土木工程专业认知案例调研分析.docx

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土木工程专业认知案例调研分析

专业认知

土木工程案例调研分析

一结构设计案例分析：

鸟巢结构设计方案

一，工程概况

　　国家体育场位于北京奥林匹克公园中心区南部，为2008年第29届奥林匹克运动会的主体育场。

工程总占地面积21公顷，建筑面积258,000㎡。

场内观众坐席约为91000个，其中临时坐席约11000个。

举行奥运会、残奥会开闭幕式、田径比赛及足球比赛决赛。

奥运会后将成为北京市民广泛参与体育活动及享受体育娱乐的大型专业场所，并成为具有地标性的体育建筑和奥运遗产。

　　中文名称：

国家体育场

外文名称：

NationalStadium

类别：

主体钢结构

地点：

北京奥林匹克公园

竣工时间：

2008年06月28日

建筑面积：

25.8万平方米

建筑高度：

69米

座位数量：

固定80000个，临时座位数11000个

建筑造价：

34亿元人民币

设计者：

皮埃尔·德梅隆,李兴刚，赫尔佐格

二特点结构分析:

1从形式上讲：

钢结构形成整体的巨型空间马鞍形钢桁架编织式“鸟巢”结构。

2从材料上讲：

看台地下1层为混凝土结构，地上7层为钢筋混凝土框架，体育馆的外部为钢结构，体育馆屋顶钢结构上覆盖了双层膜结构。

3从结构体系上讲：

体育馆的混凝土看台为剪力墙结构。

（是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，能承担各类荷载引起的内力，并能有效控制结构的水平力，这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构）

三结构分析:

1看台,钢筋混凝土结构,混凝土结构剪力墙结构：

混凝土看台分为上、中、下三层，看台混凝土结构为地下1层，地上7层的钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。

钢结构与混凝土看台上部完全脱开，互不相连，形式上呈相互围合，基础则坐在一个相连的基础底板上。

2构成整体结构的主桁架立面展开图:

3在鸟巢的主桁架的结构设计中，多采用了三角形稳定结构支撑:

4鸟巢顶部主结构平面图：

国家体育场屋顶钢结构上覆盖了双层膜结构，即固定于钢结构上弦之间的透明的上层ETFE膜和固定于钢结构下弦之下及内环侧壁的半透明的下层PTFE声学吊顶。

大跨度的主桁架通过之间的契合，搭建并通过与立面此结构、顶面次结构形成大跨度的空间结构体系。

三结构评价

　　我觉得鸟巢几乎完全使用钢结构建造，造型美观独特，容易给人留下深刻的印象，但是“鸟巢”的每根构件的向几乎都不相同，这不但给结构设计造成了很多麻烦，也给加工、制造、安装设置了很多不必要的障碍。

结构的杂乱使得受力状况错综复杂，节点设计难度增加，结构设计人员只好以多用材料来保证一定的安全度。

水立方的结构分析

　一项目概况

为成功举办2008年夏季奥林匹克运动会,北京市政府将在北京市北侧、城市中轴线的北端兴建一个集中一批大型体育、文化和会议设施（其中包括国家体育场、国家体育馆和国家游泳中心）的奥林匹克公园。

国家游泳中心位于奥林匹克大道的西侧,占地61295ha,在国家主体育场以西约200m。

　二主体结构体系

本工程下部结构采用钢筋混凝土筒体剪力墙-框架扁梁-大板体系,上部屋面和墙体结构采用基于Weaire-Phelan多面体理论生成的空间刚架结构,支承于11200m及61400m标高的钢筋混凝土平台,结构剖面图见图3。

地下室车库、设备用房、比赛池、跳水池、热身池、永久看台、冰球场及赛时、赛后附属用房等均采用现浇钢筋混凝土结构。

其中主体结构利用消防需要均匀布置的消防疏散楼梯间形成承载力、延性均较好的筒体,框架梁采用宽扁梁,楼板采用无次梁的大开间平板,板厚180鶫200mm,便于施工和使用。

永久看台结合台阶采用单向密肋楼板,板厚120mm,密肋梁截面200×700mm。

临时看台采用钢木组合结构,

以便于赛后拆卸。

冰球场的大跨度楼盖采用后张有粘

结部分预应力大梁,梁截面2000×3500mm。

考虑到奥运会高标准的要求,比赛池采用独立结构,与主体结构脱开,减少上部结构人员活动引起的振动和噪音对游泳比赛的影响,同时有利于减少主体结构温度变化和混凝土收缩对比赛池的影响。

