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哈尔滨大剧院工程创优策划与管理

时间:2019-08-15 14:54

刘海良  张创科

由北京建工三建公司总承包施工的哈尔滨大剧院坐落于松花江北岸,以建筑、人文、艺术、自然环境相互融合的建筑理念,将钢铁建筑完美的融入到原生态湿地景观中,其雪峰般跌宕起伏的动感外形在夕阳下金光熠熠,呼应着周围的自然湿地风光与北国万里冰封的地貌特征。它是连接百年工业老城新旧城区的指向标,是集大型演艺与原生态湿地观光于一体的国际一流的文化设施,是哈尔滨有史以来规模最大、水准最高、功能最完善的地标性建筑。

作为中国建筑师的原创作品,2016年在著名建筑新闻网站ArchDaily举办的“世界年度作家建筑奖”的选举中,该工程从全球3000多座建筑中脱颖而出,荣获“世界最佳文化类建筑奖”,也是所有获奖作品中唯一的中国作品。

       该工程由哈尔滨松北投资发展集团有限公司投资建设,北京市建筑设计研究院和爱姆爱地(北京)建筑设计咨询有限公司联合设计,浙江江南工程管理股份有限公司监理。工程总建筑面积7.9万平方米,地下2层、地上8层,建筑高度56.48米。建筑屋面犹如三条飞舞的飘带,将大、小剧场及售票厅连成一个整体。地下两层主要为车库、设备用房、后勤人员办公室、员工餐厅等,首层主要有开放式公共大厅、大小剧院观众厅、舞台、化妆间等,二层设排练厅、练琴房、灯光音响及舞台控制室,三四层为配套用房,五层、六层为办公区,七层为设备用房、屋顶花园,八层为露天观景平台。工程采用桩筏基础,主体钢筋混凝土框架剪力墙结构,主体外围为钢结构。于2011年3月15日开工建设,2015年9月29日竣工。

       高大异形多曲面混凝土结构、三维自由曲面钢结构、立体纹理异形曲面金属幕墙、多曲面仿地貌装饰装修等等,项目的设计、建设难度及工艺复杂性在全国乃至全球都极富挑战性,其中部分设计、建设元素为世界首创。为担好重任,三建公司选派了以全国优秀项目经理曹勤为首的管理团队,本着对业主高度负责的原则,弘扬集团“传承鲁班薪火,铸造时代精品”的企业精神,以“鲁班奖”为最终质量目标,建立由公司各部室、项目部、专业分包组成的三级质量保证体系,策划并编制了针对性强的创优方案,实行样板制、三检制及质量奖罚制等33项质量管理制度,并在过程中严格管控。同时,积极推广应用新技术,熟练运用三维软件模块化、精细化施工,配备三维激光扫描仪等先进设备,确保了工程质量的平稳受控和提升,并荣获了多项省市级质量奖项。

一、绿色施工及节能减排贯穿始终

       哈尔滨文化中心项目是省级重点项目,大剧院是文化中心的核心建筑,社会关注度极高,且工程紧邻松花江,地处原生态湿地公园,建筑体量大,投入材料多、机械设备多、施工人员多,分项数量多。如何充分保护自然环境,合理划分施工区域,提前做好施工计划、计算材料合理用量,做到科学管理,提前预控,加强过程管控,树立良好的企业形象,是本工程首先面临的问题。

项目部自开工伊始就建立了绿色施工领导小组,以项目经理为第一责任人,明确各管理岗位职责,建立《节水制度》、《节电制度》、《限额领料制度》、《危险化学品管理制度》等多项制度,编制了《绿色施工策划方案》、《绿色环保施工方案》,充分应用“四新”和“十项新技术”,通盘考虑,在满足工程质量、安全、进度、造价的基础上,降低能源和材料消耗、降低环境负荷;与各参建单位及劳务队负责人签订节能、环保责任书,把节能、环保工作责任层层落实到人;通过培训、广播、宣传栏、标语等方式对管理人员和施工人员进行宣传教育,增强全员绿色施工意识,努力将本工程打造成“健康、生态、绿色、环保”的达标工地。

       为控制扬尘污染,现场办公区、施工区道路100%硬化,其它场地100%覆盖;还采用了雨水收集系统、自动循环水冲车设施、洒水喷雾降尘、脚踏式喷淋、材料构配件定尺加工等一系列措施。为节省资源、减少垃圾产出量,施工中多采用定型模板、工具式架体、定尺加工等。施工过程中,对照《全国建筑业绿色施工示范工程实施过程检查用表》的相关指标,进行阶段性自评价,及时掌控指标完成情况,总结纠偏,实现持续改进,取得了良好的经济效益和社会效益。2015年,该工程荣获全国绿色施工及节能减排优胜工程金奖。

二、技术先行,保证结构精度和安全

       独特的外形和特殊的功能要求,造就了高空间、大跨度多曲面的混凝土结构和雪堆丘包造型钢结构。如何保证结构精度和安全,是项目部面临的最大挑战。在项目经理的带领下,项目部坚持推广应用新技术,坚持科技创新,不断优化施工方案,通过一整套完善可行的项目实施、技术信息管理、技术支持等管理体系,体现技术先行和保证作用。

