硬核揭秘！上海大歌剧院15米悬挑奇迹：UHPC"超级混凝土"如何撑起世界级曲面穹顶？

由上海建工四建集团有限公司牵头，上海市机械施工集团有限公司参与的《上海大歌剧院异形结构关键建造技术研究》以上海大歌剧院工程建设为背景，研发并形成了新型建筑材料UHPC（Ultra-High Performance Concrete，超高性能混凝土）装配整体式结构施工工艺，成功攻克了国内首个UHPC材料主体结构——上海大歌剧院核心区超大悬挑超薄结构的建造问题；综合利用参数化及数字化建造技术，形成了双螺旋自由曲面混凝土厚壳建造关键技术，解决了背景工程异形曲面悬挑结构的建造难题；提出并形成大面积螺旋阶梯状异形钢结构屋盖建造关键技术，可有效提升大跨度螺旋钢结构屋盖的建造效率。

上述研究成果的形成与应用对上海大歌剧院标志性异形屋盖结构的成功建造起到了关键作用，不仅突破了当前结构建造的技术壁垒，为背景工程提供了核心技术支撑，更兼顾了施工可行性、施工效率及经济性，从根本上保障了上海大歌剧院世界级“城市舞台”的完美打造。

项目效果图

结构实景图

━━━━━ 研发背景

作为上海“十三五”期间规划建设的重大文化设施项目，上海大歌剧院将成为全面打响“上海文化”品牌建设、落实上海“文创50条”打造亚洲演艺之都的重要载体之一。项目主要由三个歌剧厅（大、中歌剧厅和情境歌剧厅）以及剧院配套用房、教育展示用房组成，建设用地面积5.3万平方米，总建筑面积14.6万平方米，地上建筑面积7.5万平方米、地下建筑面积7.1万平方米。

上海大歌剧院的建筑外形极具特色，取“中国扇”之意，结合歌剧艺术的动态美感，巨大的白色阶梯螺旋上升，延伸到空中，恰似打开的折扇，尽显中国风之美。

“中国扇”示意图

然而在大气磅礴又纤细轻盈的外观之下，是前所未有的复杂结构，双螺旋屋面结构对项目建造团队提出了极为严峻的挑战：

（1）屋面A区需实现梁截面高度不超过725mm的前提下，最大纯悬挑长度超15m的超薄悬挑梁板结构，该要求大大突破了现有悬挑结构的跨高比极限；

（2）B区为最大厚度超过1.5m、中心对称彼此重叠的双螺旋自由曲面混凝土厚壳结构，相当于在空中建造一个自重极大且难以定位的曲面混凝土大底板，该结构外观类似大跨度空间曲面壳体结构，施工理论上接近混凝土斜墙，而结构作用相当于广义柱，因而本质上不属于目前已有定义的任意一种典型结构构件；

（3）C区D区则是集成四面内倾、双向悬挑、最高净空65m、最大跨度27m等诸多苛刻难点的大面积大跨度螺旋钢屋盖结构。

上海大歌剧院屋面模型

A区15m悬挑梁板结构

B区双螺旋自由曲面混凝土结构

上海大歌剧院屋面结构每个区域的建设均是世界级的难题，均存在着一系列当前条件下难以攻克的技术壁垒。为此，本项目针对上海大歌剧院世界首例的双螺旋非对称大面积异形UHPC-混凝土-钢组合屋盖结构的建造技术进行了系统研究，提出了以UHPC预制为主结合UHPC现浇补缺的异形结构建造方法；形成了适用于房建领域大规模生产的UHPC材料制备及预制/现浇施工技术；研发了自由曲面混凝土厚壳数字化测量技术、空间曲线钢筋施工工艺、门式钢框排架曲面混凝土结构支撑体系等曲面混凝土施工技术；研究并形成了超大跨度螺旋式上升钢屋盖安装成套技术。本课题研究成果为背景工程项目按时高质量交付保驾护航，有效助力打造这一文化建筑的巅峰之作。

