科技日報記者 金鳳

(相關(guān)資料圖)

外觀如同一顆閃亮的鉆石，還會隨著太陽在空中照射的角度變化來改變自身顏色……有“沙漠鉆石”之稱的卡塔爾教育城體育場（以下簡稱教育城體育場）于22日晚迎來它在2022年世界杯的“首秀”。

和其他球迷不同，東南大學(xué)土木工程學(xué)院教授羅斌的關(guān)注點不在球賽。他盯著電視機，不時捕捉一晃而過的體育場屋頂畫面。

教育城體育場是本次世界杯八大主場館之一，可容納4萬多名觀眾，是首個全球可持續(xù)發(fā)展評估系統(tǒng)GSAS認證的五星級體育場。它的屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的制作由上海建工（江蘇）鋼結(jié)構(gòu)有限公司負責(zé)，羅斌和東南大學(xué)郭正興教授團隊負責(zé)制定屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的建造技術(shù)方案。

“看到體育場為大家奉上精彩的賽事，我們很欣慰。”羅斌說。

鋼屋蓋無支架施工，高效且節(jié)約

教育城體育場位于卡塔爾首都多哈附近的阿爾賴揚教育城，由于特殊的造型設(shè)計，無論白天還是黑夜，這顆“鉆石”都散發(fā)著無與倫比的美麗光澤。

支撐教育城體育場“高顏值”的，是一副堅強而輕巧的身骨。羅斌說，教育城體育場采用了預(yù)應(yīng)力技術(shù)的大跨空間結(jié)構(gòu)，能節(jié)省結(jié)構(gòu)用鋼量，輕盈地跨越更大的空間。

“該體育場屋蓋為環(huán)形索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，下部的索網(wǎng)承托著上部鋼網(wǎng)殼傳來的重力荷載，并將拉索力傳遞至周圈的外壓環(huán)和立柱，其中索網(wǎng)的預(yù)拉力使屋蓋處于最佳位置，達到低應(yīng)力的受力狀態(tài)。”羅斌將該教育城體育場的“奧秘”和盤托出。

建筑結(jié)構(gòu)受外荷載，如重力等的影響，會造成結(jié)構(gòu)體內(nèi)有的部位受壓，有的部位受拉，如果超出一定范圍，建筑結(jié)構(gòu)就會損壞，甚至垮塌。所謂的預(yù)應(yīng)力，指的是在結(jié)構(gòu)受外荷載之前，預(yù)先通過技術(shù)措施主動在結(jié)構(gòu)內(nèi)建立有利的應(yīng)力，以抵消或者削減外荷載的不利效應(yīng)，使建筑結(jié)構(gòu)更“堅強”。

教育城體育場屋蓋中的預(yù)應(yīng)力主要分布在索網(wǎng)中。羅斌介紹，國內(nèi)大型體育場的建造中，索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的應(yīng)用并不鮮見。施工方往往先搭建體育場的立柱，再在看臺上搭建臨時支撐架，吊裝鋼網(wǎng)殼，最后安裝和張拉索網(wǎng)，來平衡鋼屋蓋的重力荷載。所有施工完成后，拆除臨時支撐架。

“區(qū)別于傳統(tǒng)建造方式的是，我們此次在教育城體育場首先安裝立柱及柱頂?shù)囊蝗ν鈮涵h(huán)，再將索網(wǎng)張拉錨固在外壓環(huán)上，然后吊裝鋼網(wǎng)殼至索網(wǎng)上。”羅斌介紹，這個技術(shù)路線可以將鋼屋蓋的重力傳遞給索網(wǎng)，而外壓環(huán)又可以抵消索網(wǎng)產(chǎn)生的拉力。

精細化加工，可靠且智慧

建成后的教育城體育場場內(nèi)檐口高50米，最高最大懸挑跨度約61米。要讓這樣一座龐然大物像圖紙上規(guī)劃的一樣不走形，高度還原，挑戰(zhàn)可不小。

“一般來說，建筑結(jié)構(gòu)施工成型后，因為要承受重力荷載，會發(fā)生一定程度的變形。我們要克服的挑戰(zhàn)是，將建造過程中結(jié)構(gòu)變形后的尺寸調(diào)校，最后精準(zhǔn)對標(biāo)圖紙設(shè)計的尺寸。”羅斌以鋼網(wǎng)殼的吊裝舉例，將鋼網(wǎng)殼吊裝至索網(wǎng)上后，由于重量的顯著增加，索網(wǎng)的位置與形狀發(fā)生很大變化，所以團隊給索網(wǎng)安裝了下拉配重索。而下拉配重索的拉力也有講究，要剛好能抵消鋼網(wǎng)殼重量對索網(wǎng)的影響，使得索網(wǎng)最終處于設(shè)計標(biāo)高。

除了新型建造方式帶來的新挑戰(zhàn)，特殊的施工環(huán)境也讓建設(shè)過程必須精益求精。

“卡塔爾高溫炎熱，一般來說，材料升溫后會膨脹。現(xiàn)場的最高施工溫度會達到四十多攝氏度，這對構(gòu)件的長度會造成影響。所以我們會將所需材料構(gòu)件在多高溫度下產(chǎn)生多大的力，需要多長的索長等數(shù)據(jù)，告知國內(nèi)的廠家，讓他們據(jù)此轉(zhuǎn)化成當(dāng)?shù)販囟葋砩a(chǎn)，以減少因材料膨脹帶來的誤差。”羅斌說。

鋼結(jié)構(gòu)也是整個足球場中最重要的一環(huán)。教育城體育場總用鋼量約7000噸。這7000噸鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制作，均來自上海建工（江蘇）鋼結(jié)構(gòu)有限公司。該公司綜合辦公室主任曹建烽介紹，鋼構(gòu)件制作工藝的多道工序使用機加工以保證鋼結(jié)構(gòu)制作精度，同時采用先進的全站儀以及激光跟蹤技術(shù)測量構(gòu)件，并根據(jù)卡塔爾現(xiàn)場的安裝溫度，做溫差補償。

在構(gòu)件制作完成后，公司還進行了預(yù)拼裝，以確保現(xiàn)場安裝質(zhì)量。“我們采用的預(yù)拼裝有實體拼裝和數(shù)字化模擬拼裝兩種。前者是對一些精度要求很高的構(gòu)件，進行實體拼裝，以模擬現(xiàn)場安裝的情形，確保安裝質(zhì)量；而后者則是對于一些龐大而重要的構(gòu)件，使用全站儀進行取點掃描，再利用這些數(shù)據(jù)建立模型模擬比對，判斷是否符合建筑標(biāo)準(zhǔn)。利用數(shù)字化模擬預(yù)拼裝技術(shù)，可以解決實體拼裝的場地瓶頸，節(jié)省成本，提高效率。”曹建烽說。

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