       1、混凝土结构

       混凝土结构平立面布置错综复杂,曲线和超大尺寸构件极多,混凝土梁高达4.3米,舞台区域模架支撑高度近50米,观众厅型钢混凝土梁最大跨度达32米。项目从经济、安全、工期等多个角度对比不同支撑体系方案的合理性,创新采用Φ60系列重型盘销式钢管脚手架和型钢混凝土梁模架体系等新技术,通过支撑体系上设置的振弦传感器和光纤光栅传感器实时监测系统,并根据监测数据判断或预测支撑体系的安全状态,有效的确保了工期、安全、质量的要求。

       本工程型钢混凝土梁最大截面尺寸为1.1m×3m,在混凝土浇筑过程中会产生较大的侧压力,如何保证梁侧模支撑以及梁底支撑安全,是施工控制的重点。为获得型钢混凝土梁中型钢在混凝土浇筑和硬化期间的应力分布变化情况,同时了解混凝土浇筑期间型钢梁对模板支撑体系的贡献程度,技术人员对型钢梁和梁下支撑体系的应力进行监测,为模架优化提供参考。

       施工过程中,考虑到劲性混凝土中钢结构梁在施工过程中可能承载一部分混凝土的荷载,支撑体系受到的荷载会一定程度上有所降低,因此,对支撑体系作了内力监测,主要采用BGK-4000型振弦式应变计对应力进行监测,采用澳大利亚dataTaker DTMCU80G-40型现场监测系统对应变及变形、沉降数据进行采集。

       通过对多根型钢混凝土梁的测试结果,利用大型通用有限元软件ansys计算值与现场实测值作对比,分析型钢混凝土、下部支撑体系的受力情况。通过计算各种参数的算例(混凝土梁高、宽、长;型钢梁高、宽、长;模架体系沿梁长间距排布等参数)定性和部分定量出型钢梁和模架支撑体系对混凝土自重的支撑作用,提出型钢梁承担混凝土自重比例的计算方法,并对结构下部支撑体系施工方案进行了优化。

2、钢结构

为满足建筑流线外形的需要,本工程采用多种空间体系组合的结构,包括自由曲面箱型弯扭网壳、复杂异型多层焊接球节点网架、扇形变曲面屋面折弯梁等。为协调变形,采用了27种不常见的支座和节点形式。层次多、界面多,空间转折复杂,如此多种类的异型扭曲钢结构同时结合在一个建筑单体中还是首次,给施工带来了挑战性难题。现场利用软件辅助确定构件控制点的三维坐标,在计算机工况模拟和高精度测量技术的配合下,实施模块化的拼装和吊装工艺,同时保证了施工精度。

       针对该项目网架结构特点,采用地面模块拼装,胎架采用自由组合钢平台加可移动球托。此结构针对每个拼装单元的不同,组合方便、快捷、结构稳定,能够保证拼装质量,形成网架小拼及大拼单元拼装技术。

    主要施工步骤及注意事项:

     ——安装临时支撑胎架。依据分块单元结构形式,合理选取多(双)层网架分块吊装单元支撑点位置和数量,通过空间三维实体模型放样,利用全站仪定位各支撑点空间坐标,然后在地面上用十字线标记各定位点地面投影坐标。

       安装临时支撑胎架,要求胎架底面中心与地面十字线中心重合,胎架顶端设置1米高的胎架高度微调装置。为保证胎架的侧向稳定性,除胎架柱脚与埋件接外,现场每个胎架四面拉设缆风绳。吊装模块重心采用钢结构建模软件Tekla Xsteel选取。模块与模块之间采用塔吊进行散件补档,杆件补档完成后按照轴线顺序依次焊接。

       ——模块定位。如果模块定位不准确将直接影响补档管件的安装质量。为此,在模块吊装初步就位后需进行精确定位。定位点分别选在模块的上弦球和下弦球上,贴设反光片和架设小棱镜两种方式,通过球心坐标计算出焊接球最顶点和最低点的坐标,测量结果出来后分析就位情况,测量结果和理论三维坐标进行对比,通过对比对模块进行微调定位。

       ——折梁分段拼装和吊装。充分利用分段处的固有支点,节省胎架,缩短工期,降低施工成本;通过tekla structure确定折梁重心,采用多点起吊和多点翻身技术完成吊装;采用可周转钢平台拼装技术,避免了大吊装单元的翻身焊接,大大提高了施工安全系数、施工质量及效率。使用该技术解决了折弯梁分段拼装效率低,吊装重心难以控制的难题。

       三、深化设计,实现精美装修效果

       本工程空间曲面多变。为保证整体流线形态,展现不同材质纹理效果,精细化施工要求很高。装饰装修工程前,项目部立足于结构施工图,充分运用BIM技术,协调配合各专业把握设计意图,进行全面施工图纸深化,保证了设计意图的最终实现。

