鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院:范重副總工程師
 
范重：各位專(zhuān)家，各位同行，大家下午好！非常高興今天能夠有機(jī)會(huì)來(lái)這里跟大家介紹以可開(kāi)合屋面為特點(diǎn)的體育場(chǎng)。聽(tīng)了前面各位介紹以后，我感覺(jué)很有收獲。

介紹分這么幾個(gè)內(nèi)容：工程概況、結(jié)構(gòu)體系、技術(shù)難點(diǎn)、混凝土結(jié)構(gòu)、固定屋蓋、巨拱與鋼索、空間移動(dòng)式活動(dòng)蓋，最后把一個(gè)最新投標(biāo)的工程跟大家介紹一下。

大家知道鄂爾多斯是我們國(guó)家北方經(jīng)濟(jì)非常發(fā)達(dá)的地區(qū)，目前的建設(shè)量非常大。這個(gè)體育場(chǎng)的規(guī)模是45000人，最近規(guī)模有一點(diǎn)調(diào)整，面積是86萬(wàn)多平方米，它的特點(diǎn)是有一個(gè)可開(kāi)合的屋頂，滿足全天候使用。

建筑造型的話，大家看到這是建筑的效果圖。這里還有主體的體育場(chǎng)，分為游泳館、體育場(chǎng)和會(huì)館，是一個(gè)一場(chǎng)三館的體育中心，這是一個(gè)建筑的效果圖。這是另外一個(gè)側(cè)面，這是一個(gè)平面的布置，平面的布置靠西側(cè)的是我們主體育場(chǎng)，靠旁邊的類(lèi)似于飄帶，在內(nèi)蒙古，含義是哈達(dá)。這是另外三個(gè)館，這是建筑的平面，基座層主要是一些運(yùn)動(dòng)員的服務(wù)，停車(chē)、辦公的區(qū)域。從二層開(kāi)始是一些功能的房間，一些零售店、衛(wèi)生間。已經(jīng)出現(xiàn)看臺(tái)了，在上面主要是以觀眾席為主，觀眾坐席。屋頂可開(kāi)啟的部分是在中間，旁邊是軌道。這是建筑的立面剖面圖。這是我們的大拱立面，這是側(cè)面。

我們介紹一下結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)體系有幾個(gè)特點(diǎn)：一個(gè)是混凝土結(jié)構(gòu)采用了一種框架、鋼架混合的結(jié)構(gòu)體系。預(yù)制看臺(tái)采用混凝土的看臺(tái)。這是基座層結(jié)構(gòu)布置的情況。這是二層，這是三層，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)我們采用了灌注樁技術(shù)。在旁邊的部分用獨(dú)立的基礎(chǔ)，不用聯(lián)合的基礎(chǔ)，通過(guò)后澆帶來(lái)達(dá)到一個(gè)最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性，比較有特點(diǎn)的是巨拱的基礎(chǔ)，我們?cè)诠暗膬啥烁饔?5根樁，而且埋深是比較深的，相應(yīng)還有一些控制指標(biāo)，水平推力作用下的水平位移控制是我們關(guān)注的問(wèn)題。

對(duì)于帶有活動(dòng)蓋的部分我們要確定一下哪一個(gè)是固定的蓋，哪一個(gè)是活動(dòng)的蓋，這是一個(gè)三維的圖，我們固定的蓋是由三種構(gòu)件來(lái)組成的。一個(gè)是兩個(gè)平行的主桁架，又叫軌道桁架?？梢钥吹贸鰜?lái)主桁架，跟它垂直的方向我們叫次桁架，周邊一圈叫環(huán)向桁架，跨越整個(gè)體育場(chǎng)，南北方向是一個(gè)巨拱，拱的跨度非常大，達(dá)到330米，最大高度是120米，這個(gè)拱是傾斜的，傾斜的角度是6.1度，我們也曾經(jīng)跟建筑師來(lái)商量，我們說(shuō)這個(gè)拱的傾斜會(huì)造成施工、設(shè)計(jì)各方面的復(fù)雜性，特別是可開(kāi)啟屋蓋是非常關(guān)鍵的，如果是拱傾斜的話就形成不對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，要控制起來(lái)就非常困難。包括索的控制，難度就大大增加了，但是經(jīng)過(guò)反復(fù)的磋商，說(shuō)白了就是討價(jià)還價(jià)，最后建筑師把拱的傾斜角度逐漸地縮小了，最后最小他們認(rèn)為是6.1度，不能再讓步了。

我們一共有25組鋼索。在主桁架的旁邊設(shè)定了一個(gè)上反的三角形桁架，這個(gè)桁架一個(gè)是設(shè)置索的吊點(diǎn)，再一個(gè)是形成比較高的端面。這個(gè)比較高的端面再加上索的提拉力就控制了軌道的變形，將來(lái)運(yùn)行的可靠性就可以得到一個(gè)基本提升。當(dāng)然還有一些其他的措施。

