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2017年度学会工程奖一等奖:上海国际舞蹈中心

发布时间:2018-05-02 10:52:43

完成单位:上海建工四建集团有限公司、上海市建工设计研究总院有限公司、上海市安装工程集团有限公司、上海旭博建筑装饰工程有限公司

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一、工程概况

上海国际舞蹈中心项目,建设地点位于上海市长宁区虹桥路1674号,南临延安西路高架、北侧为虹桥路、西侧为水城南路,东侧为延虹绿地。本项目基地总的占地面积为38567,总建筑面积为84930,其中地上44890,地下40040;其中地下一层25430,地下二层13310

优秀的文化艺术积淀、良好的文化艺术氛围、一流的文化艺术设施、繁荣的文化艺术产业是国际文化大都市建设的重要支撑。上海国际舞蹈中心工程由上海芭蕾舞团及上海歌舞团(简称二团)、上海舞蹈学校及上海舞蹈学院(简称二校)和1200座的表演剧院、300座合成排演中心(简称合演中心)三个功能体块组成,建成后的舞蹈中心将成为“产学研”一体化的舞蹈艺术公共服务平台,打造成为一个集舞蹈教学、创作、排练、演出、交流、研究为一体的,全新的国际化、复合型、公共性、功能性的舞蹈综合体。

独特的地理条件既是舞蹈中心一笔无形的资产,同时对项目的建设也带来了挑战。本工程中的二条“飘带”不仅是整个项目的亮点,也是设计与施工的技术难点,另外紧邻地铁和历史保护区,对周围环境的保护也有着较高的要求,同时大型公共建筑地下空间高品质的开发与利用以及大型复杂建筑设计与施工过程中的造价控制也是整个项目面临的技术挑战。

设计阶段不仅结合多种有限元分析软件对复杂而富有张力的结构设计进行优化及造价控制,同时采取一系列技术措施提高了地下室整体舒适度。施工阶段不仅对基坑工程施工工序进行了优化,还采用BIM技术建立优化后的信息化模型实现了大空间异型结构的空间精确定位,同时利用点云扫描等手段,对于饰面板的加工制作、现场放样复核进行了有效控制。另外为达到精细化施工及内部空间最大化的目的,施工单位还对结构外墙形式设计方案以及单曲变斜率钢筋混凝土外墙的施工方案组织了技术攻关,通过结构形式优化节约了大幅造价。

上海国际舞蹈中心项目作为“十二五”时期上海加快推进“四个率先”、建设“四个中心”的重点文化项目之一。代表着全国乃至亚洲第一个专业性舞蹈中心,是国内领先、国际一流的舞蹈艺术基地,将成为上海新的文化地标。项目先后获得工法专利3项、科研成果1项,发表学术论文4篇,获国内外各类奖项4项,科研成果经专家鉴定和科技查新均达到国际先进水平。

二、主要科技创新内容

1.研究背景和总体思路

上海国际舞蹈中心作为一项社会影响力大、功能复杂、限制性因素较多的重大项目,在设计和建造过程中面临了许多重大技术挑战,归纳起来有以下四个方面:

1.1 地下空间的高品质开发利用

由于项目位于历史风貌保护区,法规上有严格的限高要求(不能超过24米),因此项目85000平方米建筑面积中有近一半4万平方米位于地下。不同于一般项目地下空间通常为车库和机房等辅助用房,本项目有大量的舞蹈训练、办公、教学等功能用房需布置在地下,如何满足这些功能用房的舒适性要求是一大难点。