国家游泳中心平面尺寸177×177m,游泳中心的建筑形式和上部钢结构均不允许整体结构设永久伸缩缝。

下部钢筋混凝土结构设计采取设置后浇带的措施减小混凝土前期收缩影响,同时适当提高楼板和竖向构件的构造配筋率,克服温度变化、混凝土后期收缩对结构的影响。

整体结构计算中考虑温度变化的影响。

三结构构成特点和工作性能

Wearie2Phelan多面体组合构成的基本结构沿三个正交坐标轴是有规律地重复的。

因此,尽管外观呈现随机分布形态（图6）,但实际上这种结构是建立在高度重复的基础上的。

这个阵列组成的无限空间内部只包含三个不同的表面、四种不同长度的边线和三种不同的节点。

这种结构上的高度重复无疑有利于对空间结构的建造。

同时,这种新型空间结构体系具有节点汇交杆件少的明显特点,每个节点的汇交杆件仅为四,而普通网架结构中单个节点汇交杆件最少的蜂窝型三角锥网架为六根。

因此,基于多面体理论的新型空间结构体系具有构成简单、重复性高、汇交杆件少、节点种类少等特点。

这种基于Weaire2Phelan多面体组合生成的结构体系,节点采用接杆件为空间梁单元。

若采用纯铰接体系,即使不出现几何可变,结构刚度也会产生较大退化而影响正常使用。

此种新型空间结构构件的受力状态介于汇交力系的网架结构和刚性连接的直腹杆空腹桁架之间,既不同于汇交力系网架的二力杆,也不同于空腹桁架的纯弯杆。

而是同时受弯、剪、拉（压）,弯曲应力与轴向应力的比值在不同区域、不同位置还有所变化。

四人性化设计理念的特点：

水立方”的多处设计体现了人性化的理念既有助于运动员创造佳绩，同时也充分考虑了观众观看比赛的需求。

1、“水立方”的泳池深度达到了13米,这样的深度可充分减少水温对运动员的干扰，在不久的将来，“水立方”内层膜结构安装完成后，泳池的水温将被控制在28摄氏度，这样的水温最适宜运动员的发挥。

2、“水立方”在室内环境的设计上也充分考虑了运动员和观众的需要。

例如，在屋顶安装照明设备时，施工方对其角度进行了优化，不仅消除了灯光对运动员比赛的影响，同时为观众提供一个理想的观看比赛的环境。

3、“水立方”在室内环境的设计上也充分考虑了观众的需要，在泳池两侧放置了大屏幕，屏幕尺寸达到了２３．８平方米。

4、运动员光脚走路不觉凉，由于比赛池和热身池中间有一定距离，运动员在这两池之间往往是赤脚往返，“水立方”对这段路程的地面做了特殊、细致的处理，届时，“运动员走过去都很舒适”，不会觉得脚凉。

二施工方案分析

鸟巢施工方案

一工程概况

工程±0.000标高相对于绝对标高为43.500m，钢结构屋盖呈双曲面马鞍型，南北向结构高度为40.746m，东西向结构高度为67.122m。

屋顶主结构均为箱型截面，上弦杆截面基本为1000mm×1000mm，下弦杆截面基本为800mm×800mm，腹杆截面基本为600mm×600mm，腹杆与上下弦杆相贯，屋顶矢高12.000m。

竖向由24根组合钢结构柱支撑，每根组合钢结构柱由两根1200mm×1200mm箱型钢柱和一根菱形钢柱组成，荷载通过它传递至基础。

立面次结构截面基本为1200mm×1000mm，顶面次结构截面基本为1000mm×1000mm。

钢结构现场组拼、安装精度要求高，精度控制实现难度大。

主结构：

立柱由24根三角形组合柱构成，该柱由2根方形1200×1200mm及1根菱形构件组成，每个柱顶均作为主桁架至内环的起点，柱壁板最厚达100mm，钢材Q345GJ、Q345、Grade55；主桁架弦杆截面尺寸为1200×1200～1000～800mm，桁架截面高度约12m，板20~90mm，钢材为Q345GJ、Q345；腹杆截面尺寸750×750～600×600mm，板厚8～60mm。

屋面主桁架16974吨，三角形组合柱1吨，总重2947吨。

楼梯：

外楼梯，位于体育场外立面，楼梯跨越并穿过三角形组合柱的主要垂直结构之间；内楼梯，其布置是由地面紧邻外立面向上以直线伸延至三角形组合柱的垂直五角形柱子上，然后沿另一直线向上继续伸延至顶层平台并与外面相合，沿外立面的楼梯的外周边由立面的钢结构直接支承。

