2008奥运会羽毛球馆结构设计

2008奥运会羽毛球馆结构设计

1项目背景1.1奥运高尔夫球场建设2008年奥运会踢击比赛中心（以下简称2008年奥运会踢击比赛中心）是北京东南地区唯一的体育比赛中国馆。2008年，它将承担有关奥运会奥运会和艺术体操的比赛项目。体育馆的屋顶像一只平放的球形羽毛，建筑的形状轻盈美丽。五环制钢索和每环56根径向纤维绳的钢杆象征着56个中国民族参与了第五环制游泳。体育馆占地面积72000m2,总建筑面积24383m2,赛时总座位数7500个,比赛馆总高度25.9m,热身馆总高度15.5m。2008奥运会羽毛球馆于2005年6月开工,2007年9月正式通过整体竣工验收。在北京工业大学新校园整体规划(见图1)、体育馆规划、设计、建造的全过程中认真落实“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的三大理念和节俭办奥运的精神,突出了“体教结合,刚柔并济,自主创新”的内涵特色,体育馆的建筑、结构、空调、照明等所有专业的设计和施工均由我国自主完成,成为符合中国国情和高校特点的杰出建筑。1.2环境体验的提高,体现了“作为奥运城市景观的亮点”在体育馆优秀建筑设计方案征集文件中,北京工业大学旗帜鲜明地提出要求:奥运会羽毛球馆建筑设计方案应该是真正符合中国国情和高校特点的杰出建筑方案;要落实“人文奥运、科技奥运、绿色奥运”三大理念;科学地处理好北京工业大学文体活动中心的长期定位与奥运比赛馆的短期定位的关系,也就是处理好赛后功能与赛时功能关系;建筑外形不要怪异、奇特,要达到建筑优美与结构体系合理的协调统一;要节俭办奥运,实施限额优化设计;奥运会羽毛球馆要成为北京市东南区城市景观的亮点(京沈高速路入口,四方桥景观)。2004年6月18日至19日由著名的建筑、规划、结构、造价、体育等专业的11位专家组成的专家组,秉承客观、公平、公正、公开的原则,对国内外11个应征初步建筑设计方案进行了独立的评审和表决,选出三个优秀设计方案。华南理工大学建筑设计研究院设计的优秀设计方案被最终选定为建筑实施方案。中选方案既符合赛时羽毛球与艺术体操两个比赛项目的《奥运工程设计大纲》,又满足了学校文体活动中心、国家羽毛球队训练基地及社区市民健身中心等多项赛后使用的功能要求,充分体现了奥运精神与体教结合的统一。2008奥运会羽毛球馆建筑设计方案的征集和评审是一个转折点,使得2008奥运体育场馆建筑设计方案征集理念从追求形象张扬、规模宏大和视觉冲击转向了简洁、美丽而实用。2008奥运会羽毛球馆建筑造型轻盈美观,型似扁平的羽毛球。屋盖为由长轴150m,短轴120m的椭圆柱面垂直正切的球冠面。椭圆柱面正切出的屋面边缘部分简洁流畅,室内为直径93m的正球冠面,采用实的金属屋面板覆盖;室外部分由玻璃覆盖,采用指向球心径向布置的结构造型,展示“羽毛主径”的大自然羽毛机理。整个屋盖建筑馆内、馆外虚实结合,曲线简洁流畅,充分表达出羽毛球轻盈的机理和造型艺术美,见图2。1.3科技创新:实现钢结构体系合理与建筑造型优美的协调统一纵观百年奥运历史,钢结构体系是奥运体育场馆建筑关键技术之一,历届奥运场馆均有大跨度钢结构新体系和新技术的应用。在2008奥运会羽毛球馆钢结构体系的优化设计中遵循如下理念:首先深刻领会建筑所体现的中国现代化发展背景和建筑造型的艺术美,在此基础上提出钢结构体系优化特征和设计要素;发挥技术创新智慧,实现钢结构体系合理与建筑造型优美的和谐统一;合理应用时代最先进技术实现结构安全、经济双优目标。北京工业大学钢结构学科和中国航空工业规划设计研究院(以下简称“中航院”)发挥了各自的学科优势和科研实力,将科技创新、学术研究与重大工程应用有机结合,实现创新优化钢结构体系的目标,达到了钢结构体系合理、轻盈与建筑造型优美的协调统一。体育馆屋盖钢结构用钢量每平米60kg,对于具体落实节俭办奥运的精神,具有特别重大的意义。该体育馆屋盖钢结构体系创新研究工作得到国家自然科学基金、北京市科委奥运专项、北京市2008工程指挥部奥运工程专项的资助,得到了中国钢结构协会专家的大力支持。2技术方案优化2008奥运会羽毛球馆屋盖大跨度钢结构体系的优化分为三个层次进行。