2008年奧運(yùn)會(huì)體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)方案研究

1耦合功能的大型體驗(yàn)建筑2008年，北京奧運(yùn)會(huì)的主席職位和中國(guó)國(guó)家體育中心的“鳥巢”計(jì)劃在設(shè)計(jì)比賽中獲得了批準(zhǔn)（見(jiàn)圖1）。它不僅被評(píng)估為世界古建筑的創(chuàng)造性重要性，而且被確定為一個(gè)重點(diǎn)推薦的實(shí)施計(jì)劃。中國(guó)國(guó)家體育中心將容納10萬(wàn)名觀眾，并預(yù)計(jì)它將成為世界上最大的一個(gè)該國(guó)屋頂。開合屋蓋結(jié)構(gòu)(RetractableRoofStructure)是一種在很短時(shí)間內(nèi)部分或全部屋頂結(jié)構(gòu)可以開合移動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式,它使建筑物在屋頂開啟和關(guān)閉兩個(gè)狀態(tài)下都可以使用.據(jù)統(tǒng)計(jì),從20世紀(jì)60年代至今世界上已建成200余座開合結(jié)構(gòu),主要用于游泳館、網(wǎng)球場(chǎng)等體育建筑.當(dāng)今世界規(guī)模及跨度最大的開合結(jié)構(gòu)是跨度(直徑)222m的日本福岡體育館.該館于1993年3月建成,建筑面積72740m2,是1995年在福岡舉行的世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)的主會(huì)場(chǎng).屋蓋由三片網(wǎng)殼組成,最下一片固定,中間及上面兩片可沿著圓形軌移動(dòng),因此開合方式為回轉(zhuǎn)重疊式,全部開啟后可呈125°的扇形開口.國(guó)家主體育場(chǎng)的外觀如同樹枝織成的鳥巢,其灰色礦質(zhì)般的鋼網(wǎng)以透明的膜材料覆蓋,其中包含著一個(gè)土紅色的碗狀體育場(chǎng)看臺(tái).設(shè)計(jì)的獨(dú)創(chuàng)性主要表現(xiàn)在:①外觀即結(jié)構(gòu),國(guó)家體育場(chǎng)由功能而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)與外觀的統(tǒng)一,與過(guò)分強(qiáng)調(diào)技術(shù)而忽視自身存在意義的建筑不同;②人群構(gòu)成建筑;③區(qū)別于通常的進(jìn)入方式,在強(qiáng)調(diào)體育館領(lǐng)域感的同時(shí),它取消了封閉的實(shí)墻,成為一個(gè)完全開放的體育場(chǎng).鳥巢的外輪廓平面為340m×280m橢圓形,開合部分為140m×70m,屋面為雙曲拋物面.目前“桁架式鋼架”及“開合”部分的結(jié)構(gòu)方案尚在探討之中.針對(duì)這種情況,本著建筑、結(jié)構(gòu)和諧統(tǒng)一的原則,作者在對(duì)開合結(jié)構(gòu)計(jì)方法和理論分析研究的基礎(chǔ)上,提出一些觀點(diǎn)并進(jìn)行了理論計(jì)算,供設(shè)計(jì)單位參考.2組合結(jié)構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)2.1水平重疊方面的組合(1)水平移動(dòng)方式,又可分為非軌道式和軌道式.非軌道式的特點(diǎn)是幾何尺寸、變形要求不高,結(jié)構(gòu)部分較好設(shè)計(jì),但難以提供水平約束反力,走行機(jī)構(gòu)存在安全隱患.軌道式又分為鋼性軌道式和柔性軌道式.開合結(jié)構(gòu)無(wú)論是水平移動(dòng)式還是空間移動(dòng)式,其軌道通常應(yīng)在開口的兩側(cè)建立,此種活動(dòng)方式可提供水平約束反力,適合于平面為方形、矩形或近似于矩形的帶狀場(chǎng)地.(2)重疊方式,又可細(xì)分為水平重疊、上下重疊、回轉(zhuǎn)重疊和水平回轉(zhuǎn)移動(dòng)重疊.重疊方式開合結(jié)構(gòu)的軌道在開口一側(cè),沿著弧形建立軌道.其上的結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置轉(zhuǎn)向架,以保證輪子沿軌道平順地滾動(dòng),適合于平面為圓形、橢圓形或近似橢圓的場(chǎng)地.(3)折疊方式,又可細(xì)分為水平折疊、回轉(zhuǎn)折疊和上下折疊.折疊式開合結(jié)構(gòu)適合的場(chǎng)地類型較為靈活.