次结构：

次结构单元盘绕在外表面边缘并延续至地面，分立面次结构、屋面次结构、转弯段次结构三部分。

屋面次结构主要截面为箱形桁架截面，最大外围截面尺寸1200×1000mm，最大方管为200×200×16×16，局部构件为箱形截面，最大截面为

1200×1000×60mm。

立面次结构箱形截面最大尺寸为1200×1200×50。

转弯处次结构箱形截面最大尺寸为1200×1200×60。

顶面次结构3601吨，立面及转弯次结构重9060吨，总重12661吨。

屋面投影面积为54500m²，立面展开面积40000m²。

二钢结构工程特点分析：

1.本工程结构体系为平面桁架在密集节点处交叉形成的空间桁架，结构传力路线曲折不明确；

2.箱形构件密集交叉处设有复杂的节点板，以传递节点弯矩；

3.本工程钢结构总用量44500吨，单件构件总重200吨左右，最重的主桁架约4～5吨/米，

整体是个超大的空间钢桁架结构，对安装设备的起重能力要求非常高；

4．结构总跨度大，长轴340米，短轴290米，最大高度达69米，施工作业面分布非常大，对设备的数量要求比较大；

5．主桁架杆件断面1200×1200，现场拼装安装对接难度大

6．整体结构外形为空间双曲面，空间定位难度大；

7．单根杆件的断面为双向的扭曲面，加工制作难度大的同时，现场的实际标志点控制难度大；

8．空间交汇的节点，杆件多而复杂，部分交汇角度为非常小的锐角，由于构件本身截面非常大，交汇点工厂制作后，超出场外运输限制，必须现场对接安装，因此现场的实际安装难度大。

9．现场焊接工作量大，特别是主要构件对接节点存在超厚板的焊接，且焊接长度长，因此必须制定有针对性的焊接工艺保证焊接质量，同时采用有效的焊接顺序和焊接预留量，控制结构的整体焊接变形；

10．大空间的结构安装，必须设置大量的临时支撑体系，同时由于本结构的自重非常大，因此使用的临时支撑将是个非常庞大的工作量。

11．根据现有的场地平面图，相对与主体结构的占地面积，可用的临时施工场地非常有限，而本结构的主桁架拼装后高度大于12米，因此场地的矛盾在本工程中非常突出。

12．为响应整个工程的施工进度计划要求，总体的钢结构安装工期非常短，月安装工作量必须达到4000吨以上，才能保证整个钢结构工期的实现；

13．对于选择的安装方案必须对其的安全风险进行分析，保证方案的万无一失，同时对各安装阶段的结构实际受力情况进行计算机工况的模拟分析，给实际的施工提供指导数据；

14.本工程钢结构用量大，加工制作及现场安装均需多家单位协同工作，进度协调及厂家协调工作量大；

三主要施工方法：

　　该工程工地连接为焊接吊装分段多，现场焊缝长度长，加之厚板焊接、高强钢焊接、铸钢件焊接等居多，造成现场焊接工作量相当大，难度高，高空焊接仰焊多。

　　为降低组装难度，本工程中的桁架柱将采用卧拼法，主桁架将采用平拼法（内圈主桁架立拼除外），故拼装结束后、吊装前必须进行翻身工作。

由于构件体型较大，重量重，翻身时吊点的设置和吊耳的选择难度较大，特别是桁架柱的翻身，吊耳在翻身和吊装时的受力有所变化，需考虑三向受力。

同时，翻身过程中的稳定性比较难控制。

由于桁架柱和主桁架的分段口均为箱型断面，分段吊装时存在多个管口对接的问题，对于箱型断面，要保证多个管口的对口精度，难度巨大。

起吊时，必须调整好分段构件的角度和方位，而对于体型大、重量重的构件，角度调节相当困难，吊装难度大。

由于本工程采用散装法（即分段吊装法），分段吊装时，高空构件的风载较大，在分段未连成整体或结构未形成整体之前，稳定性较差，特别是桁架柱的上段和分段主桁架的稳定性较差，必须采用合理的吊装顺序（尽量首尾相接、分块吊装）和侧向稳定措施（如拉锚、缆风绳等）。

　　由于施工过程中结构本身因自重和温度变化均会产生变形，而且支撑胎架在荷载作用下也会产生变形，加之，结构形体复杂，均为箱型断面构件，位置和方向性均极强，安装精度受现场环境、温度变化等多方面的影响，安装精度极难控制，施工难度大。