1.2 复杂造型带来的挑战

本项目最主要的设计理念之一是建筑艺术与舞蹈艺术的交融,因此不论在建筑外型还是在室内空间塑造方面都运用了许多空间曲面造型以表达舞蹈艺术行云流水般的特性。比如在主体建筑2#楼剧院外立面设计了一条充满张力的金属飘带;在剧院大堂设计了一部螺旋楼梯,楼梯外侧同样设计了一条不锈钢飘带冉冉上升与大堂顶面GRG造型相衔接,好似绽放的舞裙。二条“飘带”成为内外造型的视觉焦点,形成国际舞蹈中心独特的标志,而这些复杂飘逸的造型设计时完全凭设计师的艺术灵感,并没有一个明确的数学模型,因此在设计表达和衔接,在内外形体建造,在具体工艺实施方面如何完美实现设计意图都带来了巨大的困难和挑战。

1.3 基地复杂限制性条件的制约

项目位于历史风貌保护区,有限高要求,基地内散布有6栋保护建筑,在基地北侧还有一条地铁线和一座地铁站,这些条件都对设计和建造带来重大制约。由于舞蹈训练需要大空间,二座剧场体量也较大,因此在布置中的灵活性就相对较差,导致主体建筑距6栋保护建筑的间距均非常小。地下空间为满足使用需求则几乎见缝插针似的围绕保护建筑和地铁站边缘布置,同时还导致地下一层和地下二层平面的严重不对称。多种不利的制约因素汇聚的同时如何满足周边敏感建筑的保护是一个重大挑战。

1.4 严格的造价控制条件

作为一项公共财政投资的工程,本项目有严格的预算限额。在立项环节造价总体上是按常规的公共建筑的标准来制订的,而作为努力打造的一个精品文化工程,在造型方面要求高,多种不利制约因素导致的项目复杂性,以及剧院建筑本身就是大空间复杂结构的工程,因此如何精打细算,选择最经济合理的技术路线,是保证造价控制的一个重大课题。

针对上述特点和难点,本课题主要针对以下内容进行了研究:

1)地下空间室内空气品质保障技术

2)复杂结构设计技术和工程造价控制技术

3)邻近历史保护建筑的基坑围护设计与施工技术

4)单曲变斜率钢筋混凝土墙体施工技术

5)剧院及大堂复杂结构、装饰精细化施工技术

6)复杂飘带造型不锈钢壳体结构设计及施工技术

2.创新技术内容

2.1 地下空间高品质开发利用的空气品质保障技术

2.1.1不同空气交换程度条件下对室内污染浓度积聚影响研究

课题经过研究,推导得到了室内污染空气积聚与通风量之间的相互式。通过该关系式,解释了为什么地面房间夜间通过门窗缝隙的空气泄漏,室内污染物释放不会造成不良空气大量积聚(如图中较粗的曲线所描述),而地下房间经由缝隙泄漏带来的室外空气流通很小,不良空气的积聚就比较严重的原理(如图中较细的曲线所描述)。


由于不良空气的积聚,对次日人员进入地下空间房间后的主观观感带来很大影响,室内外空气形成明显反差。在次日人员进入使用之前,需一个提前通风时间。图中粗线表示积聚浓度低,所需的提前通风时间较少。细线表示积聚浓度较高,所需的提前通风时间较长。(假设浓度下降到0.05横线为达到污染限度标准)

2.1.2地下空间改善夜间通风换气条件手段研究

首先是被动手段——加强自然通风。舞蹈中心项目为加强地下空间的空气自然流通,设计了通风走廊,让地下空间两侧拥有不同高度的气流通道。通过加强自然通风,有效减小了地下空间在夜间污染空气的积聚浓度,有利于改善第二天人员再次进入时的主观观感。

2.1.3送风口、回风口位置对地下空间通风效果影响研究

送风口、回风口设置对气流通道的阻力影响,在地下空间造成的影响要远远大于地面。例如把送风口和排风口设在一扇门的两侧,或者把送风口和回风口设在一扇门的两侧,其房门的开或关对室外空气进入将造成一定影响。在地面情况下,由于门窗缝隙的存在,其造成的通风回路阻隔效应不甚明显。而在地下空间,选用的门窗密封性更好,门开门关往往会造成送风量严重减少。我们对相关类似项目的调研中,证实了在同样打开空调通风的条件下,夜间实际通风量比白天减少4~6倍。