首先依据建筑理念、建筑方案造型特点、室内美学效果、几何空间、大跨度结构力学特征等要求,通过对适合建筑方案要求的不同钢结构体系拱桁架、单层网壳、双层网壳、弦支穹顶等进行技术方案的优化设计和比选,选定预应力大跨度弦支穹顶结构体系;第二,针对选定的预应力大跨度弦支穹顶结构体系,进行结构几何形状优化设计,包括单层网壳的网格形状、几何角度、矢高、环索及径向拉杆的几何布局等等优化选定;第三,针对优化选定的新型弦支穹顶体系和几何形状,在满足结构规范、标准等各种约束条件下,进行结构细部优化设计,包括材料、新型可调节节点的构造、构件截面尺寸等优化设计,实现安全、经济双优目标。2.1预应力大跨度钢结构体系随着人类物质技术文明和精神审美需求的不断发展,人们对结构的跨越能力和结构造型提出更多、更高的要求。大跨度钢结构以其新颖优雅的结构几何造型和强大的跨越能力正好适应这一要求。而随着结构跨度的不断增加,结构的力学特征发生质变,结构安全的控制因素由传统的刚度(变形)强度指标转变为体系稳定性指标。传统的大跨度钢结构形式难以满足超大跨度结构的技术、经济兼优的目标。综观二十世纪以来世界大跨度钢结构工程,以奥运会和世界杯两大体育赛事的大型体育场馆为典范,其大跨度钢结构体系均已跨越了传统纯钢结构体系,2002年日、韩世界杯体育场馆中,采用预应力大跨度钢结构体系的有13座,占总场馆数的65%;2004年雅典奥运会的主场、馆均采用预应力大跨度钢结构体系。采用体现现代高科技技术(材料、设计、施工)的预应力大跨度钢结构体系,成为展示承办两项赛事国家建筑综合新技术水平的标志。预应力钢结构体系能够大幅度提高结构的刚度、充分利用强度幅值、提高整体稳定性,弦支穹顶结构为空间受力预应力钢结构体系,传力路径短而简洁,为自封闭的受力体系,支座推力小,空间刚度分配均匀,能够满足建筑设计的造型要求。由于拉索强度是钢管强度的4倍,优化设计选定的弦支穹顶结构把屋面巨大的荷载转化为纯拉力,由五道环索和每环56根径向拉杆承担,因此弦支穹顶结构能够大幅度节约钢材。2.2设计好体系设计在充分理解建筑造型特点和理念基础上,钢结构体系设计要重点解决两个问题:一是馆内、馆外结构体系的协调统一;二是优化设计选定的体系要使馆内穹顶与建筑造型艺术、室内美学理念协调。(1)变截面开孔h型钢梁馆外悬挑部分建筑的立面造型和理念已经确定其结构为向心放射状布置的几何体系。最初为空间倒三角形钢管桁架,在与建筑师充分协商情况下,将其进一步调整为H型钢梁的平面体系,并对H型钢梁的截面尺寸及翼缘、腹板厚度多次优化,得到最终的变截面开孔H型钢梁如图3所示,其尺寸见参考文献,变截面开圆孔的H型钢梁平面体系,突出了“羽毛主径”和韵律。(2)圆环形转换钢桁架结构屋盖结构的球冠几何构型在竖向永久荷载作用下,将产生对支承结构安全设计极其不利的向外永久水平推力。本工程屋盖支承结构为设在馆内、外交界线上36根支柱。该交界线是屋面“虚实”造型的分界线,同时是建筑室内、外功能区域的分界线。对应的建筑虚实造型、功能区域的转换交接需求,在交界线柱顶设置圆环形转换钢桁架结构,如图4所示,环桁架采用钢管相贯焊接形式的空间三角形桁架,钢结构材质为Q345B,弦杆截面尺寸为245×12～180×8。更为巧妙的是该环形转换桁架结构可以有效地将球冠屋盖对支承结构不利的向外永久水平推力转换为圆环桁架结构易于承担的轴向拉力。交界面柱顶转换钢桁架的巧妙设置,实现了建筑功能需求、造型艺术与结构体系的和谐统一。(3)交界线圆环形转换桁架整个屋盖所涵盖的馆内、馆外不同建筑区域功能,“虚实”对比的立面造型,从建筑造型艺术和美学理念上为馆内、馆外采用非对称和谐统一的不同结构几何力学体系创造了条件。交界线圆环形转换桁架,则为室内大跨度穹顶的结构几何力学体系的多样选择创造了前提技术条件。室内效果见图5。钢结构设计结合建筑立面造型和室内美学效果选用了不同钢结构体系及几何形状,在相同的荷载(方案比选优化设计仅考虑自重、预应力0.3kN/m2活荷载)及设计输入条件、相同的结构安全控制指标原则下,进行不同钢结构体系的优化设计比选见表1～表4,方案8即联方型上弦钢网壳的预应力大跨度弦支穹顶钢结构体系,具有最优的技术经济性和施工可行性。