深圳大运中心体育场结构设计介绍

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深圳市建筑设计研究总院:刘琼祥院长
 
刘琼祥：大家下午好！今天跟大家交流一下深圳大运中心体育场设计的过程。我想讲两点，我们的方案出来了以后，很多专家是提出了一些异议的，也就是说这个结构方案到底行不行，因此进行了很长时间的讨论和研究。

在这个设计过程当中整个时间是比较长的。深圳大运中心体育场钢屋盖充分发挥了钢管受拉，它的主要特点是将单层的、三角层的网格通过空间传递的方法来使它不成为单层折面空间网格结构，这个是在过去碰到的。应该说在这个过程当中做了很多的探讨。这里面的特点就是一个是单层，单层是承受不了压力的，从而使空间折面的方法。

下面再介绍一下功能开发。深圳市世界大学生运动员体育中心位于深圳龙岗区，占地1.2平方公里，包括主体育场、体育馆、游泳馆以及其他达到国际先进水平的体育设施。建成后将作为2011年世界大学生运动会的主场馆。三个场馆同中心广场相连，与周围自然环境浑然一体。

这个体育场馆有它一个特殊的原因，在当初申办这个体育场馆的时候，深圳市并不打算要怎么样申办的，当时国家考虑到跟台湾的关系，台湾当时也开这样大的学生运动会，在这种情况下很着急，急急忙忙就设在深圳市，要不惜花一切代价做好，现在看来应该说这个体育场花了相当大的成本，这个成本以后统计下来再告诉大家。

体育场有如一颗源于自然、又超乎自然、棱角分明、晶莹剔透的水晶石，由形状各各异的三角形网格多种倾斜姿态交替弯折，互相联系在一起。体育场屋盖采用单层折面空间网格结构，固定座位可容纳6万多人，屋盖悬挑长度在不同区域分别为51.9米、68.4米，屋盖结构形状为马鞍形。

这是背景图。这是285米，270米。主结构杆件主要是以圆管为主，大部分直径是70到1200毫米，局部是1400毫米，次杆件为焊接箱型断面，高度450到600毫米，主结构节点采用铸钢节点和焊接节点，次杆件与主杆件采用刚性连接。整个钢屋盖与混凝土看台完全脱开，由20个球铰支座支承，球铰支座支承座落在标高6米钢筋混凝土平台上。屋面板材选料选用自重较轻的聚碳酸酯板。

下面讲一下结构特点。大运中心体育场采用了单层折面空间网格结构体系。这种结构体系充分发挥了钢管的受拉受压特性，将单层三角形网格通过空间折面的方法，把形状各异的三角性网格以多种倾斜角度组合在一起而形成。此结构形状轻巧，空间作用显著，但传力复杂，整体稳定、局部稳定问题突出，设计中对结构形状尺寸之大、侧向刚度要求非常高。

三角型网格。三角形主杆的四分点处布置次结构杆件，相互交错形成网格。是这样一个结构。里面的次杆仅仅承受以后的雨水荷载、风雪荷载。

为了方便大家了解，我们把节点命名。单层折面网格结构的凸点、凹点等构成整个结构形状的控制点。这是冠谷点、肩峰点、肩谷点。

在楼面上红色的表示的是压力，蓝色的是拉力，每一根杆子都是受力的。

下面讲一下节点。该体系的特点是：建筑形状控制点十分突出，该部位是杆件的节点交汇处，最多处有十根杆件相交汇。给焊接带来了很大的困难。焊缝重叠、应力集中，焊接质量难以保证。因此部分节点采用铸钢节点，对于形式比较简单的节点采用焊接节点。

下面讲一下球形支座，体育场共有20个球形支座，将支座做成球铰支承，释放弯矩作用，避免混凝土构件受弯，同时，为抵抗支座的水平推力，将支座顶面做成一个斜面。应该说我们体育场20个支座是比较少的，但是没办法，不做也得做，做也得做。

钢屋盖的设计。钢屋盖的屋顶呈现的是水晶石，是由不同尺寸的单层三角形网格按一定的倾斜角弯折后组成的。每个结构单元内主杆无一根冗余杆件。结构单元之间受建筑影响侧向无任何约束，给设计工作提出了挑战。初步设计通过计算分析、研讨，对结构形状进行了调整（简称找形），同时在不影响建筑效果的地方，加强侧向连接，整体实验证明，对结构的经济性、合理性、抗风、抗震性能有了本质的改善。

首先我们看一下结构找形。一个是支座位置。支座点的外移与肩峰点垂直，使得整个结构体系平面布置更合理，调整了竖直的支柱倾角，增大了抗整体倾覆力臂，提高抗整体倾覆的能力。大家看一下这个图，下面是找形后的几何形状，上面是找形前的几何形状。

减少内、外环高低差分析。内、外环的高低差也是有一定范围的。在做方案的时候我们感觉到，匆匆忙忙地做出来了以后，引发了高低差太大了的问题，后来经过了多次分析发现了一系列问题，高看台部分相应屋面悬挑较大，但是，高看台部分建筑需要开阔的视野，需要向上起拱，其实结构也需要悬挑大的地方起拱多一些。因此，的确需要合理的马鞍形屋面。但是内、外环高差过大，荷载增大引起拱推力增大。高低差过小，也是不合理的。一定范围内的合理高低差是十分重要的。计算表明：内外高低差由13.6米降到8.57米。

第三个方面，冠峰点适当外移。使细长压杆长度从53米减少到48米，受力趋向合理，增肩谷冠谷—杆与肩峰—冠谷杆间夹角，使其作用更有效，利用施工。

适当加大冠峰、冠谷之间的高差。冠峰、冠谷之间高差从8.5米调整到了10.7米，且内环梁直径从600毫米提高到了800毫米，提高了整体承载力及屋面前端的面外刚度和整体性。

侧向刚度设计问题：实际上最早很多专家提出的方案能不能成立的问题。当时在这个问题上讨论的时间是相当长的。现在看来这个问题好像是比较简单的。但是由于德国人的坚持，由于很多专家的意见不同，应该说有好几次比较大的争论。结构单元内主杆无一冗余杆件，作了一些改进：第一个是联通马道。同时20个支座的钢筋混凝土平台环形刚度适当加大，减少钢筋混凝土的变形对上部钢屋面的影响。还有增设一道肩谷环，肩谷环加上同时增加了结构抗连续倒塌的性能要求。

第四个方面是位移、周期控制。一方面是位移主要表现在使用的要求，以及与围护结构材料的变形、人的观感等有关。但也是结构的刚度承载能力的另一种表现形式。周期结构固有的动力特性与结构的刚度和质量分布有关。

通过整体稳定分析、局部稳定分析、风时程分析、大震下弹塑性动力时程分析、节点分析、整体、节点模型实验、多次组织国内知名专家研讨，确定了合理的结构控制性能指标。大运中心体育场其杆件受到原设计方案控制。

我们设计有几点感受：第一，本工程采用了单层折面空间网格结构，超大跨度，中间开洞大，使得这一创新的结构体系设计相当复杂。第二，找形工作十分重要。在深圳这种台风特大地区，控制合理的自振周期是必要的。

谢谢大家！