科技日報記者 金鳳
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外觀如同一顆閃亮的鉆石，還會隨著太陽在空中照射的角度變化來改變自身顏色……有“沙漠鉆石”之稱的卡塔爾教育城體育場（以下簡稱教育城體育場）于22日晚迎來它在2022年世界杯的“首秀”。
和其他球迷不同，東南大學土木工程學院教授羅斌的關注點不在球賽。他盯著電視機，不時捕捉一晃而過的體育場屋頂畫面。
教育城體育場是本次世界杯八大主場館之一，可容納4萬多名觀眾，是首個全球可持續發展評估系統GSAS認證的五星級體育場。它的屋蓋鋼結構的制作由上海建工（江蘇）鋼結構有限公司負責，羅斌和東南大學郭正興教授團隊負責制定屋蓋鋼結構的建造技術方案。
“看到體育場為大家奉上精彩的賽事，我們很欣慰。”羅斌說。
鋼屋蓋無支架施工，高效且節約
教育城體育場位于卡塔爾首都多哈附近的阿爾賴揚教育城，由于特殊的造型設計，無論白天還是黑夜，這顆“鉆石”都散發著無與倫比的美麗光澤。
支撐教育城體育場“高顏值”的，是一副堅強而輕巧的身骨。羅斌說，教育城體育場采用了預應力技術的大跨空間結構，能節省結構用鋼量，輕盈地跨越更大的空間。
“該體育場屋蓋為環形索承網格結構，下部的索網承托著上部鋼網殼傳來的重力荷載，并將拉索力傳遞至周圈的外壓環和立柱，其中索網的預拉力使屋蓋處于最佳位置，達到低應力的受力狀態。”羅斌將該教育城體育場的“奧秘”和盤托出。
建筑結構受外荷載，如重力等的影響，會造成結構體內有的部位受壓，有的部位受拉，如果超出一定范圍，建筑結構就會損壞，甚至垮塌。所謂的預應力，指的是在結構受外荷載之前，預先通過技術措施主動在結構內建立有利的應力，以抵消或者削減外荷載的不利效應，使建筑結構更“堅強”。
教育城體育場屋蓋中的預應力主要分布在索網中。羅斌介紹，國內大型體育場的建造中，索承網格結構的應用并不鮮見。施工方往往先搭建體育場的立柱，再在看臺上搭建臨時支撐架，吊裝鋼網殼，最后安裝和張拉索網，來平衡鋼屋蓋的重力荷載。所有施工完成后，拆除臨時支撐架。
“區別于傳統建造方式的是，我們此次在教育城體育場首先安裝立柱及柱頂的一圈外壓環，再將索網張拉錨固在外壓環上，然后吊裝鋼網殼至索網上。”羅斌介紹，這個技術路線可以將鋼屋蓋的重力傳遞給索網，而外壓環又可以抵消索網產生的拉力。
精細化加工，可靠且智慧
建成后的教育城體育場場內檐口高50米，最高最大懸挑跨度約61米。要讓這樣一座龐然大物像圖紙上規劃的一樣不走形，高度還原，挑戰可不小。
“一般來說，建筑結構施工成型后，因為要承受重力荷載，會發生一定程度的變形。我們要克服的挑戰是，將建造過程中結構變形后的尺寸調校，最后精準對標圖紙設計的尺寸。”羅斌以鋼網殼的吊裝舉例，將鋼網殼吊裝至索網上后，由于重量的顯著增加，索網的位置與形狀發生很大變化，所以團隊給索網安裝了下拉配重索。而下拉配重索的拉力也有講究，要剛好能抵消鋼網殼重量對索網的影響，使得索網最終處于設計標高。
除了新型建造方式帶來的新挑戰，特殊的施工環境也讓建設過程必須精益求精。
“卡塔爾高溫炎熱，一般來說，材料升溫后會膨脹。現場的最高施工溫度會達到四十多攝氏度，這對構件的長度會造成影響。所以我們會將所需材料構件在多高溫度下產生多大的力，需要多長的索長等數據，告知國內的廠家，讓他們據此轉化成當地溫度來生產，以減少因材料膨脹帶來的誤差。”羅斌說。
鋼結構也是整個足球場中最重要的一環。教育城體育場總用鋼量約7000噸。這7000噸鋼結構的設計、制作，均來自上海建工（江蘇）鋼結構有限公司。該公司綜合辦公室主任曹建烽介紹，鋼構件制作工藝的多道工序使用機加工以保證鋼結構制作精度，同時采用先進的全站儀以及激光跟蹤技術測量構件，并根據卡塔爾現場的安裝溫度，做溫差補償。
在構件制作完成后，公司還進行了預拼裝，以確保現場安裝質量。“我們采用的預拼裝有實體拼裝和數字化模擬拼裝兩種。前者是對一些精度要求很高的構件，進行實體拼裝，以模擬現場安裝的情形，確保安裝質量；而后者則是對于一些龐大而重要的構件，使用全站儀進行取點掃描，再利用這些數據建立模型模擬比對，判斷是否符合建筑標準。利用數字化模擬預拼裝技術，可以解決實體拼裝的場地瓶頸，節省成本，提高效率。”曹建烽說。
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