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中国基建有多牛？看看这届世界杯就知道了 卡塔尔世界杯上有许多的中国元素亮相，被称为中国制造的“军团”。 其中非常有名的就是由中国企业承建的世界杯足球主体育馆：卢赛尔体育场。 它是卡塔尔世界杯开闭式主会场，由中国铁建兴建，创下了中国乃至世界多项记录。 它不仅被卡塔尔元首称赞，还登上了卡塔尔货币的封面，成为卡塔尔的国家名片。  首先它是中国首次以设计和施工总承包的身份承建的世界杯赛场，打破了欧美垄断，此外，它还是世界上规模最大、最先进，拥有最复杂系统体系的专业足球馆。  当然，难度方面也是世界顶级，不仅拥有全球首个使用全生命周期建筑信息模型（BIM）的建筑，而且屋顶的索膜结构几何尺度巨大、造型非常复杂，被中国工程院院士称为“世界上最复杂的索膜结构体系”。 可以说这个主赛场让全世界再次见识到“建筑狂魔”名号，不仅仅是速度快，还能造出世界级别难度的运动场馆。 那么卢赛尔体育场的难度到底有多高，中企又是如何攻克这些困难的呢？今天熊猫就来说说这个被卡塔尔一致称赞的足球馆。 卢赛尔体育场在卡塔尔有着非凡的意义，这是因为卡塔尔国土面积只有1万多平方公里，相当于中国北京那么大，而且人口不多，大约只有200万左右，但是卡塔尔非常希望提升整个国家的形象。  所以在这些年卡塔尔一直在尝试举办大型的国际体育活动，比如2006年的亚运会，2011年亚洲杯足球赛等，而足球是卡塔尔最受欢迎的体育赛事，2010年时，他们成功申请到了“2022年世界杯”的举办权，成为中东国家举办过的最大型的体育盛事。 不论从受欢迎程度，还是从国家整体形象角度来看，足球世界杯在卡塔尔的地位就相当于北京奥运会在中国的地位，因此他们对于世界杯非常的重视，而卢塞尔体育场作为开闭幕式的主体育场馆自然也是万众瞩目，甚至被很多人称为“零号工程”。  当然这个体育场也创下了卡塔尔乃至世界多项记录。 卢塞尔体育场的建筑面积高达19万平方米，可容纳9多名观众，它的结构很像一只“大金碗”，它的设计灵感来自卡塔尔传统椰枣碗的形状演化而来，屋顶是由索网和马鞍型组成，至于外观金色网状纹路则来自于卡塔尔的传统：法纳尔灯笼的饰纹，整个“大金碗”完全融入卡塔尔的民族风情。  所以它一经面世就受到卡塔尔各界的喜爱，不仅登上了卡塔尔的货币，还有邮票、纪念币等周边产品上。 当然这样的一个“金碗”可不好造，它的难度非常高，是全球上最复杂的世界杯主赛馆，它的主体结构可以分为内外两个部分，内部比较简单就是常规的足球赛事看台和比赛用地。 外部结构就非常复杂了，又可以分为球馆屋顶和球馆墙体两部分，屋顶有膜系统、屋面的索网、墙壁V柱、桁架以及墙布，而屋顶和立面结构则由一圈压环连接在一起，然后屋面的重物通过压环，传递到V柱和桁架，再传导到地面，环环相扣缺一不可。  虽然听着简单，但实际上却非常复杂，为了方便理解，我们将卢赛尔球馆也分成两部分来科普。 其中球馆墙壁里，V柱是最主要也是难度非常高的部分。 它相当于一座大楼的承重墙，支撑起整个卢塞尔体育场，因为是由两根钢结构组成，形状像V字形状，所以简称V柱。  整个球馆有48个这样的V柱。重量超过6000吨，最重的V柱可以达到147吨，相当于70多辆小汽车的重量，长度约48米，相当于15层楼的高度，至于顶部的宽度也达到15.5米，所以V柱的体型非常大，我们来看下这张图：人站在它的下面抬头仰望就像是在看摩天大楼，  不过V柱的建造并不难，难得是如何安装。 卢塞尔体育场设计的是“大金碗”的造型，为了满足外观要求，这48个又重又大的V柱，必须做成形状不规则的弯曲构件，像弯凸起的腰部。 因为是不规则的构件，所以它在吊装时难度就凸显出来了，一个是重心很难控制，还有一个是对于精度的控制也很难。 这个道理也很简单，就像平时我们吊起一个方形重物时是很简单的，但是吊起一块圆形或者不规则的重物时，难度就非常大了，不仅需要准备判断它的重心，还要有特殊的“绑法”，而且尺寸和重量越大，起吊的难度也就越高。  