由上海建工四建集團有限公司牽頭，上海市機械施工集團有限公司參與的《上海大歌劇院異形結構關鍵建造技術研究》以上海大歌劇院工程建設為背景，研發并形成了新型建筑材料UHPC（Ultra-High Performance Concrete，超高性能混凝土）裝配整體式結構施工工藝，成功攻克了國內首個UHPC材料主體結構——上海大歌劇院核心區超大懸挑超薄結構的建造問題；綜合利用參數化及數字化建造技術，形成了雙螺旋自由曲面混凝土厚殼建造關鍵技術，解決了背景工程異形曲面懸挑結構的建造難題；提出并形成大面積螺旋階梯狀異形鋼結構屋蓋建造關鍵技術，可有效提升大跨度螺旋鋼結構屋蓋的建造效率。

上述研究成果的形成與應用對上海大歌劇院標志性異形屋蓋結構的成功建造起到了關鍵作用，不僅突破了當前結構建造的技術壁壘，為背景工程提供了核心技術支撐，更兼顧了施工可行性、施工效率及經濟性，從根本上保障了上海大歌劇院世界級“城市舞臺”的完美打造。

項目效果圖

結構實景圖

━━━━━ 研發背景

作為上海“十三五”期間規劃建設的重大文化設施項目，上海大歌劇院將成為全面打響“上海文化”品牌建設、落實上海“文創50條”打造亞洲演藝之都的重要載體之一。項目主要由三個歌劇廳（大、中歌劇廳和情境歌劇廳）以及劇院配套用房、教育展示用房組成，建設用地面積5.3萬平方米，總建筑面積14.6萬平方米，地上建筑面積7.5萬平方米、地下建筑面積7.1萬平方米。

上海大歌劇院的建筑外形極具特色，取“中國扇”之意，結合歌劇藝術的動態美感，巨大的白色階梯螺旋上升，延伸到空中，恰似打開的折扇，盡顯中國風之美。

“中國扇”示意圖

然而在大氣磅礴又纖細輕盈的外觀之下，是前所未有的復雜結構，雙螺旋屋面結構對項目建造團隊提出了極為嚴峻的挑戰：

（1）屋面A區需實現梁截面高度不超過725mm的前提下，最大純懸挑長度超15m的超薄懸挑梁板結構，該要求大大突破了現有懸挑結構的跨高比極限；

（2）B區為最大厚度超過1.5m、中心對稱彼此重疊的雙螺旋自由曲面混凝土厚殼結構，相當于在空中建造一個自重極大且難以定位的曲面混凝土大底板，該結構外觀類似大跨度空間曲面殼體結構，施工理論上接近混凝土斜墻，而結構作用相當于廣義柱，因而本質上不屬于目前已有定義的任意一種典型結構構件；

（3）C區D區則是集成四面內傾、雙向懸挑、最高凈空65m、最大跨度27m等諸多苛刻難點的大面積大跨度螺旋鋼屋蓋結構。

上海大歌劇院屋面模型

A區15m懸挑梁板結構

B區雙螺旋自由曲面混凝土結構

上海大歌劇院屋面結構每個區域的建設均是世界級的難題，均存在著一系列當前條件下難以攻克的技術壁壘。為此，本項目針對上海大歌劇院世界首例的雙螺旋非對稱大面積異形UHPC-混凝土-鋼組合屋蓋結構的建造技術進行了系統研究，提出了以UHPC預制為主結合UHPC現澆補缺的異形結構建造方法；形成了適用于房建領域大規模生產的UHPC材料制備及預制/現澆施工技術；研發了自由曲面混凝土厚殼數字化測量技術、空間曲線鋼筋施工工藝、門式鋼框排架曲面混凝土結構支撐體系等曲面混凝土施工技術；研究并形成了超大跨度螺旋式上升鋼屋蓋安裝成套技術。本課題研究成果為背景工程項目按時高質量交付保駕護航，有效助力打造這一文化建筑的巔峰之作。