這個(gè)建設(shè)地點(diǎn)是在內(nèi)蒙古的鄂爾多斯市，靠近包頭的地方，這個(gè)地方的氣侯特點(diǎn)是干燥、寒冷、無(wú)霜期長(zhǎng)，最低溫度接近零下30度，這個(gè)是我們首要克服的難題，首先要克服超長(zhǎng)的混凝土結(jié)構(gòu)不適合帶來(lái)的問(wèn)題，還有一些鋼結(jié)構(gòu)在溫差很大的條件下怎么樣來(lái)控制溫度，這是我們?cè)O(shè)計(jì)當(dāng)中的一些難題。

我們?cè)谡麄€(gè)設(shè)計(jì)分析過(guò)程當(dāng)中討論了常規(guī)的荷載和效應(yīng)。這個(gè)工程大家看一下這個(gè)體系比較特殊，我們也做了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。我們比較了活動(dòng)蓋閉合、開(kāi)啟，還有半開(kāi)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的分布情況。一般帶開(kāi)合屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)有一個(gè)狀態(tài)，雖然局部屋頂是可以開(kāi)啟的，但是這個(gè)狀態(tài)平常是打開(kāi)的，是一個(gè)常開(kāi)狀態(tài)，這個(gè)跟它的使用率是分不開(kāi)的，原因是因?yàn)橐话阈灾黧w育場(chǎng)主要是足球比賽、田徑比賽，足球比賽需要草坪，草坪需要陽(yáng)光，所以這時(shí)候是常開(kāi)狀態(tài)，體育比賽場(chǎng)地都在露天的情況下，所以這個(gè)場(chǎng)的定位是常開(kāi)狀態(tài)，雖然可以關(guān)閉，但是狀態(tài)是常開(kāi)的，不過(guò)也遇到一些難題，比如說(shuō)消防是算室內(nèi)，還是室外呢，這個(gè)很難說(shuō)服專(zhuān)家說(shuō)室外的場(chǎng)，很多時(shí)候要按照關(guān)閉的時(shí)候來(lái)采取措施，還有很多類(lèi)似的問(wèn)題，主要是這類(lèi)的場(chǎng)館數(shù)量還比較少，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的規(guī)章規(guī)程。

我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)很有趣的現(xiàn)象，當(dāng)?shù)氐膱?chǎng)館活動(dòng)屋面在全閉狀態(tài)下形成了一個(gè)球冠的狀態(tài)，球冠的半徑為360米，開(kāi)啟了以后不但效應(yīng)小，風(fēng)荷載絕對(duì)直徑小，所以我覺(jué)得我們從管理規(guī)定上有相應(yīng)的要求，在風(fēng)等級(jí)情況下要把這個(gè)活動(dòng)屋面處于一個(gè)開(kāi)啟的狀態(tài)，這是一個(gè)很重要的措施。如果是關(guān)閉狀態(tài)的話付出的代價(jià)是比較大的，用各方面的指標(biāo)控制起來(lái)都比較困難一些。

地震作用的話我們做了很多很多的比較。根據(jù)各個(gè)構(gòu)件的重要性提出了各個(gè)不同部位的抗震性能指標(biāo)。大拱的重要性無(wú)疑是非常高的，特別是是拱角的部分，還有一些部位是支撐屋蓋環(huán)向不可缺少的部分。這是有一個(gè)斜柱。我們需要做時(shí)程分析，我們選了三種，這個(gè)工程技術(shù)難點(diǎn)有這么幾個(gè)：

第一個(gè)，結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜。實(shí)際上我們?cè)谠O(shè)計(jì)當(dāng)中也引入了調(diào)整的概念，我們是一個(gè)單拱，而且是一個(gè)單斜拱。

第二個(gè)，考慮到使用功能和支撐蓋的關(guān)系。在這么溫差大的地區(qū)，這么干燥、寒冷的地區(qū)采取什么措施才可以保證結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性是我們需要考慮的。

我們這個(gè)在面內(nèi)的剛度很大，面外的話是330米的拱，斷面只有5米寬，5米到8米高，所以是一個(gè)柔性結(jié)構(gòu)，柔性結(jié)構(gòu)的話怎么樣去安裝、調(diào)試，怎么樣調(diào)整是需要解決的問(wèn)題。

