广东体育场馆屋盖结构设计与施工创新技术

2011年深圳大运会场馆屋盖结构设计与施工创新技术

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****科学研究院深圳分院

2011年深圳大运会新建场馆为承办2011年大运会，深圳共将投入使用54个体育场馆，其中包括29个比赛场馆、25个训练场馆。除已建成投入使用的拥有35000个座位的深圳体育场、4000个座位的深圳游泳跳水馆、8000个座位的**体育馆等32个场馆外，深圳新建22个体育场馆。。新建22个体育场馆布局：大运中心3个场馆、***体育中心3个场馆、**体育场1个场馆、大学城体育中心建有3个场馆、**体育中心2个场馆、信息职业技术学院建有2个场馆、海上运动基地暨航海运动学校建有1个场馆、体育运动学校新校区4个场馆、盐田区体育中心2个场馆、龙岗飞碟靶场1个场馆。

一、深圳大运中心深圳大运会体育中心三大场馆分别是主体育场、体育馆、游泳馆。其中，主体育场规划建设6万个座位，体育馆可容纳1.8万名观众，游泳馆建设3000个座位。”水晶石”的建筑方案由德国GMP国际建筑设计有限公司完成。大运中心效果图一、深圳大运中心■（一）主体育场施工图设计单位：深圳市建筑设计研究总院钢结构施工单位：中国建筑第三工程局1、工程概况屋盖的结构形式为单层折面空间网格钢结构，由20个形状相近的结构单元呈双轴对称分布构成，平面为椭圆型，尺寸为285m×270m。屋盖最高点高44.lm，在不同区域悬挑长度为51.9~68.4m，设计总用钢量约18000t。钢屋盖构成立面马鞍形外圈（高差12m）内圈（高差8.6m）钢屋盖示意图钢屋盖构成一、深圳大运中心2、设计特点

（1）钢屋盖主结构为由空间三角形网格组成的单层折面空间网格结构。结构的主杆件为铸钢管、焊接钢管及铸钢管＋焊接钢管，直径为700~1400mm，壁厚为12~140mm

，最大长度约为50.6m；次杆件为焊接箱形截面杆件，对主结构起到侧向稳定支撑作用。由13个三角形构成受力节点结构组成主杆件次杆件一、深圳大运中心（2）结构新颖，某些关键技术无规范可依；因此对整体稳定、变形控制、杆件计算长度、风振分析等方面，进行了理论探索；（3）采用6个软件进行结构分析，包括整体稳定分析、大震弹塑性时程分析、风时程分析、节点有限元分析，进行了风洞试验、整体模型试验、节点试验；（4）钢屋盖设置内环（悬挑尽端）、马道环、肩谷环，显著提高了结构体刚度，减小了风效应，有效防止了结构的连续倒塌。（5）结构的支座、背峰、背谷、肩峰、肩谷、冠谷位置采用铸钢节点，共120个。铸钢节点单件最重约90t，总重4000t

。结构的冠峰、内环位置为焊接节点，共40个。钢结构节点分布示意图组成一、深圳大运中心（6）钢筋混凝土看台为现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构；平面形状为椭圆型，尺寸为324m×310m；钢屋盖支座所在的2F平台不设变形缝，为周长1056m的超长结构，进行温度、预应力及徐变的理论研究及分析。上部看台设置变形缝，将上部结构分为4个单独的结构单元。一、深圳大运中心2、安装特点（1）结构安装难点主要包括以下方面：

①结构悬挑跨度大，且支点少；②节点构造复杂，单个重量超大，吊装时稳定性难以控制；③单根钢管超长超重，在二维方向上不断发生变化，测最定位困难；④构件安装就位前的变形难以控制，容易影响安装精准度⑤200mm厚大直径铸管焊接方案（2）安装方法选择了高空散装法和分块安装法相结合的施工总方案，并严格按照高空原位安装的原则，为背峰、背谷、冠谷和内环节点位置设计了临时支撑胎架。一、深圳大运中心（3）钢结构吊装方式分为以下几种：①巨型节点单件吊装；②巨型主杆件单件吊装；③小型节点与主杆件组拼吊装；④主次杆件组拼吊装；⑤小次杆件单独吊装补齐屋面结构。（4）卸载方案如下：一次性同步卸载背谷一次性同步卸载背峰等量位移为基础分多次循环同步卸载冠谷和内环完成全部卸载一、深圳大运中心（二）主体育馆