施工时必须采取必要的措施，提前考虑好如何对安装误差进行调整和消除，如何进行测量和监控，使变形在受控状态下完成，以保证整体造型和施工质量。

本工程无论是外观质量，如外形尺寸、焊缝外观，还是内在质量，如焊缝质量等级、焊接残余应力消除等，都要求相当高，而现场施工条件差。

同时，对于大跨度空间结构，温度变形和温度应力较大，为此，设计确定了分块合拢和合拢温度，操作难度大。

水立方施工方案

一工程特点

（1）结构型式：

新型多面体空间刚架杆件截面：

内部腹杆为圆钢管，表面弦杆为矩形钢管。

节点类型：

内部腹层节点——焊接球节点表面弦层节点——焊接半球节点边框角线节点——以边框为母杆的相贯焊接节点。

节点加强：

加厚或设加劲肋，连接采用套管加焊增强。

（2）钢结构高度：

30.587m（3）支承形式：

钢结构墙体周边支承于钢板组合砼框架梁。

（4）本工程设计基准期为50年，设计使用年限为100年，结构安全等级为一级。

二工程难点

⑴制作精度要求高⑵安装难度大⑶空间三维定位测量难度大⑷焊接质量要求高难度大⑸屋面结构较为复杂，卸载难度大

三总体施工顺序

⑴总体安排顺序是先进行墙体的施工，形成受力支撑后，再进行屋面钢结构的施工,地上一层→地上二层→顶层。

四材料采购

1、设计要求

用于本工程的钢材厚度小于18mm的采用Q345C级，厚度大于等于18mm的采用Q420C级。

管材采用无缝或焊接钢管、矩形管。

2、厂家选择

本工程采用的Q345C、Q420C级钢材，各项技术指标较高，对选择产家的选择应特别慎重，在选择时我公司将本着“技术业绩”优先的原则。

对有该型号钢材生产业绩的厂家优先考虑，在国内有该级别钢材生产业绩的厂家十分局限，有河南舞阳钢厂，武汉钢铁公司。

在确定厂家前，我们将组织专家对上述钢厂进行技术考察，以考证其相关业绩的真实性，并对技术能力充分了解，在确认其据有提到钢材各项指标的能力，尤其交货状态的控制，同时在Q420C钢材生产过程中有专人驻钢厂，以其了解钢材生产过程是否按专家确认的工艺生产。

五钢结构施工工艺

通过对本钢结构工程的深入理解，对本钢结构工程施工工艺我项目将本着“一般工艺求精，难点工艺求专”的原则，制定本工程钢结构的施工工艺。

针对工程的五个难点，我们制定相应的工艺措施与控制点，逐一解决施工中的难题。

在节点加工前，应对以上节点进行节点试验（1:

1）,确定节点的工艺，如内衬板的方式、组装顺序、组焊的顺序、焊接的各项参数等，以保证加工的成品构件的精度满足设计与规范要求

六屋面安装

屋面安装过程中主要控制屋面标高，采用千斤顶进行微调。

七钢结构焊接工艺

焊接质量要求

杆件与焊接球剖口焊缝一级

相贯节点剖口焊缝一级

杆件与节点加强区对接焊缝一级

支座连接钢板剖口焊缝一级

加劲肋双面角焊缝三级

其他次要焊缝三级

八卸载方法

卸载时采用同时、等距的方法来卸载。

每一次缓慢释放位移5mm由于所采用的千斤顶最大行程为300mm，同时由于本工程跨度大，最大竖向位移为400mm。

根据竖向位移值的大小将千斤顶卸载分为二类，如下所示：

第一类：

卸载行程在300mm以内第二类：

卸载行程大于300mm

当竖向位移大于300mm时，采用传递法，即当释放量到270mm左右时，就取出上层千斤顶，再用下层千斤顶续继释放，至设计标高当卸载到设计规定值时，根据钢结构对脚架的要求，拆除多余脚手架，并测量其结构实际的挠度值及结构的几何尺寸，同时做好记录。

三讲座与感想

讲座一建筑防火

建筑防火，是建筑的防火措施。

在建筑设计中应采取防火措施，以防火灾发生和减少火灾对生命财产的危害。

建筑防火包括火灾前的预防和火灾时的措施两个方面，前者主要为确定耐火等级和耐火构造，控制可燃物数量及分隔易起火部位等；后者主要为进行防火分区，设置疏散设施及排烟、灭火设备等。

中国古代主要以易燃的木材作建筑材料，对建筑防火积累了许多经验。

讲座二绍兴体育场结构报告

绍兴体育场总建筑面积77640平方米，观众座位40000个。

体育场设有开合屋盖，由两个单元块组成，为中国目前开合面积最大的活动屋盖。

钢结构主要包括固定屋盖、活动屋盖和膜结构钢骨架，固定屋盖顶部标高47m，活动屋盖顶部标高57.4。

讲座三长安街西延永定河大桥

感想

通过这次专业认知的论文与讲座学习，让我认识到在当今世界，每一个优秀的建筑作品种能给人一种美的享受。

从老师们的讲解中，我深深的体会到，土木工程是一个探索的专业，实践的专业，是一个值得我用一生去践行的专业。

古今中外的伟大建筑无不一笔一笔书写着“土木工程”光辉悠久的历史。

土木工程紧随人类发展的脚步，我将会用我学得的知识和自己的满腔热情在这片天空中翱翔，创造出一番自己的事业!

当我看到这些闻名世界建筑时，心中不免激动不已，建筑师一直是我的梦想。

终有一天在我的努力下，我一定会成功的。