上海又建世界級超高難度工程！15m超大超薄懸挑結(jié)構(gòu)如何施工？

備受關(guān)注的上海大歌劇院項目最新進(jìn)展！航拍視頻顯示，這座融合了東方美學(xué)與現(xiàn)代技術(shù)的世界級建筑，施工已接近尾聲，預(yù)計2025年底竣工，開放后將成為上海又一極具魅力的文化新地標(biāo)！

上海大歌劇院由挪威斯諾赫塔建筑事務(wù)所與華東建筑設(shè)計研究院有限公司聯(lián)合設(shè)計，以“中國扇”為設(shè)計理念 ，整體如同兩把徐徐展開、相互交織的折扇。

其屋面呈獨特的螺旋扇面形態(tài)，通過一內(nèi)一外雙螺旋階梯結(jié)構(gòu)，從地面蜿蜒向上延展至52米高空。白色階梯與曲面屋頂營造出輕盈懸浮之感，呼應(yīng)歌劇藝術(shù)的靈動韻律。

這不僅是建筑外觀的亮點，雙螺旋階梯還兼具觀景功能，沿著它拾級而上，能直達(dá)樓頂?shù)某笮蜕刃斡^景平臺，將黃浦江與城市天際線的風(fēng)光盡收眼底。

上海大歌劇院異形結(jié)構(gòu)關(guān)鍵建造技術(shù)

由上海建工四建集團(tuán)有限公司牽頭，上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司參與的《上海大歌劇院異形結(jié)構(gòu)關(guān)鍵建造技術(shù)研究》以上海大歌劇院工程建設(shè)為背景，研發(fā)并形成了新型建筑材料UHPC超高性能混凝土裝配整體式結(jié)構(gòu)施工工藝，成功攻克了國內(nèi)首個UHPC材料主體結(jié)構(gòu)——上海大歌劇院核心區(qū)超大懸挑超薄結(jié)構(gòu)的建造問題；綜合利用參數(shù)化及數(shù)字化建造技術(shù)，形成了雙螺旋自由曲面混凝土厚殼建造關(guān)鍵技術(shù)，解決了背景工程異形曲面懸挑結(jié)構(gòu)的建造難題；提出并形成大面積螺旋階梯狀異形鋼結(jié)構(gòu)屋蓋建造關(guān)鍵技術(shù)，可有效提升大跨度螺旋鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的建造效率。

結(jié)構(gòu)實景圖

上述研究成果的形成與應(yīng)用對上海大歌劇院標(biāo)志性異形屋蓋結(jié)構(gòu)的成功建造起到了關(guān)鍵作用，不僅突破了當(dāng)前結(jié)構(gòu)建造的技術(shù)壁壘，為背景工程提供了核心技術(shù)支撐，更兼顧了施工可行性、施工效率及經(jīng)濟(jì)性，從根本上保障了上海大歌劇院世界級“城市舞臺”的完美打造。

結(jié)構(gòu)實景圖

研發(fā)背景

作為上海“十三五”期間規(guī)劃建設(shè)的重大文化設(shè)施項目，上海大歌劇院將成為全面打響“上海文化”品牌建設(shè)、落實上海“文創(chuàng)50條”打造亞洲演藝之都的重要載體之一。項目主要由三個歌劇廳（大、中歌劇廳和情境歌劇廳）以及劇院配套用房、教育展示用房組成，建設(shè)用地面積5.3萬平方米，總建筑面積14.6 萬平方米，地上建筑面積7.5 萬平方米、地下建筑面積7.1 萬平方米。

上海大歌劇院的建筑外形極具特色，取“中國扇”之意，結(jié)合歌劇藝術(shù)的動態(tài)美感，巨大的白色階梯螺旋上升，延伸到空中，恰似打開的折扇，盡顯中國風(fēng)之美。

“中國扇”示意圖

然而在大氣磅礴又纖細(xì)輕盈的外觀之下，是前所未有的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，雙螺旋屋面結(jié)構(gòu)對項目建造團(tuán)隊提出了極為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：

