，适应卸荷引起的主体结构变形。
（7）屋面ETFE膜结构及下弦PTFE吸声吊顶的安装也应遵循对称、平衡、同步的原则，钢索应分阶段张拉，并严格控制面板间的不平衡力。
5.2临时支撑塔设计原则及钢结构卸荷要点
（1）临时支撑塔应设置独立的桩基础，由于临时支撑塔较高，应考虑其在竖向荷载作用下的压缩变形。
（2）支撑塔结构应留有足够的安全裕度，并按有关规范进行抗风、抗震设计，其稳定性应通过现场试验进行检验，确保其刚度和稳定性。
（3）整个施工期间，应保证各构件及隔墙结构的稳定性。
(4)在条件允许的情况下，可采用混凝土结构作为临时侧向稳定支撑结构并结合其他有效措施，保证施工过程的安全。
（5）整体结构同步、分阶段卸载，临时支撑塔
反作用力/垂直变形严格按比例控制。
（6）实时监测卸载过程中结构位移、应力的变化，随时进行计算分析，调整各千斤顶的卸载比例。
5.3钢结构加工制作对安装的影响
由于该项目的特殊复杂性，为了确保项目的质量，大多数节点和组件都应在钢结构处理厂进行处理和制造，同时，大型组件的生产也应考虑在施工中的较高范围，并应保留足够的季节。应考虑钢组件的大小。
5.4临时固定和调整措施
在安装过程中，应采取临时定位措施，以确保高空切割和焊接的质量，避免零件的长度不对劲，可以根据情况适当地扩展该组件的长度。 00毫米的组件后焊接以微调添加临时定位耳机的方法。
6摘要
（1）鉴于国家体育场的大型跨度结构的特征，本文建议将高空散装方法用于钢结构结构构建和安装，并提出了用于临时支撑塔的布局计划。
（2）钢结构安装过程的模拟计算表明，安装序列对结构的内部力量和钢铁消耗有重大影响，在卸载临时支撑塔后，安装了顶部表面子结构的方法，可以改善整体结构的合理性并减少屋顶表面钢的内部力量和钢铁。
（3）顶部二级结构内组件的安装顺序对组件的内部力有重大影响，并在确定提升计划时应考虑该因素的影响。
（4）临时支撑塔的反作用力和钢结构的卸载变形的计算可用作设计临时支撑塔的设计和卸载变形的控制。
（5）分析了由肩部和顶面子结构的安装后引起的结构几何配置的变化，并提出了控制安装误差的措施。
（6）国家体育场大型钢结构的施工过程的仿真分析方法可以用作设计其他大型跨度结构的参考。
参考
[1]风扇，Wu Xuemin，Yu Yinquan等人的初步设计。
[2] Fan Zhong，Liu Xianming，Fan Xuewei等。
[3] Fan Zhong，Liu Xianming，Fan Xuewei。
[4] Qian Jiaru，Ji Xiaodong，Fan Zhong等。
[5]中国建筑设计与研究所的分析报告。
[6]王的王，唐·杰（Tang Jie）。
[7]风扇Xuewei，Liu Xianming。
[8] Fan Zhong，Peng Yi，Wang等人。
[9] Fan Zhong，Peng Yi，Wang等人。
