深圳大運(yùn)中心體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)介紹

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深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院:劉瓊祥院長(zhǎng)
 
劉瓊祥：大家下午好！今天跟大家交流一下深圳大運(yùn)中心體育場(chǎng)設(shè)計(jì)的過(guò)程。我想講兩點(diǎn)，我們的方案出來(lái)了以后，很多專家是提出了一些異議的，也就是說(shuō)這個(gè)結(jié)構(gòu)方案到底行不行，因此進(jìn)行了很長(zhǎng)時(shí)間的討論和研究。

在這個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中整個(gè)時(shí)間是比較長(zhǎng)的。深圳大運(yùn)中心體育場(chǎng)鋼屋蓋充分發(fā)揮了鋼管受拉，它的主要特點(diǎn)是將單層的、三角層的網(wǎng)格通過(guò)空間傳遞的方法來(lái)使它不成為單層折面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這個(gè)是在過(guò)去碰到的。應(yīng)該說(shuō)在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中做了很多的探討。這里面的特點(diǎn)就是一個(gè)是單層，單層是承受不了壓力的，從而使空間折面的方法。

下面再介紹一下功能開(kāi)發(fā)。深圳市世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)員體育中心位于深圳龍崗區(qū)，占地1.2平方公里，包括主體育場(chǎng)、體育館、游泳館以及其他達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的體育設(shè)施。建成后將作為2011年世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)的主場(chǎng)館。三個(gè)場(chǎng)館同中心廣場(chǎng)相連，與周圍自然環(huán)境渾然一體。

這個(gè)體育場(chǎng)館有它一個(gè)特殊的原因，在當(dāng)初申辦這個(gè)體育場(chǎng)館的時(shí)候，深圳市并不打算要怎么樣申辦的，當(dāng)時(shí)國(guó)家考慮到跟臺(tái)灣的關(guān)系，臺(tái)灣當(dāng)時(shí)也開(kāi)這樣大的學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)，在這種情況下很著急，急急忙忙就設(shè)在深圳市，要不惜花一切代價(jià)做好，現(xiàn)在看來(lái)應(yīng)該說(shuō)這個(gè)體育場(chǎng)花了相當(dāng)大的成本，這個(gè)成本以后統(tǒng)計(jì)下來(lái)再告訴大家。

體育場(chǎng)有如一顆源于自然、又超乎自然、棱角分明、晶瑩剔透的水晶石，由形狀各各異的三角形網(wǎng)格多種傾斜姿態(tài)交替彎折，互相聯(lián)系在一起。體育場(chǎng)屋蓋采用單層折面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，固定座位可容納6萬(wàn)多人，屋蓋懸挑長(zhǎng)度在不同區(qū)域分別為51.9米、68.4米，屋蓋結(jié)構(gòu)形狀為馬鞍形。

這是背景圖。這是285米，270米。主結(jié)構(gòu)桿件主要是以圓管為主，大部分直徑是70到1200毫米，局部是1400毫米，次桿件為焊接箱型斷面，高度450到600毫米，主結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)和焊接節(jié)點(diǎn)，次桿件與主桿件采用剛性連接。整個(gè)鋼屋蓋與混凝土看臺(tái)完全脫開(kāi)，由20個(gè)球鉸支座支承，球鉸支座支承座落在標(biāo)高6米鋼筋混凝土平臺(tái)上。屋面板材選料選用自重較輕的聚碳酸酯板。

下面講一下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。大運(yùn)中心體育場(chǎng)采用了單層折面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)體系充分發(fā)揮了鋼管的受拉受壓特性，將單層三角形網(wǎng)格通過(guò)空間折面的方法，把形狀各異的三角性網(wǎng)格以多種傾斜角度組合在一起而形成。此結(jié)構(gòu)形狀輕巧，空間作用顯著，但傳力復(fù)雜，整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定問(wèn)題突出，設(shè)計(jì)中對(duì)結(jié)構(gòu)形狀尺寸之大、側(cè)向剛度要求非常高。

三角型網(wǎng)格。三角形主桿的四分點(diǎn)處布置次結(jié)構(gòu)桿件，相互交錯(cuò)形成網(wǎng)格。是這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)。里面的次桿僅僅承受以后的雨水荷載、風(fēng)雪荷載。

為了方便大家了解，我們把節(jié)點(diǎn)命名。單層折面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的凸點(diǎn)、凹點(diǎn)等構(gòu)成整個(gè)結(jié)構(gòu)形狀的控制點(diǎn)。這是冠谷點(diǎn)、肩峰點(diǎn)、肩谷點(diǎn)。

在樓面上紅色的表示的是壓力，藍(lán)色的是拉力，每一根桿子都是受力的。

下面講一下節(jié)點(diǎn)。該體系的特點(diǎn)是：建筑形狀控制點(diǎn)十分突出，該部位是桿件的節(jié)點(diǎn)交匯處，最多處有十根桿件相交匯。給焊接帶來(lái)了很大的困難。焊縫重疊、應(yīng)力集中，焊接質(zhì)量難以保證。因此部分節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)，對(duì)于形式比較簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)采用焊接節(jié)點(diǎn)。

