鄂爾多斯東勝體育場開合屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計

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中國建筑設(shè)計研究院:范重副總工程師
 
范重：各位專家，各位同行，大家下午好！非常高興今天能夠有機會來這里跟大家介紹以可開合屋面為特點的體育場。聽了前面各位介紹以后，我感覺很有收獲。

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

大家知道鄂爾多斯是我們國家北方經(jīng)濟非常發(fā)達的地區(qū)，目前的建設(shè)量非常大。這個體育場的規(guī)模是45000人，最近規(guī)模有一點調(diào)整，面積是86萬多平方米，它的特點是有一個可開合的屋頂，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，分為游泳館、體育場和會館，是一個一場三館的體育中心，這是一個建筑的效果圖。這是另外一個側(cè)面，這是一個平面的布置，平面的布置靠西側(cè)的是我們主體育場，靠旁邊的類似于飄帶，在內(nèi)蒙古，含義是哈達。這是另外三個館，這是建筑的平面，基座層主要是一些運動員的服務(wù)，停車、辦公的區(qū)域。從二層開始是一些功能的房間，一些零售店、衛(wèi)生間。已經(jīng)出現(xiàn)看臺了，在上面主要是以觀眾席為主，觀眾坐席。屋頂可開啟的部分是在中間，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)體系有幾個特點：一個是混凝土結(jié)構(gòu)采用了一種框架、鋼架混合的結(jié)構(gòu)體系。預(yù)制看臺采用混凝土的看臺。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)計我們采用了灌注樁技術(shù)。在旁邊的部分用獨立的基礎(chǔ)，不用聯(lián)合的基礎(chǔ)，通過后澆帶來達到一個最優(yōu)的經(jīng)濟性，比較有特點的是巨拱的基礎(chǔ)，我們在拱的兩端各有35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)注的問題。

對于帶有活動蓋的部分我們要確定一下哪一個是固定的蓋，哪一個是活動的蓋，這是一個三維的圖，我們固定的蓋是由三種構(gòu)件來組成的。一個是兩個平行的主桁架，又叫軌道桁架?？梢钥吹贸鰜碇麒旒?，跟它垂直的方向我們叫次桁架，周邊一圈叫環(huán)向桁架，跨越整個體育場，南北方向是一個巨拱，拱的跨度非常大，達到330米，最大高度是120米，這個拱是傾斜的，傾斜的角度是6.1度，我們也曾經(jīng)跟建筑師來商量，我們說這個拱的傾斜會造成施工、設(shè)計各方面的復(fù)雜性，特別是可開啟屋蓋是非常關(guān)鍵的，如果是拱傾斜的話就形成不對稱的結(jié)構(gòu)，要控制起來就非常困難。包括索的控制，難度就大大增加了，但是經(jīng)過反復(fù)的磋商，說白了就是討價還價，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)定了一個上反的三角形桁架，這個桁架一個是設(shè)置索的吊點，再一個是形成比較高的端面。這個比較高的端面再加上索的提拉力就控制了軌道的變形，將來運行的可靠性就可以得到一個基本提升。當(dāng)然還有一些其他的措施。

這個建設(shè)地點是在內(nèi)蒙古的鄂爾多斯市，靠近包頭的地方，這個地方的氣侯特點是干燥、寒冷、無霜期長，最低溫度接近零下30度，這個是我們首要克服的難題，首先要克服超長的混凝土結(jié)構(gòu)不適合帶來的問題，還有一些鋼結(jié)構(gòu)在溫差很大的條件下怎么樣來控制溫度，這是我們設(shè)計當(dāng)中的一些難題。

我們在整個設(shè)計分析過程當(dāng)中討論了常規(guī)的荷載和效應(yīng)。這個工程大家看一下這個體系比較特殊，我們也做了風(fēng)洞實驗。我們比較了活動蓋閉合、開啟，還有半開狀態(tài)下結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的分布情況。一般帶開合屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)有一個狀態(tài)，雖然局部屋頂是可以開啟的，但是這個狀態(tài)平常是打開的，是一個常開狀態(tài)，這個跟它的使用率是分不開的，原因是因為一般性主體育場主要是足球比賽、田徑比賽，足球比賽需要草坪，草坪需要陽光，所以這時候是常開狀態(tài)，體育比賽場地都在露天的情況下，所以這個場的定位是常開狀態(tài)，雖然可以關(guān)閉，但是狀態(tài)是常開的，不過也遇到一些難題，比如說消防是算室內(nèi)，還是室外呢，這個很難說服專家說室外的場，很多時候要按照關(guān)閉的時候來采取措施，還有很多類似的問題，主要是這類的場館數(shù)量還比較少，沒有專門的規(guī)章規(guī)程。

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

地震作用的話我們做了很多很多的比較。根據(jù)各個構(gòu)件的重要性提出了各個不同部位的抗震性能指標(biāo)。大拱的重要性無疑是非常高的，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。這是有一個斜柱。我們需要做時程分析，我們選了三種，這個工程技術(shù)難點有這么幾個：

第一個，結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜。實際上我們在設(shè)計當(dāng)中也引入了調(diào)整的概念，我們是一個單拱，而且是一個單斜拱。

第二個，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)整是需要解決的問題。

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

還有一個是開和合的狀態(tài)，它的動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，在開啟的狀態(tài)下是1.6秒多，開啟的狀態(tài)剛度略大，地震效應(yīng)略大，這是它的一個特點。