施工图设计单位：******设计研究院钢结构施工单位：上海**建设有限公司1、工程概况体育馆平面为圆形，直径为144m（支座处）和158m（外圈），高度为34m。屋盖的外圈结构由16个形状相同的空间折面网格单元构成，中间为直径大约为50m的球面网壳结构工程用钢量约5800t。一、深圳大运中心心（二）主体育馆体育馆效果图体育馆剖面图一、深圳大运中心心2.设计特点(1)柱脚采用了球型铰铰支座，释放了竖竖向传力构件的弯弯距。(2)将垂直传递竖向力力的构件置于球型型支座的内侧，，形成了部分抵抗抗屋盖外张的自平平衡内力，减小了了柱底的水平推力力。(3)结构体系进行了改进，即在结构的肩谷谷点处设置了一圈圈拉环，增加拉环后，按按展开面积及单位位面积用钢量，由由190kg/m2降为148kg/m2，特征值屈曲分析析得到的屈曲因子子，也从加拉杆前前的1.927，提高到8.103(4)对肩谷的铸钢节点点和支座球节点进进行优化。改进后的结构骨架架图一、深圳大运中心心3、施工特点：（1）安装采用国内最最先进的累积旋转滑移的施工工艺，即在在东西两侧设置两两个拼装平台，将将构件定点拼装并并支撑在支座处的的半径分别为25米和41米的三条圆形轨道道及中心圆点上，，通过旋转滑移到到设定位置。(2)钢结构卸载过程就就是将形成整体的的钢结构屋盖脱离离三条滑移轨道及及中心圆点的临时时支撑，依靠自身身结构站立起来的的过程。一、深圳大运中心心（三）游泳馆施工图设计单位：：中建国际（深圳圳）设计有限公司司钢结构施工单位：：长江精工钢结构构（集团）有限公公司1、工程概况结构体系为钢筋砼框架+屋盖钢结构。总用钢量约4300t。钢结构屋盖坐落落在标高4.5m的混凝土结构柱上上(支座中心标高为6.0m)。钢结构受力体系系为空间单层折面面网格结构。从整个结构来看，，结构承受外荷载载时，跨中上弦肋肋杆受压，下弦肋肋杆受拉，跨端正正好相反。上弦肋肋杆与下弦肋杆之之间形成一对力矩矩，抵抗外荷载产产生的弯矩。次杆杆件将主杆件平均均分为三份，起到到增加结构整体刚刚度的作用，并作作为幕墙及屋面板板的支承结构。一、深圳大运中心心（三）游泳馆游泳馆屋盖示意图图一、深圳大运中心心2.设计特点(1)空间单层折面网格格结构，受力特性性更趋于单向狭长长结构，空间作用用比体育馆要小。。（2）柱脚采用了与地地面倾斜的球型铰铰支座，释放了竖竖向传力构件的弯弯距，并将部分水水平推力转换成向向下的垂直力。（3）柱脚钢结构节点点采用球铰式铸钢钢节点，通过预应应力锚栓固定于混混凝土承台之上，，在混凝土承台中中配置了三向钢筋筋网和型钢。下部混凝土承台上部铸钢节点球铰式铸钢节点下部蘑菇形铸件上部盆形铸件一、深圳大运中心心3.施工特点（1）搭设拼装平台进进行高空散装，沿沿纵向整体液压同同步累积滑移的施施工方案进行施工工。滑移单元拼装装顺序：从中间到两边、从内内侧（远离吊机位位置的一侧）到外外侧。屋盖滑移单元一、深圳大运中心心（2）本项目的滑移与与支座就位：首先先固定预应力锚栓栓，浇注混凝土至至标高4.38m；待进行最后一次次滑移前，将预埋埋地板放入混凝土土承台内；结构滑滑移到位后，以结结构支座作为支撑撑点，用三条导链链将预埋地板提升升到设计位置，浇浇注混凝土。钢结结构屋盖整体滑移移到位后，将每个个球铰支座精确校校正，补浇混凝土土到设计标高。（3）滑移及卸载均进进行了有限元施工工模拟分析，并进进行了施工监测。。