（1）屋面A區(qū)需實現(xiàn)梁截面高度不超過725mm的前提下，最大純懸挑長度超15m的超薄懸挑梁板結(jié)構(gòu)，該要求大大突破了現(xiàn)有懸挑結(jié)構(gòu)的跨高比極限；

（2）B區(qū)為最大厚度超過1.5m、中心對稱彼此重疊的雙螺旋自由曲面混凝土厚殼結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于在空中建造一個自重極大且難以定位的曲面混凝土大底板，該結(jié)構(gòu)外觀類似大跨度空間曲面殼體結(jié)構(gòu)，施工理論上接近混凝土斜墻，而結(jié)構(gòu)作用相當(dāng)于廣義柱，因而本質(zhì)上不屬于目前已有定義的任意一種典型結(jié)構(gòu)構(gòu)件；

（3）C區(qū)D區(qū)則是集成四面內(nèi)傾、雙向懸挑、最高凈空65m、最大跨度27m等諸多苛刻難點的大面積大跨度螺旋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)。

上海大歌劇院屋面模型

A區(qū)15m懸挑梁板結(jié)構(gòu)

B區(qū)雙螺旋自由曲面混凝土結(jié)構(gòu)

上海大歌劇院屋面結(jié)構(gòu)每個區(qū)域的建設(shè)均是世界級的難題，均存在著一系列當(dāng)前條件下難以攻克的技術(shù)壁壘。為此，本項目針對上海大歌劇院世界首例的雙螺旋非對稱大面積異形UHPC-混凝土-鋼組合屋蓋結(jié)構(gòu)的建造技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了以UHPC預(yù)制為主結(jié)合UHPC現(xiàn)澆補(bǔ)缺的異形結(jié)構(gòu)建造方法；形成了適用于房建領(lǐng)域大規(guī)模生產(chǎn)的UHPC材料制備及預(yù)制/現(xiàn)澆施工技術(shù)；研發(fā)了自由曲面混凝土厚殼數(shù)字化測量技術(shù)、空間曲線鋼筋施工工藝、門式鋼框排架曲面混凝土結(jié)構(gòu)支撐體系等曲面混凝土施工技術(shù)；研究并形成了超大跨度螺旋式上升鋼屋蓋安裝成套技術(shù)。本課題研究成果為背景工程項目按時高質(zhì)量交付保駕護(hù)航，有效助力打造這一文化建筑的巔峰之作。

二技術(shù)創(chuàng)新

1.超大懸挑超薄預(yù)應(yīng)力UHPC扇形結(jié)構(gòu)建造關(guān)鍵技術(shù)

為了將A區(qū)懸挑15m長的梁截面高度控制在725mm以內(nèi)，項目建設(shè)團(tuán)隊通過采用抗壓強(qiáng)度高達(dá)165MPa的UHPC并結(jié)合緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力打造A區(qū)主體結(jié)構(gòu)。為此，研究團(tuán)隊提出了以UHPC預(yù)制為主結(jié)合UHPC現(xiàn)澆補(bǔ)缺的結(jié)構(gòu)建造方法，提出并應(yīng)用了UHPC-混凝土緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力張拉連接節(jié)點及混凝土厚殼內(nèi)插鋼構(gòu)件互錨結(jié)構(gòu)體系，從理論上解決了UHPC結(jié)構(gòu)實施的可行性問題。

在此基礎(chǔ)上，針對UHPC構(gòu)件承載力、施工流程和施工工藝不明確的問題，通過進(jìn)行大規(guī)模UHPC構(gòu)件足尺加載實驗，對UHPC構(gòu)件及結(jié)構(gòu)全流程施工工藝可行性及穩(wěn)定性進(jìn)行探索，研制并形成了適用于房建領(lǐng)域大規(guī)模生產(chǎn)的UHPC材料制備及預(yù)制/現(xiàn)澆施工技術(shù)，直接應(yīng)用于上海大歌劇院核心區(qū)UHPC結(jié)構(gòu)建設(shè)中，也是新型建筑材料UHPC在國內(nèi)房建領(lǐng)域內(nèi)首次用于打造主要承重結(jié)構(gòu)體系，進(jìn)一步推動UHPC材料及新型結(jié)構(gòu)體系在建筑工程中的廣泛應(yīng)用。