這里有很多很詳細(xì)的結(jié)果。和一般屋蓋不一樣的地方計(jì)算分析內(nèi)容要更多，打開(kāi)狀態(tài)、閉合狀態(tài)、過(guò)程狀態(tài)，這是跟一般設(shè)計(jì)最不一樣的地方，這個(gè)是非常關(guān)鍵的地方。由于我們有一個(gè)大拱通過(guò)索來(lái)提拉，所以整個(gè)屋蓋的鋼度得到了明顯的增強(qiáng)。

還有一個(gè)是開(kāi)和合的狀態(tài)，它的動(dòng)力特性是完全不一樣的。我們可以比較一下，在關(guān)閉的狀態(tài)下我們的周期是1.8秒，在開(kāi)啟的狀態(tài)下是1.6秒多，開(kāi)啟的狀態(tài)剛度略大，地震效應(yīng)略大，這是它的一個(gè)特點(diǎn)。

這是前幾個(gè)周期振型情況，跟拱相關(guān)的振型比較多，很多專(zhuān)家擔(dān)心大拱的穩(wěn)定性，單拱怎么樣來(lái)穩(wěn)定。

罕遇地震，罕遇地震的分析，確定各種構(gòu)件性能指標(biāo)，這是構(gòu)件的特點(diǎn)。

發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題也不要緊張，有一些問(wèn)題是可以加強(qiáng)的，這是分析的目的。主要難題是怎么樣去克服后期收縮和溫差造成混凝土開(kāi)裂潛在的隱患，我們根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件進(jìn)行了分析，取得了很多資料，我們分析了它的年平均溫度、月平均溫度、日平均溫度，最后我們發(fā)現(xiàn)了，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，控制它后期收縮應(yīng)力有一個(gè)統(tǒng)稱(chēng)，收縮主要是前期的收縮，后期的溫度應(yīng)力，我們統(tǒng)稱(chēng)為收縮溫度應(yīng)力。

溫差怎么算呢，我們覺(jué)得用極端的溫度好像對(duì)鋼結(jié)構(gòu)比較適合，對(duì)混凝土來(lái)說(shuō)用日溫度太嚴(yán)了一點(diǎn)，所以用了周溫度，周的平均溫度來(lái)作為我們溫度應(yīng)力計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)。很多數(shù)據(jù)是這樣的，這個(gè)氣象數(shù)據(jù)最全的是美國(guó)海軍的氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，用于軍事目的。我們民用行業(yè)實(shí)際上很難去搜集，我們從他們數(shù)據(jù)庫(kù)里拷一個(gè)光盤(pán)，最后數(shù)據(jù)庫(kù)公開(kāi)了。這是當(dāng)?shù)刂艿臏囟茸兓?，這是月的溫度變化。

混凝土結(jié)構(gòu)就不一樣了，我們提出了一個(gè)叫等效負(fù)溫差的觀點(diǎn)，我相信大家都是這么做的。混凝土的伸縮和后期使用的溫度應(yīng)力組成，一個(gè)是前期收縮，現(xiàn)在公認(rèn)的是后澆帶封閉之前能夠完成30%左右的收縮量，所以應(yīng)該說(shuō)這個(gè)收縮量對(duì)于后期來(lái)講還不是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。如果兩個(gè)月后澆帶封閉以后，后期仍然有不少的收縮應(yīng)變?cè)诶锩妗?/p>

另外要考慮一下使用階段的溫差?？梢酝ㄟ^(guò)混凝土的特性來(lái)折減，一般折減系數(shù)是0.3到0.4，可以算出正負(fù)溫差，因?yàn)闀r(shí)間的關(guān)系只能簡(jiǎn)單講一下。對(duì)于基礎(chǔ)來(lái)講我們主要做了很多工作。

看臺(tái)結(jié)構(gòu)比較有特點(diǎn)，是一個(gè)力度感很強(qiáng)的鋼架，像一個(gè)鋼架一樣，這個(gè)最初不是結(jié)構(gòu)工程師提出來(lái)的，它外面的外結(jié)構(gòu)，但是這個(gè)項(xiàng)目是我們?cè)鹤约旱姆桨?，總建筑師崔凱建筑大師的方案，加了一些斜的構(gòu)件。我們?cè)诳磁_(tái)上面有一個(gè)凸出來(lái)的短柱，這個(gè)有長(zhǎng)有短，短的是0，長(zhǎng)的是3、4米這樣，這一段構(gòu)件的可靠性對(duì)屋頂?shù)陌踩灾陵P(guān)重要。這是幾個(gè)剖面，每個(gè)剖面都不一樣，每個(gè)剖面略有差別。