下面講一下球形支座，體育場(chǎng)共有20個(gè)球形支座，將支座做成球鉸支承，釋放彎矩作用，避免混凝土構(gòu)件受彎，同時(shí)，為抵抗支座的水平推力，將支座頂面做成一個(gè)斜面。應(yīng)該說(shuō)我們體育場(chǎng)20個(gè)支座是比較少的，但是沒(méi)辦法，不做也得做，做也得做。

鋼屋蓋的設(shè)計(jì)。鋼屋蓋的屋頂呈現(xiàn)的是水晶石，是由不同尺寸的單層三角形網(wǎng)格按一定的傾斜角彎折后組成的。每個(gè)結(jié)構(gòu)單元內(nèi)主桿無(wú)一根冗余桿件。結(jié)構(gòu)單元之間受建筑影響側(cè)向無(wú)任何約束，給設(shè)計(jì)工作提出了挑戰(zhàn)。初步設(shè)計(jì)通過(guò)計(jì)算分析、研討，對(duì)結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行了調(diào)整（簡(jiǎn)稱找形），同時(shí)在不影響建筑效果的地方，加強(qiáng)側(cè)向連接，整體實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、合理性、抗風(fēng)、抗震性能有了本質(zhì)的改善。

首先我們看一下結(jié)構(gòu)找形。一個(gè)是支座位置。支座點(diǎn)的外移與肩峰點(diǎn)垂直，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)體系平面布置更合理，調(diào)整了豎直的支柱傾角，增大了抗整體傾覆力臂，提高抗整體傾覆的能力。大家看一下這個(gè)圖，下面是找形后的幾何形狀，上面是找形前的幾何形狀。

減少內(nèi)、外環(huán)高低差分析。內(nèi)、外環(huán)的高低差也是有一定范圍的。在做方案的時(shí)候我們感覺(jué)到，匆匆忙忙地做出來(lái)了以后，引發(fā)了高低差太大了的問(wèn)題，后來(lái)經(jīng)過(guò)了多次分析發(fā)現(xiàn)了一系列問(wèn)題，高看臺(tái)部分相應(yīng)屋面懸挑較大，但是，高看臺(tái)部分建筑需要開(kāi)闊的視野，需要向上起拱，其實(shí)結(jié)構(gòu)也需要懸挑大的地方起拱多一些。因此，的確需要合理的馬鞍形屋面。但是內(nèi)、外環(huán)高差過(guò)大，荷載增大引起拱推力增大。高低差過(guò)小，也是不合理的。一定范圍內(nèi)的合理高低差是十分重要的。計(jì)算表明：內(nèi)外高低差由13.6米降到8.57米。

第三個(gè)方面，冠峰點(diǎn)適當(dāng)外移。使細(xì)長(zhǎng)壓桿長(zhǎng)度從53米減少到48米，受力趨向合理，增肩谷冠谷—桿與肩峰—冠谷桿間夾角，使其作用更有效，利用施工。

適當(dāng)加大冠峰、冠谷之間的高差。冠峰、冠谷之間高差從8.5米調(diào)整到了10.7米，且內(nèi)環(huán)梁直徑從600毫米提高到了800毫米，提高了整體承載力及屋面前端的面外剛度和整體性。

側(cè)向剛度設(shè)計(jì)問(wèn)題：實(shí)際上最早很多專家提出的方案能不能成立的問(wèn)題。當(dāng)時(shí)在這個(gè)問(wèn)題上討論的時(shí)間是相當(dāng)長(zhǎng)的。現(xiàn)在看來(lái)這個(gè)問(wèn)題好像是比較簡(jiǎn)單的。但是由于德國(guó)人的堅(jiān)持，由于很多專家的意見(jiàn)不同，應(yīng)該說(shuō)有好幾次比較大的爭(zhēng)論。結(jié)構(gòu)單元內(nèi)主桿無(wú)一冗余桿件，作了一些改進(jìn)：第一個(gè)是聯(lián)通馬道。同時(shí)20個(gè)支座的鋼筋混凝土平臺(tái)環(huán)形剛度適當(dāng)加大，減少鋼筋混凝土的變形對(duì)上部鋼屋面的影響。還有增設(shè)一道肩谷環(huán)，肩谷環(huán)加上同時(shí)增加了結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的性能要求。

第四個(gè)方面是位移、周期控制。一方面是位移主要表現(xiàn)在使用的要求，以及與圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的變形、人的觀感等有關(guān)。但也是結(jié)構(gòu)的剛度承載能力的另一種表現(xiàn)形式。周期結(jié)構(gòu)固有的動(dòng)力特性與結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量分布有關(guān)。

通過(guò)整體穩(wěn)定分析、局部穩(wěn)定分析、風(fēng)時(shí)程分析、大震下彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析、節(jié)點(diǎn)分析、整體、節(jié)點(diǎn)模型實(shí)驗(yàn)、多次組織國(guó)內(nèi)知名專家研討，確定了合理的結(jié)構(gòu)控制性能指標(biāo)。大運(yùn)中心體育場(chǎng)其桿件受到原設(shè)計(jì)方案控制。

我們?cè)O(shè)計(jì)有幾點(diǎn)感受：第一，本工程采用了單層折面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，超大跨度，中間開(kāi)洞大，使得這一創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜。第二，找形工作十分重要。在深圳這種臺(tái)風(fēng)特大地區(qū)，控制合理的自振周期是必要的。

謝謝大家！