━━━━━ 技术创新

超大悬挑超薄预应力UHPC扇形结构建造关键技术

为了将A区悬挑15m长的梁截面高度控制在725mm以内，项目建设团队通过采用抗压强度高达165MPa的UHPC并结合缓粘结预应力打造A区主体结构。

为此，研究团队提出了以UHPC预制为主结合UHPC现浇补缺的结构建造方法，提出并应用了UHPC-混凝土缓粘结预应力张拉连接节点及混凝土厚壳内插钢构件互锚结构体系，从理论上解决了UHPC结构实施的可行性问题。

在此基础上，针对UHPC构件承载力、施工流程和施工工艺不明确的问题，通过进行大规模UHPC构件足尺加载实验，对UHPC构件及结构全流程施工工艺可行性及稳定性进行探索，研制并形成了适用于房建领域大规模生产的UHPC材料制备及预制/现浇施工技术，直接应用于上海大歌剧院核心区UHPC结构建设中，也是新型建筑材料UHPC在国内房建领域内首次用于打造主要承重结构体系，进一步推动UHPC材料及新型结构体系在建筑工程中的广泛应用。

UHPC足尺实验加载

双螺旋自由曲面混凝土厚壳建造关键技术

针对上海大歌剧院核心区B区双螺旋自由曲面混凝土厚壳建造困难问题，综合利用数字化深化及数字化测量等技术手段，创新提出并形成了自由曲面参数化优化方法、双螺旋自由曲面混凝土厚壳结构临时支撑体系、曲面结构数字化定位技术三大核心技术，从技术上突破了曲面混凝土结构施工壁垒。

自由曲面参数化优化

在此基础上，又进一步地形成了空间自由曲面混凝土模板体系、空间曲面钢筋施工工艺、曲面混凝土厚壳对拉螺杆体系、曲面厚壳混凝土现浇技术及曲面混凝土厚壳预应力施工技术等一系列曲面混凝土结构创新型施工技术，从根本上全方位解决了大型曲面混凝土结构的施工问题。

以上各项关键技术的应用有效地完成了上海大歌剧院双螺旋自由曲面混凝土厚壳结构的建造任务，不仅证明了技术的可行性及质量的保证性，更产生了显著的经济效益。

定制GFRP曲面大模板

曲面混凝土对拉螺杆

大面积螺旋阶梯状异形钢结构屋盖建造关键技术

针对上海大歌剧院钢结构大跨度大屋盖结构施工效率低下，技术难度高等问题，形成了大跨度不规则屋盖结构体系安装技术，通过对钢屋盖整体的施工组织进行系统分析、对传统机械设备进行研发改造等手段，建立了基于计算机仿真模拟施工技术的整套安装与卸载控制系统，有效提升了钢屋盖的建造精度及建造效率。

钢屋盖仿真模拟

针对四面内倾、双向悬挑的超高立面台塔式钢桁架，创新自主设计并研发一套完整的组合式临时支撑体系，实现了悬臂端分段起拱及安装同步施工的工艺要求，结合计算机仿真模拟技术对卸载阶段数据分析，实现双悬臂台塔式立面钢桁架的精准安装。

胎架支撑体系实施工况图

━━━━━ 技术成果

研究成果申请发明专利16项，其中已授权1项，形成工法2项，发表科技论文5篇，登记计算机软件著作权2项。研究成果经中国科学院上海科技查新咨询中心查新总体达到国际先进水平。

━━━━━ 应用效果

研究成果已在上海大歌剧院项目中进行了成功应用，对UHPC在建筑结构领域的应用推广起到带头示范作用，对超大荷载自由曲面混凝土结构的数字化建造起到行业引领作用，并对空间异形钢结构的建造积累了宝贵经验与技术资料，克服了上海大歌剧院特殊建筑造型对结构建造技艺造成的严峻挑战，解决了上海大歌剧院项目大跨异形曲面悬挑结构建设中的诸多难题，确保了建造过程的安全及结构质量的可靠，提高了施工效率，在降本增效方面发挥了显著作用，保障了上海市重大文化设施项目的顺利实施，完美地打造了这一上海市的新文化地标建筑，助力上海市成为新的世界级文化城市。

来源：上海建工科技创新平台

编辑：陈丽媛

审核：徐洁

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