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科技日报记者 金凤

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外观如同一颗闪亮的钻石,还会随着太阳在空中照射的角度变化来改变自身颜色……有“沙漠钻石”之称的卡塔尔教育城体育场(以下简称教育城体育场)于22日晚迎来它在2022年世界杯的“首秀”。

和其他球迷不同,东南大学土木工程学院教授罗斌的关注点不在球赛。他盯着电视机,不时捕捉一晃而过的体育场屋顶画面。

教育城体育场是本次世界杯八大主场馆之一,可容纳4万多名观众,是首个全球可持续发展评估系统GSAS认证的五星级体育场。它的屋盖钢结构的制作由上海建工(江苏)钢结构有限公司负责,罗斌和东南大学郭正兴教授团队负责制定屋盖钢结构的建造技术方案。

“看到体育场为大家奉上精彩的赛事,我们很欣慰。”罗斌说。

钢屋盖无支架施工,高效且节约

教育城体育场位于卡塔尔首都多哈附近的阿尔赖扬教育城,由于特殊的造型设计,无论白天还是黑夜,这颗“钻石”都散发着无与伦比的美丽光泽。

支撑教育城体育场“高颜值”的,是一副坚强而轻巧的身骨。罗斌说,教育城体育场采用了预应力技术的大跨空间结构,能节省结构用钢量,轻盈地跨越更大的空间。

“该体育场屋盖为环形索承网格结构,下部的索网承托着上部钢网壳传来的重力荷载,并将拉索力传递至周圈的外压环和立柱,其中索网的预拉力使屋盖处于最佳位置,达到低应力的受力状态。”罗斌将该教育城体育场的“奥秘”和盘托出。

建筑结构受外荷载,如重力等的影响,会造成结构体内有的部位受压,有的部位受拉,如果超出一定范围,建筑结构就会损坏,甚至垮塌。所谓的预应力,指的是在结构受外荷载之前,预先通过技术措施主动在结构内建立有利的应力,以抵消或者削减外荷载的不利效应,使建筑结构更“坚强”。

教育城体育场屋盖中的预应力主要分布在索网中。罗斌介绍,国内大型体育场的建造中,索承网格结构的应用并不鲜见。施工方往往先搭建体育场的立柱,再在看台上搭建临时支撑架,吊装钢网壳,最后安装和张拉索网,来平衡钢屋盖的重力荷载。所有施工完成后,拆除临时支撑架。

“区别于传统建造方式的是,我们此次在教育城体育场首先安装立柱及柱顶的一圈外压环,再将索网张拉锚固在外压环上,然后吊装钢网壳至索网上。”罗斌介绍,这个技术路线可以将钢屋盖的重力传递给索网,而外压环又可以抵消索网产生的拉力。

精细化加工,可靠且智慧

建成后的教育城体育场场内檐口高50米,最高最大悬挑跨度约61米。要让这样一座庞然大物像图纸上规划的一样不走形,高度还原,挑战可不小。

“一般来说,建筑结构施工成型后,因为要承受重力荷载,会发生一定程度的变形。我们要克服的挑战是,将建造过程中结构变形后的尺寸调校,最后精准对标图纸设计的尺寸。”罗斌以钢网壳的吊装举例,将钢网壳吊装至索网上后,由于重量的显著增加,索网的位置与形状发生很大变化,所以团队给索网安装了下拉配重索。而下拉配重索的拉力也有讲究,要刚好能抵消钢网壳重量对索网的影响,使得索网最终处于设计标高。

除了新型建造方式带来的新挑战,特殊的施工环境也让建设过程必须精益求精。

“卡塔尔高温炎热,一般来说,材料升温后会膨胀。现场的最高施工温度会达到四十多摄氏度,这对构件的长度会造成影响。所以我们会将所需材料构件在多高温度下产生多大的力,需要多长的索长等数据,告知国内的厂家,让他们据此转化成当地温度来生产,以减少因材料膨胀带来的误差。”罗斌说。

钢结构也是整个足球场中最重要的一环。教育城体育场总用钢量约7000吨。这7000吨钢结构的设计、制作,均来自上海建工(江苏)钢结构有限公司。该公司综合办公室主任曹建烽介绍,钢构件制作工艺的多道工序使用机加工以保证钢结构制作精度,同时采用先进的全站仪以及激光跟踪技术测量构件,并根据卡塔尔现场的安装温度,做温差补偿。

在构件制作完成后,公司还进行了预拼装,以确保现场安装质量。“我们采用的预拼装有实体拼装和数字化模拟拼装两种。前者是对一些精度要求很高的构件,进行实体拼装,以模拟现场安装的情形,确保安装质量;而后者则是对于一些庞大而重要的构件,使用全站仪进行取点扫描,再利用这些数据建立模型模拟比对,判断是否符合建筑标准。利用数字化模拟预拼装技术,可以解决实体拼装的场地瓶颈,节省成本,提高效率。”曹建烽说。