而V柱更是如此，它不仅体积大重量重，而且为了和顶部的压环精准对接，它在吊装时需要用超大型起重机吊起来，在空中完成翻身后，让V柱的两根圆柱朝上，才能与顶部的压环精准对接。 这个精准度的要求非常高，根据结构测试，V柱的两个管口误差需要小于或者等于3mm，大概就像一个笔芯的直径大小；管口对接间隙误差也要控制在20mm以内，还不到一根手指头的粗细，而这一切，还是在70m的高空进行操作的，难度非常大，单纯靠人为控制，根本难以完成。  为了解决这一难题，施工人员先是在软件中，对所有构件进行模拟，找出所有构件的重心；然后通过重心位置和几何尺寸确定了几个绳索固定的吊点，但是这个吊点还不够精确，因为在吊装过程中，V柱会受到外界风速的影响，虽然它不影响起吊，但是会影响精准度，所以也需要再次调整。 现场施工人员会对这几个吊点进行多次的尝试，同时还需要技术员实时地对4套千斤顶和吊索的受力情况进行调控，保证几个吊点的索力值偏差在15%以内，只有这样多重保证才能确保整个构件稳稳地安装到位。  最终项目组花费了整整18个小时才完成单个V柱的搭建，所有V柱结构吊装整整花费了4个月时间才完成。 V柱之后，就是建造主体的桁架，它相当于大楼的普通墙，难度并不高，只要填充好就行，这边不展开讲了，倒是桁架的外面幕墙难度非常大。 幕墙就是卢赛尔体育场墙壁的最外层，相当于一栋房子外墙装饰，不过这里的幕墙被设计成卡塔尔的灯笼纹饰，所以它是由金色三角形铝板拼装在主体钢结构上，因为钢结构是弧形的，所以三角形铝板被设计成有弧度的双曲面。 体育场幕墙大概有6万平方米，需要4000多个三角形单元铝板才能铺满。 因为数量众多，如何精准地结合就成了问题，而且这个三角形铝板只有薄薄的一片，是没办法直接与主体结构焊接的，而是需要特殊的连接件作为底板，大概长这样。 根据统计，整个幕墙同样需要4672个连接件，这些连接件不能有丝毫偏差，而且这还不是幕墙的最大难点，由于主体是钢结构，它受到温度和重量等因素的影响会发生形变，而连接件和铝板也是有重量的，也就是说在安装外幕墙的过程中，主体钢结构会因为幕墙本身的重量，随时随地的发生动态形变。 这样就会出现很严重的问题：当你前面的连接件和铝板安装完了，后面因为形变就可能会导致前面排版好的形状发生变形。 所以4672个连接件和4000多个铝板需要在动态中进行精准定位，难度非常高，这个难题在以往几乎是很难解决的。 但是施工团队利用了模拟技术，在不同的施工阶段，对钢结构的形变等进行精准分析，设定控制坐标、以及预留一定余量，解决了这个难题。 这个模拟技术也是世界建筑史上的一次重大突破，我后面再给大家讲解。 幕墙难题攻克后，卢赛尔体育场的主体才算完成任务，然后就是体育馆屋顶部分了，屋面采用的是索网和膜面系统组成。 其中屋面索网又分为索网主结构和次结构，主结构的作用是充当屋顶主要的受力结构，支撑起索网次结构和膜系统，将它们的重力传导给压环和V柱，就像古代屋顶的梁柱一样。 而此结构是由小拱等做成的，它比钢索更密集，作为框架的补充，就像梁柱上方的木条，方便膜系统覆盖，而膜系统则相当于瓦片装饰。 这些结构组合起来的难度，相比于卢赛尔体育场主体建设的难度而言，简直就是有过之而无不及，被工程院院士称为“世界上最复杂的索膜结构体系”。 那么它到底难在哪里呢? 我们来逐个分析一下。 首先屋面索网的最高处为76.6米，相当于25层楼高，南北两侧是马鞍面的低点，但是高度也达到了61米左右，有20层楼高那么高，其中屋面索网跨度达到了274m，比十二车道的大马路还要宽，创下了世界纪录。 在卢塞尔体育场之前，世界上跨度最大的索网结构屋面，也是由中国承建的，它就是中国国家速滑馆“冰丝带”，不过它的跨度也才198米，远低于卢赛尔体育场。 所以索网的钢索在建设时候的难度就非常高。 除此之外，为卢塞尔体育场为了展现卡塔尔特有的椰枣碗形状，所以索网布局并没有像中国“冰丝带”那样横平竖直，而是呈现出略微弯曲弧度，像鱼尾一样的两根钢索交叉在一起。 