不僅可以是矩形,園形,甚至可以是不規(guī)則形狀,因?yàn)檎郫B式的開合方式,褶皺大小可以變化,故易組成不同形狀,但折疊處不易處理,處理不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生裂縫,漏雨,直接影響結(jié)構(gòu)壽命.(4)混合方式,是上述3種開合方式的組合,形式靈活但機(jī)構(gòu)復(fù)雜.(5)開合結(jié)構(gòu)選型的原則.開合方式簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn);結(jié)構(gòu)形式安全可靠、變形小;機(jī)械傳動(dòng)簡(jiǎn)單可靠;電器控制易于實(shí)現(xiàn)、可靠度高,控制精確,檢修方便;外形美觀,使用方便,功能性好;滿足各項(xiàng)使用功能及業(yè)主要求.2.2移動(dòng)屋蓋驅(qū)動(dòng)方式的選擇開合屋蓋結(jié)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)均是在吊車機(jī)械技術(shù)或是在改進(jìn)的吊車機(jī)械驅(qū)動(dòng)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的.與之不同的是,移動(dòng)屋蓋并不總是沿著直線運(yùn)動(dòng)的,在許多情況下,移動(dòng)屋蓋沿著某一規(guī)則(平面或空間)曲線移動(dòng),而且行走機(jī)構(gòu)所受的外荷載類型多,作用方式復(fù)雜,所以,移動(dòng)屋蓋的驅(qū)動(dòng)和行走機(jī)構(gòu)比普通吊車機(jī)械技術(shù)要復(fù)雜的多.驅(qū)動(dòng)方法可分為輪驅(qū)動(dòng)、鋼纜繩牽引、齒條和齒輪及千斤頂驅(qū)動(dòng)方式共4種.統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,采用輪驅(qū)動(dòng)和鋼纜繩牽引方式的建筑占絕大多數(shù).2.3接合屋蓋荷載作用行走機(jī)構(gòu)的作用是使移動(dòng)屋蓋沿著規(guī)定的方向移動(dòng),并把移動(dòng)屋蓋的荷載傳遞到下部支撐結(jié)構(gòu)上.行走機(jī)構(gòu)的受力是由開合屋蓋的受力特點(diǎn)決定的,行走機(jī)構(gòu)受恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、地震荷載、溫度荷載、啟動(dòng)剎車慣性力、行走振動(dòng)荷載、不均勻沉降等不利荷載組合.除啟動(dòng)剎車慣性力是沿著行走方向外,其余荷載作用一般都與行走方向垂直或成一定的角度.與固定式屋蓋相比開合屋蓋在技術(shù)上有很多特殊的問(wèn)題必須慎重對(duì)待,如在結(jié)構(gòu)形狀不斷改變的條件下,設(shè)計(jì)荷載尤其是風(fēng)荷載以及結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊效應(yīng);屋蓋走行部及軌道設(shè)計(jì);屋蓋運(yùn)行故障檢測(cè)及排除措施;屋蓋的監(jiān)控與安全保障系統(tǒng)設(shè)置等.在已建成的開合結(jié)構(gòu)中不乏打開合不上、合上開不了的例子,更有一些開合結(jié)構(gòu)因開合功能故障最終不得不改為固定屋蓋.說(shuō)明開合結(jié)構(gòu)確實(shí)是一種技術(shù)性很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式,對(duì)設(shè)計(jì)和施工都有很高的要求.3《鳥巢》啟動(dòng)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1剛性軌道式此工程為我國(guó)第一個(gè)開合結(jié)構(gòu),技術(shù)不夠成熟,綜合考慮各方面因素及“鳥巢”開合部分的平面形狀,作者認(rèn)為,采用剛性或柔性軌道移動(dòng)開合方式(見(jiàn)圖2)較為合適.如果采用剛性軌道,對(duì)大跨度產(chǎn)生的絕對(duì)和相對(duì)撓度、變形要求非常嚴(yán)格.如果采用柔性軌道走行機(jī)構(gòu),即纜索沿索道支座行走帶動(dòng)屋面,對(duì)移動(dòng)纜索的軌道坡度要求較低,一般結(jié)構(gòu)剛度均可滿足.無(wú)論是剛性軌道式還是柔性軌道式都有一些國(guó)外工程可借鑒.這兩種方案均采用剛性屋蓋.