UHPC足尺實驗加載

2.雙螺旋自由曲面混凝土厚殼建造關(guān)鍵技術(shù)

針對上海大歌劇院核心區(qū)B區(qū)雙螺旋自由曲面混凝土厚殼建造困難問題，綜合利用數(shù)字化深化及數(shù)字化測量等技術(shù)手段，創(chuàng)新提出并形成了自由曲面參數(shù)化優(yōu)化方法、雙螺旋自由曲面混凝土厚殼結(jié)構(gòu)臨時支撐體系、曲面結(jié)構(gòu)數(shù)字化定位技術(shù)三大核心技術(shù)，從技術(shù)上突破了曲面混凝土結(jié)構(gòu)施工壁壘。

自由曲面參數(shù)化優(yōu)化

在此基礎(chǔ)上，又進(jìn)一步地形成了空間自由曲面混凝土模板體系、空間曲面鋼筋施工工藝、曲面混凝土厚殼對拉螺桿體系、曲面厚殼混凝土現(xiàn)澆技術(shù)及曲面混凝土厚殼預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)等一系列曲面混凝土結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型施工技術(shù)，從根本上全方位解決了大型曲面混凝土結(jié)構(gòu)的施工問題。以上各項關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用有效地完成了上海大歌劇院雙螺旋自由曲面混凝土厚殼結(jié)構(gòu)的建造任務(wù)，不僅證明了技術(shù)的可行性及質(zhì)量的保證性，更產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

定制GFRP曲面大模板

曲面混凝土對拉螺桿

3.大面積螺旋階梯狀異形鋼結(jié)構(gòu)屋蓋建造關(guān)鍵技術(shù)

針對上海大歌劇院鋼結(jié)構(gòu)大跨度大屋蓋結(jié)構(gòu)施工效率低下，技術(shù)難度高等問題，形成了大跨度不規(guī)則屋蓋結(jié)構(gòu)體系安裝技術(shù)，通過對鋼屋蓋整體的施工組織進(jìn)行系統(tǒng)分析、對傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行研發(fā)改造等手段，建立了基于計算機(jī)仿真模擬施工技術(shù)的整套安裝與卸載控制系統(tǒng)，有效提升了鋼屋蓋的建造精度及建造效率。

鋼屋蓋仿真模擬

針對四面內(nèi)傾、雙向懸挑的超高立面臺塔式鋼桁架，創(chuàng)新自主設(shè)計并研發(fā)一套完整的組合式臨時支撐體系，實現(xiàn)了懸臂端分段起拱及安裝同步施工的工藝要求，結(jié)合計算機(jī)仿真模擬技術(shù)對卸載階段數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)雙懸臂臺塔式立面鋼桁架的精準(zhǔn)安裝。

胎架支撐體系實施工況圖

三技術(shù)成果

研究成果申請發(fā)明專利16項，其中已授權(quán)1項，形成工法2項，發(fā)表科技論文5篇，登記計算機(jī)軟件著作權(quán)2 項。研究成果經(jīng)中國科學(xué)院上海科技查新咨詢中心查新總體達(dá)到國際先進(jìn)水平。

四應(yīng)用效果

研究成果已在上海大歌劇院項目中進(jìn)行了成功應(yīng)用，對UHPC在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣起到帶頭示范作用，對超大荷載自由曲面混凝土結(jié)構(gòu)的數(shù)字化建造起到行業(yè)引領(lǐng)作用，并對空間異形鋼結(jié)構(gòu)的建造積累了寶貴經(jīng)驗與技術(shù)資料，克服了上海大歌劇院特殊建筑造型對結(jié)構(gòu)建造技藝造成的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，解決了上海大歌劇院項目大跨異形曲面懸挑結(jié)構(gòu)建設(shè)中的諸多難題，確保了建造過程的安全及結(jié)構(gòu)質(zhì)量的可靠，提高了施工效率，在降本增效方面發(fā)揮了顯著作用，保障了上海市重大文化設(shè)施項目的順利實施，完美地打造了這一上海市的新文化地標(biāo)建筑，助力上海市成為新的世界級文化城市。