国家体育场建筑结构设计

国家体育场建筑结构设计

1体育场馆及配套设施2008年，第29届夏季奥运会在中国首都北京举行。国家体育中心是它的主要体育中心，俗称“鸟巢”。本体育场坐落在北京市海淀区奥林匹克公园内，北四环路北，北辰东路西，中轴线延长线东，规划的成府路南，在北四环路与体育场之间规划建设城市次干道———南一路。国家体育场共有座席100000座，其中固定座席80000座，临时座席20000座。体育场用于北京2008年奥运会田径、足球比赛以及奥运会开幕式和闭幕式。体育场还应能举行足球世界杯等重大国际比赛，并应能举行大型文艺演出等活动。体育场总建筑面积约为250000m2，体育场建筑最高点为69.21m，属特级体育建筑。本工程为地上建筑，建筑物四周由缓坡堆积，形成0层，坡顶标高6.8m。体育场局部设地下一层，主要为汽车库、媒体用房、部分设备机房等。地上为8层，其中，0层主要为机电设备用房、竞技工艺用房、媒体用房、商业用房、车库、厨房、内部环路等，四层主要为包厢、套房、厨房、集散大厅等。其它层主要为集散大厅、咖啡厅、小卖部、工艺、媒体等用房。本工程结构形式为钢结构+框架剪力墙结构。外壳由钢结构有序编织成“鸟巢”，钢结构外壳里面的看台及附属用房采用框架剪力墙结构，部分框架柱子为斜柱，十二个核心筒为剪力墙结构。基础形式为桩基。奥运会期间，体育场外设约10000m2的临时媒体用地。体育场北面设两个热身场地，一个为永久场地，另一为临时场地，用于田径、足球热身及训练使用。从使用上讲，国家体育场要考虑近期与远期相结合，近期主要为2008年奥运会承担开幕式、闭幕式、田径比赛、男子足球决赛等任务，也是2008年伤残人奥运会的主会场。远期要考虑世界田径锦标赛、世界杯足球赛等特殊重大比赛；国家体育场还要承担亚运会、亚洲田径锦标赛、洲际综合性比赛、全国运动会、全国足球联赛等各类常规赛事；以及文艺表演、团体活动、商业展示会等非竞赛项目。2了国家高尔夫球场10kv电源供电设备的主要比选国家体育场10kV供配电系统的设计应执行国家及行业现行规范，满足奥组委对2008年奥运会的要求和业主方提出的设计大纲及其它设计要求，还要符合北京电力公司的有关规定，参照有关专家的评审意见。具体设计依据有：(1)国家及行业规范；(2)业主方提供的设计大纲及其它设计要求；(3)“国家体育场电气专业初步设计专家组评审意见”；(4)北京市建筑设计研究院的“国家体育场初步设计审查意见（汇报稿）”；(5)北京电力公司“关于国家体育场供电初步设计审核意见的函”（2004.4.14）；(6)北京电力公司京电营12号文件“国家体育场供电初步设计第二次审核会会议纪要”（2004.5.12）。国家体育场采取四路独立的10kV电源供电，拟定分别由新建的安慧变电站、南泥沟变电站和奥运中心区变电站提供电源，该四路电源分别两两引入国家体育场内部两座总变电所，各分变电所由总变电所提供电源。假设奥运中心站提供两路10kV电源，安慧站和南泥沟站各提供一路电源。设体育场内总变电所分别为1号变电所（简称“1号主站”）和3号变电所（简称“3号主站”）。综合上述依据，国家体育场10kV供配电系统的核心为：上一级变电站发生故障时，该站的馈出线路全部失电，其余上级变电站引来的电源应能保证体育场全部用电负荷的正常运行。而每一路电源所带负荷不宜超过10000kV·A，最大不得超过12000kV·A。3变电站各时间点用电体育场负荷的最主要特点是体育场占地面积大，负荷较为分散，并且含有特别重要的一级负荷。因此，国家体育场共设8个变电所，参见图1。1#变电所：兼高压配电，为国家体育场主变电站之一。进线来自安慧变电站及奥运中心站。1#变电所除为本所四台变压器供电外，还为2#、4#、7#变电所和6#箱式变电站配电。该变电所主要为1、2、3号核心筒附近的负荷供电。2#变电所：进线一路引自1#变电所，另一路引自3#变电所。该变电所主要为4、5、6号核心筒附近的负荷供电。3#变电所：为国家体育场另一主变电站。进线来自南泥沟变电站及奥运中心站。3#变电所除为本所变压器供电外，还为2#、4#、5#、8#变电所配电。该变电所主要为7、8、9号核心筒附近的负荷供电。4#变电所：进线一路引自1#变电所，另一路引自3#变电所。该变电所主要为10、11、12号核心筒附近的负荷供电。5#变电所：进线两路均引自3#变电所。奥运会期间，该变电所主要为场外临时媒体负荷供电。奥运会后，为商业用房提供电源。6#变电所：为箱式变电站，为热身场地提供照明电源。进线两路均引自1#变电所。7#变电所：与1#柴油发电机房相邻，两路进线均引自1#变电所。该变电所主要为1#冷冻站负荷供电。8#变电所：与2#柴油发电机房相邻，两路进线均引自3#变电所。