运河亚运公园馆曲棍球场大跨钢罩棚结构设计

2023年9月23日，第19届亚洲运动会在杭州开幕！2021年4月26日，由浙江省建筑设计研究院和美国Archi-Tectonics公司联合设计，位于浙江省杭州市拱墅区的运河亚运公园项目正式竣工。运河亚运公园是集休闲绿地、体育场馆、商业街区于一体的大型综合性城市公园。主要建筑包括“国球中心"体育馆(第19届杭州亚运会乒乓球、霹雳舞竞赛馆)、“杭州伞"体育场（第19届杭州亚运会曲棍球竞赛场)、全民健身中心、全媒体中心等。1、项目概况运河亚运公园位于杭州市拱墅区申花板块，东至学院北路、西至丰潭路、南至申花路、北至石祥路，占地701亩，总建筑面积18.5万，以育英路为界，分为南北两个核心区域：7500座容量的体育馆位于南区域，为第19届杭州亚运会乒乓球、霹雳舞比赛场馆；5000座容量的曲棍球场位于北区域，为第19届杭州亚运会曲棍球比赛场馆；南北区之间通过下穿育英路的商业长廊广场连接形成整体公园。运河亚运公园曲棍球场位于公园北区，结构平面形状为椭圆形，屋面结构体系为钢桁架拱结构，是北区的中心建筑，赛后为综合室外体育场。因其钢罩棚的建筑形态取意于江南的油纸伞，被大家亲切地称为“杭州伞”。2、设计概念江南油纸伞中国制伞历史悠久，最早的伞相传由鲁班的妻子云氏发明。纸出现以后，人们在伞纸上刷桐油用来防水的油纸伞。宋时称绿油纸伞。以后历代均有改进，最后形成今天的大众用品，使用至今已1000多年。曲棍球场罩棚的建筑形态取意于江南的油纸伞。几何上属于直纹面。罩棚与油纸伞具有相似的使用功能：一个轻盈、圆润而优雅的造型顶为使用者提供遮盖，并提供良好的微型气候。▲图片来源：张虹3、结构设计概况运河亚运公园曲棍球场设计使用年限为50年，建筑结构安全等级一级，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值0.10g，设计地震分组第一组，场地类别Ⅲ类，建筑抗震设防类别为重点设防类，100年一遇的风压值为0.50kN/m2，地面粗糙度类别为C类，并委托浙江大学进行了风洞试验。运河亚运公园曲棍球场由罩棚结构与看台结构组成，两者完全脱离。罩棚结构由两个大跨度拱支撑,拱与拱之间通过拱间斜撑相连,上表面用PTFE（聚四氟乙烯）膜材料覆盖。其中钢结构由平面桁架或单管连系的桁架拱及单管拱组成，拱脚相交于四个混凝土高支墩上，支座单向跨度约为120m，建筑高度约47m。看台结构由看台部分的混凝土框架结构与入口大厅处的局部钢结构组成，为混合框架结构，建筑高度约23m。▲

罩棚结构▲

看台结构4、结构设计特点罩棚数字化设计根据方案逻辑，罩棚的前、后两条边缘曲线是由两个直立的圆柱面RS1和RS2与二个倾斜平面S1和S2曲面求交后产生，其中RS1与S2相交得到L2，RS2与S1相交得到L1。通过映射关系，放样得到体育场罩棚的直纹控制曲面KS。在Rhino(犀牛)平台，通过Grasshopper(GH)插件进行参数化建模，得到结构计算模型。罩棚结构优化设计单向平面桁架vs双向交叉桁架通过内部主拱采用三管桁架拱，边拱采用单管拱的形式，并通过单管系杆连接主拱与边拱，达到建筑师想要的边缘轻薄的效果。在两个主拱之间采用多个平面桁架进行连接，并布置局部单管斜系杆增强平面桁架的平面外刚度，使得两个主拱协同工作。平行桁架形式的结构简单，制作安装方便，同时膜材的裁剪张拉方便，但造型和空间性能不如斜交桁架结构。最终基于建筑最初立意——直纹骨架的江南油纸伞，且平行桁架的净高更高，选择了平行桁架方案，使得结构建筑表达更统一。▲

双向斜交桁架▲

平面桁架加斜系杆(实施方案)罩棚风洞试验荷载规范对于这种造型独特的大跨屋盖结构的风荷载缺乏准确完备的体型系数规定。因此为了保证结构设计的安全、经济、合理，有必要进行该体育场的屋面及墙面风压测定的风洞试验，即按相似原理的要求，在模拟大气边界层流场的风洞中进行模型试验，测定建筑物表面风压和体型系数等参数。试验在浙江大学的ZD-1边界层风洞中进行。罩棚稳定性分析对罩棚结构进行稳定性计算分析：特征值屈曲分析结果显示，整体失稳模态临界荷载系数为47。非线性屈曲分析结果显示，失稳荷载系数大于13。满足规范要求。▲

特征值屈曲分析▲

非线性屈曲分析▲

失稳曲线罩棚三向多点激励分析由于罩棚结构桁架拱跨度为120m，需要考虑地震动的空间变化效应如行波效应等。对罩棚结构进行三向多点激励分析，视波速取1200m/s，到达时间间隔取0.1s。比较三向多点激励分析结果与一致激励分析结果后，对反应谱地震效应做相应放大。▲

计算模型▲

支座处杆件弯矩对比罩棚高支墩分析与设计曲棍球场屋盖钢结构共通过8个支点落于4个混凝土高支墩基座上，每个混凝土基座承受2个钢结构屋面支点的荷载。根据建筑造型要求，混凝土基座为棱台形，且顶面存在一定的倾斜，如下图所示。混凝土基座同时承受较大的竖向荷载、水平荷载、弯矩、扭矩，会产生一定的水平变形。因此屋盖整体计算时，对支座按固定、铰支和弹性三种形式分别计算，最后取包络值。由于高支墩带来的罩棚拱水平推力上移的不利因素，通过：在高支墩内增设型钢；拱脚内增加加劲肋及内灌混凝土等措施；并对支座进行有限元节点分析，保证节点安全可靠。由于基座底部存在较大的水平力和弯矩,天然地基基础不能满足设计要求,高支墩