通过该研究,课题为舞蹈中心地下层的送风口、回风口设置上,提供了指导性意见,送、回风管伸入到房间(地面允许送风管伸入房间,回风管从走廊开口),送风口、回风口设在同一房间内。

2.1.4新风量设计计算依据研究

研究分析了一种计算新风需求量的方法,既满足室内人员呼吸所需氧气和呼出二氧化碳的排除,又兼顾了涵盖排除室内污染物散发所需的通风量。在采用可变新风的节能措施时,提高送风量控制参考,为维持最低新风量提供了依据。

2.1.5地下房间结露风险分析

课题经过对土壤温度变化规律的资料收集和对上海地区地下挡土墙表面温度的实地检测,预测舞蹈中心项目地下一层所在深度的挡土墙表面温度全年变化大致趋势,掌握了设计中规避地下房间结露风险的重点方向。研究证明了:空调焓值最不利工况发生时间与暖通专业现行的焓值设计取值是基本吻合,但是发生最不利工况的时间和现有的设计不完全一致。在湿负荷不利的季节,含湿量、露点温度、焓值三者的最高点发生的时间将重叠。

2.1.6地下房间附加湿负荷及其克服、除湿设备容量计算

现有设计方法对室内湿度负荷的计算主要考虑人员和室外新鲜空气携带两个方面,但是课题通过调研分析和研究,认为地下空间存在附加湿负荷,其总量将因此增加30%以上。因此防水、疏水、除湿措施将很重要。

为减少附加湿负荷,项目在地下挡土墙衬墙的空腔部位设置了专门的通排风道,称为吸风管和补风管,间歇运行,以排除挡土墙渗入水分所形成潮湿空气的排除。附加湿负荷的存在和克服要求对项目除湿设备容量选择提供了依据。

2.1.7全天候运行模式监控和可视化用户操作界面设计

上海国际舞蹈中心室内空气品质保障系统监控手段的智能化程度比传统的空调自控有实质上的提升。其控制系统结构上以室内空气品质为监控对象,由系统根据智能运算结构确定哪些设备投入运行、哪些设备停运待命,所以它是对一组设备进行的智能化的综合控制。系统结构上,若干相关设备的监控控制器必须是能够点对点高速进行信息互通的,以实现设备间监控动作的协调。在使用时间上,室内空气品质保障系统没有时间段的概念,而是724小时不间断运行的,一旦需要,设备随时启动。

操作方法上,智能化监控系统设置一健式操作的、可视化的现场触摸显示屏,使用人员只需操作使用或者关闭,智能化监控程序自动完成新风、空调、温度、湿度控制,并显示房间空气品质各种参数及走向,让使用人员用亲身感受和仪器仪表检测的结果相比较,来体验监控系统的工作,支持使用人员的良好心理感受。

2.2复杂结构设计技术和工程造价控制技术

2.2.1复杂结构设计技术

1)整体抗震性能分析:

本文通过SATWEPMSAPMidas Gen三种结构有限元软件进行结构整体分析,确保结构在各种荷载工况下的安全性和合理性。根据结构平面布置规律,利用观众厅和舞台外圈的钢筋混凝土剪力墙形成的核心,形成抗震的第一道防线,以中震不屈服为抗震目标对核心进行结构分析,利用大堂斜框架作为抗震第二道防线,进一步进行抗震性能分析,找出薄弱部位采取构造加强。


2)结构细部补充分析:

运用3D3SMidas GenAbaqusANSYS等有限元计算程序分析计算剧院挑高大堂、大跨度钢结构屋盖和楼盖、钢结构旋转楼梯等细部结构。在保证结构安全的前提下,逐一解决结构设计的技术难题。