该变电所主要为2#冷冻站负荷供电。410方案4：单一线双线分断+第三网互联根据相关规范、北京市供电公司、北京奥组委、专家评审意见等，国家体育场采用图2的供配电方案。该方案四路电源分别两两引入到国家体育场内部两座主站1#变电所和3#变电所，两个主站均为单母线分断方式，1DL3、3DL3为母联断路器；两主站相对应的母线采用单向联络，1DL4、3DL4为站联断路器。两主站共有四段母线，相邻两母线均有联络，母联或站联。4.1多路进线滤波器下表列举出进线断路器与联络断路器之间的逻辑关系。四路进线断路器为1DL1、1DL2、3DL1、3DL2;1DL3、3DL3为母联断路器；1DL4、3DL4为站联断路器。4.2简要图图3简图编号与上表状态编号相对应，两者断路器编号也一致。4.3电源方案的分析4.3.1整体负荷的影响如图3(15）所示，正常运行时，四路电源分别带各自母线，母联和站联均断开。1#站两段母线所带的负荷均为6850kV·A,3#站内两段母线的负荷为5350kV·A。该负荷为变压器的安装负荷，实际负荷约为安装负荷的50%左右。此时，系统带全负荷正常运行。4.3.2奥运保水电源在奥运病情下的正常运行图3(7）、（11）、（13）、（14）所示，当一路停电时，其它三路电源能否带全负荷？以（7）图为例，当奥运中心站2#电源停电时，3DL2断开，3DL3闭合，3-2母线及3-1母线由南泥沟站供电。此时该回路上总安装容量为10700kV·A,设变压器的负荷率为70%，则实际负荷为7490kV·A。而1-1、1-2母线供电情况不变。因此，当奥运中心站2#电源停止供电时，母联投入后，奥运中心站1#、安慧站和南泥沟站提供的电源可以保证体育场全负荷正常运行。若母联自投失败,则进行站联备投。此时3DL4闭合，其它母联和站联断路器断开，3-2母线与1-2母线均由安慧站供电。该回路总安装容量为12200kVA，同样设变压器的负荷率为70%，则实际负荷为8540kV·A。而1-1、3-1母线供电情况不变。因此，当奥运中心站2#电源停止供电时，站联投入后，奥运中心站1#、安慧站和南泥沟站提供的三路电源可以保证体育场全负荷正常运行。对断路器关系简图（11）、（13）、（14）而言，用相同的分析，得出相同的结论，即当四路电源中有一路电源停止供电时，母联或站联投入后，剩余的三路电源可以保证体育场带全负荷正常运行。4.3.3#电源开通图3(3）、（5）、（6）、（9）、（10）、（12）所示，当四路电源中有两路停电时，剩余的两路电源能承担体育场全部负荷吗？以（3）图为例，如果南泥沟站和奥运中心站2#电源停电，3DL1和3DL2断路器断开，1DL4和3DL4断路器闭合，3-1和1-1母线由奥运中心站1#电源供电，该回路总安装容量12200kV·A，设变压器的负荷率为70%，则实际负荷为8540kV·A;3-2和1-2母线由安慧站供电，该回路总安装容量12200kV·A，同样设变压器的负荷率为70%，则实际负荷为8540kV·A。因此，当两路电源停止供电时，站联投入后，剩余的两路电源可以保证体育场全负荷正常运行。用同样的方法可以得出相同的结论，读者不妨一试。4.3.4奥运煤炭公司发生动态图3(1）、（2）、（4）、（8）所示，当四路电源中有三路停电时，剩余的一路电源能承担体育场全部负荷吗？以（1）图为例，如果安慧站、南泥沟站和奥运中心站2#电源停电，1DL1接通，1DL2、3DL1和3DL2断路器断开，母联断路器1DL3和3DL3闭合，站联断路器1DL4闭合，3DL4断开。奥运中心站1#电源为1-1、1-2、3-1、3-2母线供电，该回路总安装容量24400kV·A，设变压器的负荷率为70%，则实际负荷为17080kV·A，远大于供电公司的要求。因此，当四路电源中有三路电源停止供电时，母联和站联投入后，剩余的一路电源不能保证体育场全部负荷正常运行。但如果将部分次要负荷卸载后，重要负荷的供电将可得到保证。用同样的方法可以得出相同的结论。4.3.5临时开启奥运时间，使用柴油发电机最短时，总发电效率为高图3(16）所示，当四路电源全部停电，毫无疑问，体育场全部负荷不能正常运行。在奥运会比赛期间，如果出现此事故，肯定问题已经十分严重，比赛还有必要继续进行吗？！尽管如此，我们还采取了应急措施：一是为建筑物设置永久柴油发电机，为体育场内固有的特别重要负荷供电，如消防负荷、通讯机房、网络机房等。另一措施专为奥运会设置的，通过设置若干数量的临时柴油发电机为奥运特别重要负荷供电，这些负荷有临时媒体负荷、计时记分等比赛负荷、安保类负荷等。这些负荷很重要，当仅在重要国际比赛时才使用，使用频率极少，因此采用临时租用发电机是最佳、最经济的选择。因此，当四路市电全部停电后，由