2.3应力钢结构可调节撑杆节点设计在优化选定了弦支穹顶结构体系及结构几何形状优化设计后,进行了结构体系细部优化设计及结构分析,具体如下:(1)在满足结构强度、刚度、整体稳定性安全条件下,优化弦支穹顶结构的索撑布置(图6)、构件组成、网格密度、矢跨比、撑杆长度等。(2)在考虑网格初始缺陷、钢索初拉力、满足构件强度和刚度、结构位移和整体稳定等多个约束条件下优化结构构件、钢管的截面直径、壁厚。创新设计了预应力钢结构万向可调节撑杆节点(如图7)。通过优化设计得出合理的细部设计方案。(3)在结构详细设计中还考虑了合理预应力度的确定。预应力拉索钢结构体系具有与普通钢结构不同的力学特点,当所有结构构件确定后,仍可利用调整索系的预应力度调整结构体系的内力和变形,并提高体系整体稳定承载力,使结构达到最优的安全性能,获得安全经济双重效果。(4)在节点构造设计方面,钢结构节点是结构安全、建筑美观的重要因素。设计者充分发挥中航院丰富的钢结构工程设计经验,与建筑设计、施工密切结合,寻求最安全合理的节点设计。3结构施工仿真研究及施工监控本工程预应力钢结构体系属新型预应力钢结构体系,有较多课题需要深入研究,北工大牵头与中航院共同申请并确立本工程中重大研究课题,并共同解决关键问题,为我国预应力钢结构新体系的研发和应用作出了贡献。在整体稳定分析及预应力损失方面,分别进行了包括内力、节点位移、特征值屈曲和非线性屈曲的荷载位移平衡路径的跟踪分析,阐述了结构选型的依据,研究了钢索合理预应力度的确定方法,分析了初始几何缺陷对弦支穹顶结构整体稳定的影响,提出了初始几何缺陷的合理施加方法。分析了预应力损失对弦支穹顶结构的整体稳定、内力以及变形的影响。在结构模型静力试验方面,对2008奥运会羽毛球馆钢结构,制作了1∶10缩尺模型(图8)。研究了模型在施工张拉过程中、设计荷载作用下和三倍荷载超载下的力学性能,获得了模型的构件内力、节点位移、支座水平位移和代表整体稳定性能的极限荷载的理论和试验数据,并与ANSYS数值模拟结果进行了对比分析。在结构模型动力试验方面,对2008奥运羽毛球馆弦支穹顶结构1∶10模型进行了动力特性的试验研究与理论分析。计算得出了模型不同施工阶段的频率值及振型;采用环境激励和正弦激励两种方法对模型的不同施工阶段进行了动力特性测定试验;阐述了试验的原理、过程及结果。在结构施工张拉仿真计算分析及张拉施工监控研究方面,由于该结构是目前世界跨度最大的新型弦支穹顶结构,且无该尺度同类结构施工经验可依,施工难度较大,因此必须对2008奥运会羽毛球馆屋盖结构的施工进行包括索力、网壳构件内力、网壳节点位移的施工仿真研究及施工过程监控。张拉施工中考虑到安全和施工便利等原因没有将网壳节点的临时支撑全部拆除,保留了180个施工临时支撑。在ANSYS软件的施工仿真分析中对临时支撑采用了弹性支座的建模方法。为使计算结果准确,必须拆除所有临时支撑后进行张拉才能使现场监测数据准确反映结构的实际受力情况,指导施工。在结构全寿命健康监控方面,针对预应力钢结构特点,提出了大型预应力钢结构全寿命健康监控关键理论和试验技术方面应重点研究的问题和思路,主要包括大型预应力钢结构张拉施工动态过程中各预应力构件相互影响规律、预应力损失机理、预应力再分布规律和有效调节的措施,多通道信息融合理论和方法,结构全寿命过程中不同阶段信息相关性分析处理方法,适合预应力钢结构特点的损伤量优化提取、损伤尺度量化指标及分级标准,结构损伤的位置和程度快速识别和评价方法,预应力钢结构结构健康监控传感器群布置的优化设计方法,预应力损失监控、高效补偿措施、新型设备及全寿命健康监控系统及在2008奥运羽毛球比赛馆等重大工程实际应用等问题,推动我国预应力钢结构学科理论技术创新和重大工程建设。4年羽毛球馆至7日作为已经建成的目前世界上跨度最大的新型预应力弦支穹顶结构,2008奥运会羽毛球馆预应力钢结构体系具有重大的标志性和工程典型性(图9),它代表了中国目前预应力钢结构科技创新、工程设计和建设实力,也代表了目前的国际领先水平。好运北京2007国际羽毛球邀请赛于10月10日至14日、艺术体操邀请赛于12月5日至7日成功举行,2008奥运会羽毛球馆优美的建筑造型、轻盈的结构体系、理性的景观设计、合理的使用功能得到了世界羽毛球联合