鄂尔多斯东胜体育场开合屋盖结构设计

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中国建筑设计研究院:范重副总工程师
 
范重：各位专家，各位同行，大家下午好！非常高兴今天能够有机会来这里跟大家介绍以可开合屋面为特点的体育场。听了前面各位介绍以后，我感觉很有收获。

介绍分这么几个内容：工程概况、结构体系、技术难点、混凝土结构、固定屋盖、巨拱与钢索、空间移动式活动盖，最后把一个最新投标的工程跟大家介绍一下。

大家知道鄂尔多斯是我们国家北方经济非常发达的地区，目前的建设量非常大。这个体育场的规模是45000人，最近规模有一点调整，面积是86万多平方米，它的特点是有一个可开合的屋顶，满足全天候使用。

建筑造型的话，大家看到这是建筑的效果图。这里还有主体的体育场，分为游泳馆、体育场和会馆，是一个一场三馆的体育中心，这是一个建筑的效果图。这是另外一个侧面，这是一个平面的布置，平面的布置靠西侧的是我们主体育场，靠旁边的类似于飘带，在内蒙古，含义是哈达。这是另外三个馆，这是建筑的平面，基座层主要是一些运动员的服务，停车、办公的区域。从二层开始是一些功能的房间，一些零售店、卫生间。已经出现看台了，在上面主要是以观众席为主，观众坐席。屋顶可开启的部分是在中间，旁边是轨道。这是建筑的立面剖面图。这是我们的大拱立面，这是侧面。

我们介绍一下结构体系，结构体系有几个特点：一个是混凝土结构采用了一种框架、钢架混合的结构体系。预制看台采用混凝土的看台。这是基座层结构布置的情况。这是二层，这是三层，基础设计我们采用了灌注桩技术。在旁边的部分用独立的基础，不用联合的基础，通过后浇带来达到一个最优的经济性，比较有特点的是巨拱的基础，我们在拱的两端各有35根桩，而且埋深是比较深的，相应还有一些控制指标，水平推力作用下的水平位移控制是我们关注的问题。

对于带有活动盖的部分我们要确定一下哪一个是固定的盖，哪一个是活动的盖，这是一个三维的图，我们固定的盖是由三种构件来组成的。一个是两个平行的主桁架，又叫轨道桁架。可以看得出来主桁架，跟它垂直的方向我们叫次桁架，周边一圈叫环向桁架，跨越整个体育场，南北方向是一个巨拱，拱的跨度非常大，达到330米，最大高度是120米，这个拱是倾斜的，倾斜的角度是6.1度，我们也曾经跟建筑师来商量，我们说这个拱的倾斜会造成施工、设计各方面的复杂性，特别是可开启屋盖是非常关键的，如果是拱倾斜的话就形成不对称的结构，要控制起来就非常困难。包括索的控制，难度就大大增加了，但是经过反复的磋商，说白了就是讨价还价，最后建筑师把拱的倾斜角度逐渐地缩小了，最后最小他们认为是6.1度，不能再让步了。

我们一共有25组钢索。在主桁架的旁边设定了一个上反的三角形桁架，这个桁架一个是设置索的吊点，再一个是形成比较高的端面。这个比较高的端面再加上索的提拉力就控制了轨道的变形，将来运行的可靠性就可以得到一个基本提升。当然还有一些其他的措施。

这个建设地点是在内蒙古的鄂尔多斯市，靠近包头的地方，这个地方的气侯特点是干燥、寒冷、无霜期长，最低温度接近零下30度，这个是我们首要克服的难题，首先要克服超长的混凝土结构不适合带来的问题，还有一些钢结构在温差很大的条件下怎么样来控制温度，这是我们设计当中的一些难题。