━━━━━ 技術創新

超大懸挑超薄預應力UHPC扇形結構建造關鍵技術

為了將A區懸挑15m長的梁截面高度控制在725mm以內，項目建設團隊通過采用抗壓強度高達165MPa的UHPC并結合緩粘結預應力打造A區主體結構。

為此，研究團隊提出了以UHPC預制為主結合UHPC現澆補缺的結構建造方法，提出并應用了UHPC-混凝土緩粘結預應力張拉連接節點及混凝土厚殼內插鋼構件互錨結構體系，從理論上解決了UHPC結構實施的可行性問題。

在此基礎上，針對UHPC構件承載力、施工流程和施工工藝不明確的問題，通過進行大規模UHPC構件足尺加載實驗，對UHPC構件及結構全流程施工工藝可行性及穩定性進行探索，研制并形成了適用于房建領域大規模生產的UHPC材料制備及預制/現澆施工技術，直接應用于上海大歌劇院核心區UHPC結構建設中，也是新型建筑材料UHPC在國內房建領域內首次用于打造主要承重結構體系，進一步推動UHPC材料及新型結構體系在建筑工程中的廣泛應用。

UHPC足尺實驗加載

雙螺旋自由曲面混凝土厚殼建造關鍵技術

針對上海大歌劇院核心區B區雙螺旋自由曲面混凝土厚殼建造困難問題，綜合利用數字化深化及數字化測量等技術手段，創新提出并形成了自由曲面參數化優化方法、雙螺旋自由曲面混凝土厚殼結構臨時支撐體系、曲面結構數字化定位技術三大核心技術，從技術上突破了曲面混凝土結構施工壁壘。

自由曲面參數化優化

在此基礎上，又進一步地形成了空間自由曲面混凝土模板體系、空間曲面鋼筋施工工藝、曲面混凝土厚殼對拉螺桿體系、曲面厚殼混凝土現澆技術及曲面混凝土厚殼預應力施工技術等一系列曲面混凝土結構創新型施工技術，從根本上全方位解決了大型曲面混凝土結構的施工問題。

以上各項關鍵技術的應用有效地完成了上海大歌劇院雙螺旋自由曲面混凝土厚殼結構的建造任務，不僅證明了技術的可行性及質量的保證性，更產生了顯著的經濟效益。

定制GFRP曲面大模板

曲面混凝土對拉螺桿

大面積螺旋階梯狀異形鋼結構屋蓋建造關鍵技術

針對上海大歌劇院鋼結構大跨度大屋蓋結構施工效率低下，技術難度高等問題，形成了大跨度不規則屋蓋結構體系安裝技術，通過對鋼屋蓋整體的施工組織進行系統分析、對傳統機械設備進行研發改造等手段，建立了基于計算機仿真模擬施工技術的整套安裝與卸載控制系統，有效提升了鋼屋蓋的建造精度及建造效率。

鋼屋蓋仿真模擬

針對四面內傾、雙向懸挑的超高立面臺塔式鋼桁架，創新自主設計并研發一套完整的組合式臨時支撐體系，實現了懸臂端分段起拱及安裝同步施工的工藝要求，結合計算機仿真模擬技術對卸載階段數據分析，實現雙懸臂臺塔式立面鋼桁架的精準安裝。

胎架支撐體系實施工況圖

━━━━━ 技術成果

研究成果申請發明專利16項，其中已授權1項，形成工法2項，發表科技論文5篇，登記計算機軟件著作權2項。研究成果經中國科學院上海科技查新咨詢中心查新總體達到國際先進水平。

━━━━━ 應用效果

研究成果已在上海大歌劇院項目中進行了成功應用，對UHPC在建筑結構領域的應用推廣起到帶頭示范作用，對超大荷載自由曲面混凝土結構的數字化建造起到行業引領作用，并對空間異形鋼結構的建造積累了寶貴經驗與技術資料，克服了上海大歌劇院特殊建筑造型對結構建造技藝造成的嚴峻挑戰，解決了上海大歌劇院項目大跨異形曲面懸挑結構建設中的諸多難題，確保了建造過程的安全及結構質量的可靠，提高了施工效率，在降本增效方面發揮了顯著作用，保障了上海市重大文化設施項目的順利實施，完美地打造了這一上海市的新文化地標建筑，助力上海市成為新的世界級文化城市。

來源：上海建工科技創新平臺

編輯：陳麗媛

審核：徐潔

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