一、深圳大运中心心游泳馆屋盖滑移完完成二、***体育中中心***体育中心选选定日本佐藤综合计画画与北京建筑设计计研究院联合设计计的“春茧”方案为实施方案。。施工图设计单位位为北京建筑设计研究究院。图11***体育中心效效果图二、***体育中中心***体育中心为为空间大跨度结构构，屋盖投影长度度530m，宽240m，是目前国内最大的一体化场馆建筑筑，总用钢量约20000t。***体育中心结结构分解图二、***体育中中心游泳馆和体育馆屋屋盖采用正交斜放四角锥双双层网壳，节点采用焊接球球，平面投影均为为椭圆形，空间呈呈拱形，并且在上上弦外围均设置封封边杆件，以提高高屋盖结构的整体体刚度。游泳馆屋屋盖椭圆边长98.6×77.6m，网格边长为3.54m~4m，厚度约4m，屋盖最高点标高高35.7m，总重460t。体育馆屋盖椭圆圆边长117.9×104.3m，网格边长为3.97m~4．41m，厚度约5m，屋盖最高点标高高38.5m，总重720t。游泳馆、体育馆馆上弦封边杆件下下分别均匀设置30和40个V字形支撑钢柱，V形柱顶与网架铰接接，柱脚采用固定定铰支座。体育场：共设有2万个座位，分为上上下两层，罩棚最最高处平均高度约约40m，体育场和大树广广场部分，用钢量量12000t；构件形式为重钢钢构件，技术难度度大、包括类似国国家体育场（鸟巢巢）的弯扭构件、、厚壁钢管、铸钢钢件等。二、***体育中中心钢结构构件形式分分解二、***体育中中心1、设计特点：最大大的一体化场馆建建筑，钢结构未分分缝，长度530米，温度应力起设设计控制作用。2、施工特点：弯扭扭构件、厚壁钢管管、铸钢件、高空空散拼、分标段卸卸载、标段间连接接三、**体育场**体育场采用德德国GMP国际建筑设计有限限公司设计的“竹林”方案。施工图设计单位：：华南理工大学建建筑设计院下部钢结构施工：：上海**屋盖膜结构施工：：上海太阳膜工程程公司屋盖索结构施工：：中国建筑科学研研究院建研科技股股份有限公司。屋盖结构整体模型型施工张拉试验：：清华大学主要包括主体育场场、附属训练场、、地下停车库和体体育运动学校四个个部分。三、**体育场**体育场效果图图三、**体育场屋盖结构采用轮辐式索膜结构，整个体育场的平平面为直径245m的正圆，除幕墙结结构外，主结构平平面投影略显椭圆圆形，长轴237m，短轴230m，进深54m。膜材选用PTFE膜，材料抗拉强度为为130kN/m,主受力拉索采用高强度全封闭索，材料抗拉强度为为1760MPa。本屋盖结构共有一一个外部的压环，两个中央的拉环。外部的压环呈马马鞍型，其高点和和低点之间的高差差为9.65m。采用“目”字型型截面1800mm×1100mm，翼缘厚25mm，腹板厚35mm，竖向加劲肋板厚厚30mm。中央上部的拉环环由Ø70的全封闭索组成，，下部的拉环则为为Ø90的全封闭索。整个个屋盖共有36榀索桁架，其上径径向索为Ø75，下径向索为Ø95，7根悬挂索均为Ø20。索桁架与内拉环环相交处设承压的的“飞柱”，其截截面为Ø375×10。两个内环的预应应力在上径向索和和下径向索中产生生拉力，并传递到到外压环上，形成成自锚体系。径向向的索桁架不仅能能将整个屋盖的荷荷载传递到外部的的拉环上，同时还还能增强外压环的的整体稳定性。三、**体育场场屋面的膜结构包括仅承受拉力力的膜材和其支支承结构体系。。支承结构采用用拱的形式，通通过定义合适的的平面和拱高可可以得到膜结构构受力所需要的的双曲面。