我们在整个设计分析过程当中讨论了常规的荷载和效应。这个工程大家看一下这个体系比较特殊，我们也做了风洞实验。我们比较了活动盖闭合、开启，还有半开状态下结构表面风压的分布情况。一般带开合屋顶的结构有一个状态，虽然局部屋顶是可以开启的，但是这个状态平常是打开的，是一个常开状态，这个跟它的使用率是分不开的，原因是因为一般性主体育场主要是足球比赛、田径比赛，足球比赛需要草坪，草坪需要阳光，所以这时候是常开状态，体育比赛场地都在露天的情况下，所以这个场的定位是常开状态，虽然可以关闭，但是状态是常开的，不过也遇到一些难题，比如说消防是算室内，还是室外呢，这个很难说服专家说室外的场，很多时候要按照关闭的时候来采取措施，还有很多类似的问题，主要是这类的场馆数量还比较少，没有专门的规章规程。

我们发现一个很有趣的现象，当地的场馆活动屋面在全闭状态下形成了一个球冠的状态，球冠的半径为360米，开启了以后不但效应小，风荷载绝对直径小，所以我觉得我们从管理规定上有相应的要求，在风等级情况下要把这个活动屋面处于一个开启的状态，这是一个很重要的措施。如果是关闭状态的话付出的代价是比较大的，用各方面的指标控制起来都比较困难一些。

地震作用的话我们做了很多很多的比较。根据各个构件的重要性提出了各个不同部位的抗震性能指标。大拱的重要性无疑是非常高的，特别是是拱角的部分，还有一些部位是支撑屋盖环向不可缺少的部分。这是有一个斜柱。我们需要做时程分析，我们选了三种，这个工程技术难点有这么几个：

第一个，结构体系复杂。实际上我们在设计当中也引入了调整的概念，我们是一个单拱，而且是一个单斜拱。

第二个，考虑到使用功能和支撑盖的关系。在这么温差大的地区，这么干燥、寒冷的地区采取什么措施才可以保证结构的安全性和耐久性是我们需要考虑的。

我们这个在面内的刚度很大，面外的话是330米的拱，断面只有5米宽，5米到8米高，所以是一个柔性结构，柔性结构的话怎么样去安装、调试，怎么样调整是需要解决的问题。

这里有很多很详细的结果。和一般屋盖不一样的地方计算分析内容要更多，打开状态、闭合状态、过程状态，这是跟一般设计最不一样的地方，这个是非常关键的地方。由于我们有一个大拱通过索来提拉，所以整个屋盖的钢度得到了明显的增强。

还有一个是开和合的状态，它的动力特性是完全不一样的。我们可以比较一下，在关闭的状态下我们的周期是1.8秒，在开启的状态下是1.6秒多，开启的状态刚度略大，地震效应略大，这是它的一个特点。

这是前几个周期振型情况，跟拱相关的振型比较多，很多专家担心大拱的稳定性，单拱怎么样来稳定。

罕遇地震，罕遇地震的分析，确定各种构件性能指标，这是构件的特点。

发现一些问题也不要紧张，有一些问题是可以加强的，这是分析的目的。主要难题是怎么样去克服后期收缩和温差造成混凝土开裂潜在的隐患，我们根据当地的气象条件进行了分析，取得了很多资料，我们分析了它的年平均温度、月平均温度、日平均温度，最后我们发现了，对于混凝土结构，控制它后期收缩应力有一个统称，收缩主要是前期的收缩，后期的温度应力，我们统称为收缩温度应力。

温差怎么算呢，我们觉得用极端的温度好像对钢结构比较适合，对混凝土来说用日温度太严了一点，所以用了周温度，周的平均温度来作为我们温度应力计算的标准。很多数据是这样的，这个气象数据最全的是美国海军的气象数据库，用于军事目的。我们民用行业实际上很难去搜集，我们从他们数据库里拷一个光盘，最后数据库公开了。这是当地周的温度变化，这是月的温度变化。

混凝土结构就不一样了，我们提出了一个叫等效负温差的观点，我相信大家都是这么做的。混凝土的伸缩和后期使用的温度应力组成，一个是前期收缩，现在公认的是后浇带封闭之前能够完成30%左右的收缩量，所以应该说这个收缩量对于后期来讲还不是一个非常关键的问题。如果两个月后浇带封闭以后，后期仍然有不少的收缩应变在里面。