比較有特點(diǎn)的是看臺(tái)斜梁和內(nèi)斜柱。這是一個(gè)溫度應(yīng)力的計(jì)算。這是一些對(duì)于構(gòu)件截面的分析，可靠性的分析。對(duì)于這個(gè)大拱，主要穩(wěn)定分析，我們分為彈性分析和彈性幾何分析。我們所有的分析都分開(kāi)和閉兩個(gè)分開(kāi)的狀態(tài)，很多計(jì)算長(zhǎng)度取值是不對(duì)的，大拱很大，但是它的斜桿浮桿比較小，所以大拱的計(jì)算長(zhǎng)度是比較長(zhǎng)的，大拱的長(zhǎng)度并不是它的計(jì)算長(zhǎng)度，做了很多節(jié)點(diǎn)。

斷索分析?，F(xiàn)在很多是不可預(yù)知，特別是對(duì)索結(jié)構(gòu)來(lái)講有一個(gè)更換的問(wèn)題，如果沒(méi)有支撐的話兩邊肯定不平衡，所以我們考慮了兩根索段的情況。

鋼索的分析，鋼索分析的話實(shí)際上有很多種，鋼索是我們建筑部門(mén)、建筑結(jié)構(gòu)工程師不是很熟悉的，它的特點(diǎn)是柔性材料，包括長(zhǎng)度控制都不太一樣，因?yàn)槲覀兊乃鏖L(zhǎng)是60米到80米，所以它的頻率很長(zhǎng)，2秒多，需要控制它的溫波頻率、風(fēng)雨、地震。有一些驗(yàn)證后沒(méi)有問(wèn)題就OK了，有一些要采取措施。

索內(nèi)力的控制是我們不能讓它松馳，最大的耐力控制到0.4。因?yàn)楣笆切钡模詢(xún)蓚?cè)的索是不一樣的，我們叫A側(cè)、B側(cè)，A軌道、B軌道，這里面費(fèi)了很大的勁。

鳥(niǎo)巢最初的基本遷移方式是這樣的，是一個(gè)索驅(qū)動(dòng)，但是它的固定點(diǎn)在中間和兩邊，帶一個(gè)絞盤(pán)，是這么一個(gè)驅(qū)動(dòng)的方式，為了避免卡軌，把一邊的固定屋面分成5個(gè)塊，我們這次總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)轼B(niǎo)巢的方案并沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)，我們這次實(shí)際上有幾個(gè)方面的改進(jìn)。一個(gè)是相對(duì)開(kāi)口面增大了，要盡量地開(kāi)大口，第二個(gè)是用索和拱的方式來(lái)加強(qiáng)軌道。這里有很多計(jì)算分析，它的性能應(yīng)該跟普通的構(gòu)件是大不一樣的。18分鐘可以打開(kāi)，或者是關(guān)閉，它有很多計(jì)算分析的情況，這是剛才關(guān)閉的情況，這是打開(kāi)的情況。

牽引的方式采用全新的方式，我們提出一個(gè)辦法，左邊的活動(dòng)蓋是通過(guò)右邊的索來(lái)做的，這是一個(gè)轉(zhuǎn)向滑輪，像剛才是絞上去，要么是頂上去，現(xiàn)在這種就很順暢。這是一個(gè)局部的。

施工起來(lái)實(shí)際上是很麻煩的，特別是索，索需要三次調(diào)整才可以到位，為了說(shuō)明問(wèn)題我們演示一下，固定屋蓋完成了以后，支撐拱的塔架還需要有一個(gè)臨時(shí)的索拉到地面，拉到地面以后再卸載，卸載以后安裝，這樣可以得到有效的控制。是在閉合的狀態(tài)下安裝，安裝了以后再調(diào)整。

把我們最新的折疊式活動(dòng)蓋給大家演示一下。我通過(guò)這個(gè)介紹想聽(tīng)取一下大家的意見(jiàn)，我們是一個(gè)國(guó)家網(wǎng)球中心的新館，是為了舉辦中網(wǎng)比賽，“中網(wǎng)”是繼“法網(wǎng)”、“奧網(wǎng)”之后的第五大賽事，想升級(jí)成國(guó)際大賽，這樣需要有一個(gè)活動(dòng)屋頂全天候的場(chǎng)，這個(gè)叫什么了，突然忘了，叫花之蓮吧，提出了這么一個(gè)方案，我們的屋蓋面積比較小，直徑只有140米，所以開(kāi)啟率定在50%，中間采用一點(diǎn)折疊式的活動(dòng)蓋，這個(gè)折疊式的活動(dòng)蓋在旁邊采用一個(gè)三層網(wǎng)架，屋蓋折疊以后完全隱藏在二層網(wǎng)蓋的中間，拉開(kāi)以后全部折疊。我們也進(jìn)行了一些計(jì)算分析，這是它的一個(gè)動(dòng)畫(huà)，振型的動(dòng)畫(huà)。這就是我們活動(dòng)蓋的部分，這個(gè)是固定蓋的部分。

好的。謝謝大家！