膜结构将荷载载传递到支承拱拱结构，同时在在拱的两边加上上预应力拉索保保证相邻受压拱拱的平衡。拱脚脚处采用铰接的的形式，一方面面有利于膜结构构和拱支承的协协同工作，另一一方面当拱两侧侧的膜材受到不不同的荷载时，，拱可以相对自自由地转动以适适应荷载的变化化，而不致在拱拱脚产生过大的的约束反力。屋面膜材全部采采用PTFE膜。最外侧一道支承承拱为Ø230×8，预应力拉索为为Ø26，其余6道支承拱为Ø220×8，相应的预应力力拉索为Ø24。所有的预应力力拉索均施加30kN的预张力。三、**体育场场车辐式张拉屋盖盖结构呈椭圆形形马鞍面,索力分布不均匀匀。为制定一种种索力控制精度度高、对张拉设设备要求低的张张拉施工方法,进行了屋盖结构构模型整体张拉拉试验及模拟分分析,验证了“定尺定长设计与与张拉技术”能够准确获得设设计初始态预应应力。该方法对索材定定长下料,在施工现场不调调节索长,具有张拉过程简简单,便于控制索力的的优点。试验模拟了张拉拉径向索、顶升升飞柱、张拉环环索、隔榀张拉拉径向索4种张拉方案。4种张拉方案的操操作难易程度有有明显差异:张拉径向索方案案所需的张拉力力大,但是操作过程简简单;顶升飞柱和张拉拉环索方案所需需张拉力小,但需对结构节点点和张拉设备做做特殊设计;隔榀张拉径向索索方案的工期最最长。通过对上述4种张拉方案以及及由张拉径向索索方案演化出的的3种分批张拉径向向索方案的数值值模拟分析和对对比,为屋盖结构实际际施工制定了张拉径向索的方案。三、**体育场场**体育场膜安安装工程体育场内景四、**大学城城体育中心**大学城体育育中心总用地面面积171917.9平方米，总建筑筑面积38493平方米，由体育馆、体育场场、游泳馆三部分组成。其其中，体育馆建建筑面积14183m2，设坐席数5696个；体育场建筑筑面积15300m2，设坐席数15942个；游泳馆建筑筑面积9010m2，设坐席数2251个。在设计时，一是是充分考虑到““利用”与“管管理”两个要素素，既方便利用用，又便于进行行科学、有效的的管理以及满足足社会化管理的的要求。二是设设计中大量采用用新技术、新材材料、新工艺、、新设备，建筑筑节能、节水、、节电。项目最大特点是是采用大跨度空间结构构，曲面丰富。其其中体育馆为大型管桁架网壳壳组合结构、游泳泳馆为网壳结构、体育场为格构构柱预应力悬索网壳壳结构。四、**大学城城体育中心**大学城体育育中心体育馆**大学城体育育中心游泳馆四、**大学城城体育中心在设计和施工过过程中，召开了了多次专家论证证会，发现了施施工方案存在的的主要问题及深深化设计的缺陷陷，会后严格跟跟踪、解决，保保证了施工方案案合理和深化设设计质量。例如如：发现体育场场预应力索设计计张拉应力过大大，解决了实际际变形值可能造造成塑性变形的的问题，避免了了施工阶段的重重大事故。本着对建筑安全全负责的原则，，结合科研力量量，对体育场的的屋盖预应力拉拉索结构进行施施工、使用阶段段全过程结构健健康监测，确保保结构使用阶段段健康安全。五、**体育中中心**体育中心集集体育馆、运动动场、游泳馆、、网球馆、网球球场、篮球场、、居民健身广场场和体育宾馆于于一体。“建筑方案:**大学建筑设设计研究院施工图设计：**大学建筑设设计研究院屋盖钢结构施工工：湖南省建筑筑工程集团总公公司悬支穹顶张拉方方案及模拟分析析：中国建筑科科学研究院深圳圳分院五、**体育中中心**体育中心效效果图和实景五、**体育中中心结构形式为由径