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

發(fā)現(xiàn)一些問題也不要緊張，有一些問題是可以加強的，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裂潛在的隱患，我們根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件進行了分析，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，對于混凝土結(jié)構(gòu)，控制它后期收縮應(yīng)力有一個統(tǒng)稱，收縮主要是前期的收縮，后期的溫度應(yīng)力，我們統(tǒng)稱為收縮溫度應(yīng)力。

溫差怎么算呢，我們覺得用極端的溫度好像對鋼結(jié)構(gòu)比較適合，對混凝土來說用日溫度太嚴了一點，所以用了周溫度，周的平均溫度來作為我們溫度應(yīng)力計算的標(biāo)準(zhǔn)。很多數(shù)據(jù)是這樣的，這個氣象數(shù)據(jù)最全的是美國海軍的氣象數(shù)據(jù)庫，用于軍事目的。我們民用行業(yè)實際上很難去搜集，我們從他們數(shù)據(jù)庫里拷一個光盤，最后數(shù)據(jù)庫公開了。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，我們提出了一個叫等效負溫差的觀點，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，一個是前期收縮，現(xiàn)在公認的是后澆帶封閉之前能夠完成30%左右的收縮量，所以應(yīng)該說這個收縮量對于后期來講還不是一個非常關(guān)鍵的問題。如果兩個月后澆帶封閉以后，后期仍然有不少的收縮應(yīng)變在里面。

另外要考慮一下使用階段的溫差。可以通過混凝土的特性來折減，一般折減系數(shù)是0.3到0.4，可以算出正負溫差，因為時間的關(guān)系只能簡單講一下。對于基礎(chǔ)來講我們主要做了很多工作。

看臺結(jié)構(gòu)比較有特點，是一個力度感很強的鋼架，像一個鋼架一樣，這個最初不是結(jié)構(gòu)工程師提出來的，它外面的外結(jié)構(gòu)，但是這個項目是我們院自己的方案，總建筑師崔凱建筑大師的方案，加了一些斜的構(gòu)件。我們在看臺上面有一個凸出來的短柱，這個有長有短，短的是0，長的是3、4米這樣，這一段構(gòu)件的可靠性對屋頂?shù)陌踩灾陵P(guān)重要。這是幾個剖面，每個剖面都不一樣，每個剖面略有差別。

比較有特點的是看臺斜梁和內(nèi)斜柱。這是一個溫度應(yīng)力的計算。這是一些對于構(gòu)件截面的分析，可靠性的分析。對于這個大拱，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和閉兩個分開的狀態(tài)，很多計算長度取值是不對的，大拱很大，但是它的斜桿浮桿比較小，所以大拱的計算長度是比較長的，大拱的長度并不是它的計算長度，做了很多節(jié)點。

斷索分析。現(xiàn)在很多是不可預(yù)知，特別是對索結(jié)構(gòu)來講有一個更換的問題，如果沒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，鋼索分析的話實際上有很多種，鋼索是我們建筑部門、建筑結(jié)構(gòu)工程師不是很熟悉的，它的特點是柔性材料，包括長度控制都不太一樣，因為我們的索長是60米到80米，所以它的頻率很長，2秒多，需要控制它的溫波頻率、風(fēng)雨、地震。有一些驗證后沒有問題就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。因為拱是斜的，所以兩側(cè)的索是不一樣的，我們叫A側(cè)、B側(cè)，A軌道、B軌道，這里面費了很大的勁。

鳥巢最初的基本遷移方式是這樣的，是一個索驅(qū)動，但是它的固定點在中間和兩邊，帶一個絞盤，是這么一個驅(qū)動的方式，為了避免卡軌，把一邊的固定屋面分成5個塊，我們這次總結(jié)了經(jīng)驗，因為鳥巢的方案并沒有真正實現(xiàn)，我們這次實際上有幾個方面的改進。一個是相對開口面增大了，要盡量地開大口，第二個是用索和拱的方式來加強軌道。這里有很多計算分析，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，或者是關(guān)閉，它有很多計算分析的情況，這是剛才關(guān)閉的情況，這是打開的情況。

牽引的方式采用全新的方式，我們提出一個辦法，左邊的活動蓋是通過右邊的索來做的，這是一個轉(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。這是一個局部的。

施工起來實際上是很麻煩的，特別是索，索需要三次調(diào)整才可以到位，為了說明問題我們演示一下，固定屋蓋完成了以后，支撐拱的塔架還需要有一個臨時的索拉到地面，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蓋給大家演示一下。我通過這個介紹想聽取一下大家的意見，我們是一個國家網(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，想升級成國際大賽，這樣需要有一個活動屋頂全天候的場，這個叫什么了，突然忘了，叫花之蓮吧，提出了這么一個方案，我們的屋蓋面積比較小，直徑只有140米，所以開啟率定在50%，中間采用一點折疊式的活動蓋，這個折疊式的活動蓋在旁邊采用一個三層網(wǎng)架，屋蓋折疊以后完全隱藏在二層網(wǎng)蓋的中間，拉開以后全部折疊。我們也進行了一些計算分析，這是它的一個動畫，振型的動畫。這就是我們活動蓋的部分，這個是固定蓋的部分。

好的。謝謝大家！