       1、室内装修

       室内装饰的一次成优更加依赖施工图的深化设计。因此,施工前特意聘请了专业精装设计公司以及顾问公司驻场,从公共大厅、屋顶花园,到各功能房间、大小观众厅,小到卫生间,均对施工图进行细致的分析和深化,确保方案的可实施性,为项目成本和工期控制打下了坚实的基础。

     

       大剧院观众厅采用了三层多岛式布置,全部采用异型多曲木饰面装饰板(即基层GRC+木质中间层+面层实木条),设计欲以原木温暖的色调以及精妙的空间,让每位观众在观赏演出时感受到贵宾级的待遇。但三种材料组合而成的异型多曲木饰面装饰板在国内尚无成功的工程案例。技术人员经过多方探索及反复试验制作样板,确定了基层板(GRC+木质中间层)工厂预制,面层实木条现场安装的施工工艺,并校核施工图纸与BIM模型,解决饰面板与结构碰撞问题及面层预留空间问题。通过与加工厂的紧密配合,利用BIM技术分割模型以实现基层板的曲率控制和模块化预制,施工时根据样板层层交底,让所有参与面层施工的人员掌握在曲面上安装实木条的做法以及纹路比例控制,最终使得设计意图完美呈现。

       2、金属屋面倒插叠瓦式构造安装

       工程外装饰铝板总面积约3.4万㎡,约合3万块铝板,每块铝板的大小形状各不相同。总体由平板单曲、双曲、单曲圆弧、双曲圆弧多种形式构成,安装完毕后要达到线条流畅的效果,这对安装工艺无疑是一项艰巨的挑战。

       技术人员通过深化设计,将外装饰四边形板拟合分格优化,在Rhinoceros模型中提取要分格的曲面导入数字化建模系统,提取曲面的UV线,将UV线在曲面内分别进行两个方向的偏移,通过平衡确定1000mm的分格优化尺寸,形成了总量3万余块装饰铝板,包含平板、鼓包板、褶皱板等多种板型(平板单曲、双曲、单曲圆弧、双曲圆弧多种形式)。大面积施工前选取局部屋面进行样板试安装,在试安装中不断优化施工方案,总结出一套完整的空间定位安装法,即首先对主龙骨进行定位,然后临时固定主龙骨,最后安装底托,这样就解决了因施工造成的误差而导致龙骨安装与建筑模型不符的问题。此外,屋面玻璃采光顶、FRP装饰板、外檐清水混凝土挂板等也都预先经过深化设计,分块编号后将数据返给加工厂,以此保证现场安装一次成活。

本施工工艺主要难点在于定位。项目部采用“空间定位法”,即主龙骨安装之前,根据控制网的控制线和图纸位置尺寸、标高、坡度要求,测放主龙骨的位置和标高控制线在钢架梁顶标牌上,根据标高控制线,调整结构造成的偏差。钢结构复核完成后,即可对主龙骨进行施工放线,放线时使用全站仪配合棱镜放线。然后进行主龙骨空间定位点的标注,即将测得的主龙骨定位点标注在400*400的标牌上,标牌采用临时固定的方式,再将主龙骨根据定位点采用临时固定的方式固定在指定位置,然后进行底座及连接件的安装、满焊,从而实现龙骨的精准安装。

       四、应用BIM技术,对机电安装穿针引线

       机电安装好似一栋建筑的心脏和血管,是建筑物正常运转的核心。在保证使用功能的同时,机电安装与精装实现完美协调,是本工程的一大亮点。

       大剧院地下一层和首层是本工程管线最为密集的部位,特别是地下一层,设备和机房比较集中,管道尺寸较大,而结构管廊净空较小,排布各专业管道管线难度很大。为保证使用功能和规范要求,项目部采用了BIM技术对机电管线进行综合排布,深化设计时采用三维设计,进行了各专业管道管线之间和管道与结构之间的三维碰撞,在施工之前发现和解决了管道施工可能会发生的问题,确定管道正确排布标高和位置并协调各专业统一遵照施工。

本工程空间变化丰富,曲线、曲面多,灯具、烟感、喷淋等机电设备末端均需依照装饰面布设,定位、安装难度大、精度高。项目部采用BIM技术,结合装饰效果,提前对各设备末端进行预排,为安装提供坐标,达到或横平竖直、成排成行,或曲线顺滑、布设优美,与精装完美结合的效果。

哈尔滨大剧院从开工建设到交付使用历时5年零6个月,建工三建公司以及项目所有参建人员以“超越自我、挑战极限、攻坚克难、拼搏奉献”的精神,以“建百年建筑精品、创百年艺术殿堂”为目标,精细策划,精心组织,不断创新和改进,专心对待每个细节,力争每一步都达到最优品质。

通过严格把控,哈尔滨大剧院以其优美的建筑形体、完美的质量效果和音质效果,得到了社会各界的高度赞誉,为社会呈上一件集科技性、艺术性、时代性于一体的艺术精品。

       该工程先后获得黑龙江省“龙江杯”、中国钢结构金奖、中建协全国工程项目节能减排竞赛金奖等20余奖项,2016年12月,荣获2016-2017年度中国建筑工程鲁班奖。

(注:本文刊登于协会刊物2017年第3期)

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