2.2.2.工程造价控制技术

本文根据工程基坑周边地铁沿线、高架沿线的特点,选择经济且合理的桩基持力层,通过试桩结果和精细化的设计,进行桩基优化和细化;根据实际工况,合理比选基础底板和地下室外墙方案。在保证结构安全的前提下,取得了较好的经济效益。

2.3.邻近历史保护建筑的基坑围护设计与施工技术

2.3.1基坑分区施工

针对两个挖深,按“先深后浅”分区原则,结合本工程6幢历史建筑的分布情况,开挖深度、基坑面积、造价和工期等综合因素,优先选用了“分区顺作”的设计方案。

2.3.2围护体方案设计优化

本工程基坑围护体方案选用钻孔灌注桩+三轴止水帷幕体系。为控制邻近保护建筑的位移,首先应控制围护体本身的变形,为此,钻孔灌注桩桩径宜适当加大,桩长宜适当增长,同时针对基坑内被动区土体进行加固,加固体可从第一道支撑底标高开始,以减小基坑开挖过程中对周边建筑的影响。

2.3.3支撑体方案设计优化

因本工程基坑形状极为不规则,支撑体选用钢筋混凝土支撑,在邻近历史建筑周边,支撑布置宜适当加密。

2.3.4降水方案设计优化

为了有效的消除地下二层开挖的突涌风险:在降水设计方案时,沿地下二层开挖边线用三轴搅拌桩对微承压含水层进行全封闭隔水,在地下二层区域内布置管井对其进行降压疏干、抽水。

2.3.5基坑工况数值模拟

采用数值方法对基坑开挖过程进行了模拟分析,计算过程中参数的选择综合考虑了以往大量的类似工程经验进行取值,以确保计算结果的可靠。


2.3.6各区土方分块开挖

基坑开挖应用时空效应原理,限时开挖,限时支撑。对各层土体,按照“分层、分块、对称、限时”的要求,采用中部盆式、周边抽条式间隔挖土,分块开挖时每块边长不大于20m

2.4剧院及大堂复杂结构、装饰精细化施工技术

2.4.1剧院内部三维点云扫描技术

三维激光扫描仪突破了传统的单点测量方法,具有高效率、高精度的独特优势,能够提供扫描物体表面的三维点云数据,大大减少测量所需的人力及时间。

2.4.2 BIM技术的运用

1)碰撞分析

对所有安装设备管线、饰面包括基层等进行三维建模后,导入REVIT进行碰撞分析,找出安装时有冲突区域事先进行调整。


2)视觉模拟

通过REVIT模型与NAVISWORKS模型的转换,可以模拟真人视角来切身体验在建筑物中所看到的的东西,对于基层外漏、追光分析等能够有较为直接的效果。


3)出效果图

对于装饰而言,一般施工前所得到的的效果图只能作为参考,很多方案在之后均已变更,因此利用BIM软件,根据调整后的饰面方案重新建模后,可以导成3DsMAX文件进行模型渲染,所有材料均可以根据封样材料进行调整,得到最终较为符合实际施工的效果图。

图7  根据模型调整后的效果图

2.5 单曲变斜率钢筋混凝土墙体施工技术

2.5.1单曲变斜率钢筋混凝土墙体定位技术

通过对结构墙体的三维BIM模型进行分段剖切分析,对模型进行近似拟合,确定斜率控制点和底标高控制点,并在三维模型中进行控制点建模及参数化导出,最终映射到现场已完成结构上以指导施工,在现场实施过程中,斜率控制和底标高控制上都有一定的难度,课题组通过结合RhinocerosGrosshopper等软件或插件,将抽象的斜率和空间三维点位转换为可视化的参数,并通过牵拉钢丝绳进行分段斜率控制以及通过设置底模控制点实现了底模平面位置及高程点控制。

2.5.2单曲变斜率钢筋混凝土墙体模板支护技术

本工程施工的2#楼的单曲变斜率钢筋砼墙体,总高度从2.4米至15.4米不等,且墙体为曲面形状,课题组从经济效益和技术可行性的角度出发最终确立了使用全木模支护体系+钢管扣件式排架支撑体系实施模板工程。同时对超高墙体采取了分段浇筑的方法,实现了完成面偏差的有效控制。