另外要考虑一下使用阶段的温差。可以通过混凝土的特性来折减，一般折减系数是0.3到0.4，可以算出正负温差，因为时间的关系只能简单讲一下。对于基础来讲我们主要做了很多工作。

看台结构比较有特点，是一个力度感很强的钢架，像一个钢架一样，这个最初不是结构工程师提出来的，它外面的外结构，但是这个项目是我们院自己的方案，总建筑师崔凯建筑大师的方案，加了一些斜的构件。我们在看台上面有一个凸出来的短柱，这个有长有短，短的是0，长的是3、4米这样，这一段构件的可靠性对屋顶的安全性至关重要。这是几个剖面，每个剖面都不一样，每个剖面略有差别。

比较有特点的是看台斜梁和内斜柱。这是一个温度应力的计算。这是一些对于构件截面的分析，可靠性的分析。对于这个大拱，主要稳定分析，我们分为弹性分析和弹性几何分析。我们所有的分析都分开和闭两个分开的状态，很多计算长度取值是不对的，大拱很大，但是它的斜杆浮杆比较小，所以大拱的计算长度是比较长的，大拱的长度并不是它的计算长度，做了很多节点。

断索分析。现在很多是不可预知，特别是对索结构来讲有一个更换的问题，如果没有支撑的话两边肯定不平衡，所以我们考虑了两根索段的情况。

钢索的分析，钢索分析的话实际上有很多种，钢索是我们建筑部门、建筑结构工程师不是很熟悉的，它的特点是柔性材料，包括长度控制都不太一样，因为我们的索长是60米到80米，所以它的频率很长，2秒多，需要控制它的温波频率、风雨、地震。有一些验证后没有问题就OK了，有一些要采取措施。

索内力的控制是我们不能让它松驰，最大的耐力控制到0.4。因为拱是斜的，所以两侧的索是不一样的，我们叫A侧、B侧，A轨道、B轨道，这里面费了很大的劲。

鸟巢最初的基本迁移方式是这样的，是一个索驱动，但是它的固定点在中间和两边，带一个绞盘，是这么一个驱动的方式，为了避免卡轨，把一边的固定屋面分成5个块，我们这次总结了经验，因为鸟巢的方案并没有真正实现，我们这次实际上有几个方面的改进。一个是相对开口面增大了，要尽量地开大口，第二个是用索和拱的方式来加强轨道。这里有很多计算分析，它的性能应该跟普通的构件是大不一样的。18分钟可以打开，或者是关闭，它有很多计算分析的情况，这是刚才关闭的情况，这是打开的情况。

牵引的方式采用全新的方式，我们提出一个办法，左边的活动盖是通过右边的索来做的，这是一个转向滑轮，像刚才是绞上去，要么是顶上去，现在这种就很顺畅。这是一个局部的。

施工起来实际上是很麻烦的，特别是索，索需要三次调整才可以到位，为了说明问题我们演示一下，固定屋盖完成了以后，支撑拱的塔架还需要有一个临时的索拉到地面，拉到地面以后再卸载，卸载以后安装，这样可以得到有效的控制。是在闭合的状态下安装，安装了以后再调整。

把我们最新的折叠式活动盖给大家演示一下。我通过这个介绍想听取一下大家的意见，我们是一个国家网球中心的新馆，是为了举办中网比赛，“中网”是继“法网”、“奥网”之后的第五大赛事，想升级成国际大赛，这样需要有一个活动屋顶全天候的场，这个叫什么了，突然忘了，叫花之莲吧，提出了这么一个方案，我们的屋盖面积比较小，直径只有140米，所以开启率定在50%，中间采用一点折叠式的活动盖，这个折叠式的活动盖在旁边采用一个三层网架，屋盖折叠以后完全隐藏在二层网盖的中间，拉开以后全部折叠。我们也进行了一些计算分析，这是它的一个动画，振型的动画。这就是我们活动盖的部分，这个是固定盖的部分。

好的。谢谢大家！