也就是说，既要跨越世界级的长度，还要保证一定的弧形，那么就对索网的受力情况提出了非常高的要求。 但是这还没完，因为钢索是在70米的空中牵拉受力，而它本身的重量和次结构以及膜的重量都会对索网的受力产生影响，这样难度和操作空间就无限增加了，成为工程中难度最高的项目之一。 为了完成这个任务，设计师将它设计成承受能力更强的菱格索网，索网主结构用由96根主索构成，它一头连接了压环，另外一头链接上下两层的索环，就是这样的（见下图）。然后次网由更密集的小拱钢索等做补充。 最终整个索网用了拱杆624根，水平膜索1152根，支撑起5万多平方的膜面。 这种设计结构复杂，难度就增加很多，因为要撑起整个屋顶，所以它需要固定在精准的位置上。每根钢索的位置都只能有毫米级的误差，而且在安装过程中，索网之间的相互受力，以及屋顶材料的压力，都会导致钢索变形，稍有不慎，甚至会导致屋顶材料的掉落、损伤。 于是项目团队采用了大量的传感器，它可以精准地监控和传递索网的受力情况，团队可以在建设的过程中精细、智能化的施工。 当然这些还只是施工的难度，中国企业在国外承建世界级赛馆遇到的问题，远比我们说的要多得多。 比如施工方面。卢赛尔体育场的要求非常高，它要满足三个重要规范：第一个就是卡塔尔当地规范、第二个是欧美规范、第三个是国际足联规范。 所以施工团队包含世界各国的知名建筑团队，比如澳大利亚Aurecon、英国AFL、越南Aurecon公司等几十家第三方企业参与，堪称一次建筑施工领域的世界杯大赛。 而中国铁建作为总承包商，在项目建设期间，需要统筹协调来自全球15个国家的110家大型分包企业，4600多名中外建设者共同协作，其中带来的沟通问题、技术规范冲突等等，挑战非常大，而且还不幸遇到了疫情问题，各国的企业在不同时段受到了不同的冲击。 不过中企作为总承包商得到的经验和成长也非常多，进一步了解欧美规范和国际赛场的规范，为以后进军欧美打下基础。 除此之外，本次赛场还创下一个记录，那就是全生命周期使用“BIM”技术，BIM是建筑信息模型的意思，是世界建筑行业非常顶尖的技术，号称可以引领世界建筑设计领域的变革。 因为现在的建筑越来越复杂，不仅要求环保，还要符合各种当地的人文风格、以及面向未来的智能化，导致一般设计师已经很难通过简单的软件设计出来。 所以有人就希望通过建立一个三维的数字化模型，它将建筑项目的所有信息纳入到这个模型中，而且这个模型不是静态的，而是随着建筑生命周期的不断发展而逐步发生变化，乃至自行演进。 比如前期的方案、详细的设计、施工图、建造和运营等等，可以不断地将各项信息集成到模型中，因此可以说BIM模型就是真实建筑物在电脑中的数字化记录。 有了它，就可以将建筑工程进行可视化和量化分析，提高工程建设效率，再说得简单点，就是以前那么多数据看着就头疼，但是有了这个模型，就可以将它变成一长串的数据甚至图案，我们看一眼就知道应该建成啥样的，多大的等等。 这个先进的技术是美国BIM之父Chuck Eastman教授在1975年提出来的，后来经过几十年的发展已经成为发达国家乃至世界上先进的技术，很多场馆都采用了这项技术。 这次的卢赛尔球馆也是如此，它由中国、英国等设计团队共同负责设计，整个设计过程充分采用BIM的技术，而且不仅如此，中国团队为了协助铁建顺利完成任务，全程利用BIM进行跟踪和指导，不仅可以检测各类碰撞、提前发现问题、解决问题，还能实现协同作业，可以说参与了整个建设过程。 其中屋顶索网、幕墙等超高难度的项目都有它的参与，卢赛尔也成为世界上首个全BIM生命周期的体育场，并且连续4次获得国内BIM大赛的奖项。 可以说卢赛尔凝聚了中国建筑的心血，也是中国基建走向世界的又一次壮举。而BIM、传感器等先进技术的应用，则帮助中国建筑迈向全面高端化的重要一步。 我们也祝福卡塔尔世界杯圆满结束，祝我们的基建狂魔走向更多的国家，给他们点赞支持吧。 好了，我是熊猫，我们下期见！ |
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