2.6 复杂飘带造型不锈钢壳体结构设计及施工技术

2.6.1壳体结构体系设计

飘带承重结构采用壳体结构模型,外表采用不锈钢面板装饰的结构方案,经过多次对结构模型的计算和分析,同时认真地对计算结果数据进行复核,我们最终确定了采用5mm钢板的壳体外壳,自飘带圆心每5度设置径向加强的结构方案,来实现飘带承重结构的设计。

飘带结构材料选用Q345。采用5mm厚钢板留2mm缝坡口焊接组成,结构采用壳单元,飘带最大跨度约为8000mm。飘带与结构有3个连接口,顶部与钢梁连接,标高4M处与钢楼梯连接,底部与地面连接从来达到固定飘带的作用。

2.6.2不锈钢结构体系分段施工及现场安装施工技术

现场安装机械站位空间较小,不宜使用吨位较大的机械。机械站位距离安装位置较远,构件分段难免较多,不可避免采用临时支撑措施。部分构件无法利用吊车安装(如上部飘带),需要利用上部钢楼梯安装用的临时节点,手拉葫芦进行安装。

3.实施效果

地下空间高品质开发利用的空气品质保障技术的研究与实施不仅保证了上海国际舞蹈中心项目地下空间的空气质量,同时产生了良好的社会和经济效益,为国内外类似的工程提供一定的借鉴意义。

复杂结构设计技术和工程造价控制技术研究不仅实现了复杂结构体系的细化和优化设计,还相应形成了成套造价控制体系,相应技术的实施在上海国际舞蹈中心项目上取得了良好的经济和社会效益。

邻近历史保护建筑的基坑围护设计与施工技术的研究,运用三维有限元计算软件分析基坑工程施工的时空效应,并与实测的基坑支护体和历史建筑变形资料相对比,从而优化基坑工程施工工序,减小基坑工程的时空效应,保护基坑周边历史建筑。

剧院及大堂复杂结构、装饰精细化施工技术,在设计方案和施工阶段都采用了BIM技术,有效的弥补常规施工方法及平面CAD的不足。通过三维扫描来替代常规测量放线,节省时间;通过三维建模建出GRG钢结构基层及顶面各种管道,更直观的找出碰撞点位并进行调整;通过视觉模拟找出钢结构基层外露部分,提出遮蔽方案,优化饰面效果;通过三维坐标的提取来定位及复核双曲异形GRG饰面板;通过调整剖面位置来复核各位置光路图;通过出最终确定结构及饰面出新效果图来替换最初方案设计时的效果图,直接反应现场情况。最终使BIM技术从设计阶段到竣工阶段均有应用,贯穿整个项目,有效的提前规避很多问题,使得后续施工可以顺利进行,同时三维模型的直观性也能更好的直接体现设计师的设计理念和意图,在设计阶段和施工阶段都能带来便利。

单曲变斜率钢筋混凝土墙体施工技术在本项目2#楼铝板幕墙后的结构外墙的运用,通过设计方案的优化、施工定位测量及模板支护方案的优化,以及对于现场施工的控制,最终将该单曲变斜率钢筋混凝土结构墙体顺利完成施工,偏差值基本都在允许范围内,且优化的设计方案和施工方案节约了工程造价,施工的质量也为后续幕墙的施工创造了有利的先行条件。

复杂飘带造型不锈钢壳体结构设计及施工技术,完成了钢结构飘带为不规则的四边形空间曲面壳体单元的安装,为类似工程提供了一定的借鉴意义。

 

项目获2017年度上海市科技进步奖二等奖、2016年度上海市科技进步三等奖、2016年度上海市白玉兰奖工程、2015年度上海市文明工地等共计7项。