驅(qū)動(dòng)方式可分別采用輪驅(qū)動(dòng)和鋼纜繩牽引方式,從驅(qū)動(dòng)機(jī)械的繁簡(jiǎn)程度來(lái)看,鋼纜繩驅(qū)動(dòng)方式要簡(jiǎn)單一些.這里僅討論剛性軌道移動(dòng)開合方式.3.2剛性軌方案的初步設(shè)計(jì)(1)軌道梁的變形控制根據(jù)鳥巢方案的建筑效果,屋蓋開合結(jié)構(gòu)采用剛性軌道水平移動(dòng)方式.對(duì)于剛性軌道,如果跨度100m,若將變形控制在1/10000,也將產(chǎn)生10mm的變形,這是軌道運(yùn)輸不能允許的.為控制變形提高剛度可采用我國(guó)自行研制開發(fā)的索托結(jié)構(gòu),用索托結(jié)構(gòu)托住兩根長(zhǎng)280m的鋼結(jié)構(gòu)軌道梁,在軌道梁上架設(shè)可開合的兩片75m×70m的正交正放平板網(wǎng)架.荷載的傳遞路線為:外荷載→網(wǎng)架→輪軌(支座)→軌道梁→索→主結(jié)構(gòu).(2)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算①模型建立(如圖3所示).短邊跨度L=70m,網(wǎng)格尺寸a=1/14L=5m,網(wǎng)格數(shù)n=14×15,網(wǎng)架高度h=5m,跨高比L/h=14.②材料與荷載.鋼材型號(hào)Q345,外荷載初步估算為1000N/m2.③結(jié)構(gòu)計(jì)算.采用分析程序ANSYS,經(jīng)過(guò)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性驗(yàn)算,算得桿件最大應(yīng)力為263MPa,最小應(yīng)力為-244MPa(見(jiàn)圖4).這樣單片網(wǎng)架重量為105701.7kg,用鋼量為20.134kg/m2.(3)設(shè)置梁的高度模型建立如圖5所示.由3根索托住兩根鋼軌道梁,為提高梁的剛度和穩(wěn)定性在梁之間設(shè)置3根壓桿,索與梁的接觸為點(diǎn)—點(diǎn)接觸單元.設(shè)計(jì)中取索的傾斜角角平分線上設(shè)關(guān)鍵點(diǎn),設(shè)置梁過(guò)此關(guān)鍵點(diǎn).索固定于主結(jié)構(gòu)外環(huán)雙曲面最高點(diǎn),與網(wǎng)架高差15m.材料選鋼梁、鋼桿為Q345,彈性模量E=2.1×1011Pa,索破斷強(qiáng)度為1860MPa,索的彈性模量Es=1.85×1011Pa.梁采用工字鋼,根據(jù)受力情況,選擇梁高1000mm;梁計(jì)算高度940mm、腹板厚度20mm;翼緣寬550mm,翼緣厚30mm,截面抵抗矩19710×10-6m3.計(jì)算結(jié)果,梁的最大彎矩為1.29×107Nm,最小彎矩為-6.9×106Nm(如圖6).4主高爾夫球場(chǎng)合作結(jié)構(gòu)采用索托結(jié)構(gòu)方案的難點(diǎn)對(duì)主體育場(chǎng)開合部分所做的方案分析和初設(shè)計(jì)結(jié)果表明:(1)開合結(jié)構(gòu)采用剛性軌道方案,網(wǎng)架用鋼量?jī)H為20kg/m2,顯示出索托結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性.受力最大桿在上下弦中部,受力最小桿為中部腹桿,符合梁板體系的力學(xué)規(guī)律.(2)從軌道梁彎矩圖可以看出,梁中部彎矩最大且內(nèi)側(cè)受拉.該位置是截面設(shè)計(jì)的重點(diǎn).(3)索托結(jié)構(gòu)計(jì)算難點(diǎn)是接觸非線性理論.3根索中,中間索受力最大,因此該索截面應(yīng)大于其它兩根索,這是由于軌道梁內(nèi)力分布引起的.(4)計(jì)算分析表明,主體育場(chǎng)開合部分采用此種結(jié)構(gòu)方案是可以實(shí)現(xiàn)的,而且經(jīng)濟(jì)性比較好.索托結(jié)構(gòu)與開合結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)應(yīng)用是很有前途的,它的深化設(shè)計(jì)及理論分析還有很多工作要做.對(duì)一個(gè)開合結(jié)構(gòu)工程的評(píng)價(jià)是多方面的,應(yīng)依據(jù)具體結(jié)構(gòu)的功能及規(guī)模等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).整體方案要遵從可行、安全、經(jīng)濟(jì)的原則.我國(guó)政府將把這界奧運(yùn)會(huì)辦成科技奧運(yùn),而奧運(yùn)場(chǎng)館本身就是在展示國(guó)家建筑科