廣東體育場館屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工創(chuàng)新技術(shù)

2011年深圳大運會場館屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工創(chuàng)新技術(shù)

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****科學(xué)研究院深圳分院

2011年深圳大運會新建場館為承辦2011年大運會，深圳共將投入使用54個體育場館，其中包括29個比賽場館、25個訓(xùn)練場館。除已建成投入使用的擁有35000個座位的深圳體育場、4000個座位的深圳游泳跳水館、8000個座位的**體育館等32個場館外，深圳新建22個體育場館。。新建22個體育場館布局：大運中心3個場館、***體育中心3個場館、**體育場1個場館、大學(xué)城體育中心建有3個場館、**體育中心2個場館、信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院建有2個場館、海上運動基地暨航海運動學(xué)校建有1個場館、體育運動學(xué)校新校區(qū)4個場館、鹽田區(qū)體育中心2個場館、龍崗飛碟靶場1個場館。

一、深圳大運中心深圳大運會體育中心三大場館分別是主體育場、體育館、游泳館。其中，主體育場規(guī)劃建設(shè)6萬個座位，體育館可容納1.8萬名觀眾，游泳館建設(shè)3000個座位?！彼钡慕ㄖ桨赣傻聡鳪MP國際建筑設(shè)計有限公司完成。大運中心效果圖一、深圳大運中心■（一）主體育場施工圖設(shè)計單位：深圳市建筑設(shè)計研究總院鋼結(jié)構(gòu)施工單位：中國建筑第三工程局1、工程概況屋蓋的結(jié)構(gòu)形式為單層折面空間網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)，由20個形狀相近的結(jié)構(gòu)單元呈雙軸對稱分布構(gòu)成，平面為橢圓型，尺寸為285m×270m。屋蓋最高點高44.lm，在不同區(qū)域懸挑長度為51.9~68.4m，設(shè)計總用鋼量約18000t。鋼屋蓋構(gòu)成立面馬鞍形外圈（高差12m）內(nèi)圈（高差8.6m）鋼屋蓋示意圖鋼屋蓋構(gòu)成一、深圳大運中心2、設(shè)計特點

（1）鋼屋蓋主結(jié)構(gòu)為由空間三角形網(wǎng)格組成的單層折面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的主桿件為鑄鋼管、焊接鋼管及鑄鋼管＋焊接鋼管，直徑為700~1400mm，壁厚為12~140mm

，最大長度約為50.6m；次桿件為焊接箱形截面桿件，對主結(jié)構(gòu)起到側(cè)向穩(wěn)定支撐作用。由13個三角形構(gòu)成受力節(jié)點結(jié)構(gòu)組成主桿件次桿件一、深圳大運中心（2）結(jié)構(gòu)新穎，某些關(guān)鍵技術(shù)無規(guī)范可依；因此對整體穩(wěn)定、變形控制、桿件計算長度、風(fēng)振分析等方面，進(jìn)行了理論探索；（3）采用6個軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，包括整體穩(wěn)定分析、大震彈塑性時程分析、風(fēng)時程分析、節(jié)點有限元分析，進(jìn)行了風(fēng)洞試驗、整體模型試驗、節(jié)點試驗；（4）鋼屋蓋設(shè)置內(nèi)環(huán)（懸挑盡端）、馬道環(huán)、肩谷環(huán)，顯著提高了結(jié)構(gòu)體剛度，減小了風(fēng)效應(yīng)，有效防止了結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌。（5）結(jié)構(gòu)的支座、背峰、背谷、肩峰、肩谷、冠谷位置采用鑄鋼節(jié)點，共120個。鑄鋼節(jié)點單件最重約90t，總重4000t

。結(jié)構(gòu)的冠峰、內(nèi)環(huán)位置為焊接節(jié)點，共40個。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點分布示意圖組成一、深圳大運中心（6）鋼筋混凝土看臺為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)；平面形狀為橢圓型，尺寸為324m×310m；鋼屋蓋支座所在的2F平臺不設(shè)變形縫，為周長1056m的超長結(jié)構(gòu)，進(jìn)行溫度、預(yù)應(yīng)力及徐變的理論研究及分析。上部看臺設(shè)置變形縫，將上部結(jié)構(gòu)分為4個單獨的結(jié)構(gòu)單元。一、深圳大運中心2、安裝特點（1）結(jié)構(gòu)安裝難點主要包括以下方面：

①結(jié)構(gòu)懸挑跨度大，且支點少；②節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜，單個重量超大，吊裝時穩(wěn)定性難以控制；③單根鋼管超長超重，在二維方向上不斷發(fā)生變化，測最定位困難；④構(gòu)件安裝就位前的變形難以控制，容易影響安裝精準(zhǔn)度⑤200mm厚大直徑鑄管焊接方案（2）安裝方法選擇了高空散裝法和分塊安裝法相結(jié)合的施工總方案，并嚴(yán)格按照高空原位安裝的原則，為背峰、背谷、冠谷和內(nèi)環(huán)節(jié)點位置設(shè)計了臨時支撐胎架。一、深圳大運中心（3）鋼結(jié)構(gòu)吊裝方式分為以下幾種：①巨型節(jié)點單件吊裝；②巨型主桿件單件吊裝；③小型節(jié)點與主桿件組拼吊裝；④主次桿件組拼吊裝；⑤小次桿件單獨吊裝補(bǔ)齊屋面結(jié)構(gòu)。（4）卸載方案如下：一次性同步卸載背谷一次性同步卸載背峰等量位移為基礎(chǔ)分多次循環(huán)同步卸載冠谷和內(nèi)環(huán)完成全部卸載一、深圳大運中心（二）主體育館

施工圖設(shè)計單位：******設(shè)計研究院鋼結(jié)構(gòu)施工單位：上海**建設(shè)有限公司1、工程概況體育館平面為圓形，直徑為144m（支座處）和158m（外圈），高度為34m。屋蓋的外圈結(jié)構(gòu)由16個形狀相同的空間折面網(wǎng)格單元構(gòu)成，中間為直徑大約為50m的球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)工程用鋼量約5800t。一、深圳大運中心心（二）主體育館體育館效果圖體育館剖面圖一、深圳大運中心心2.設(shè)計特點(1)柱腳采用了球型鉸鉸支座，釋放了豎豎向傳力構(gòu)件的彎彎距。(2)將垂直傳遞豎向力力的構(gòu)件置于球型型支座的內(nèi)側(cè)，，形成了部分抵抗抗屋蓋外張的自平平衡內(nèi)力，減小了了柱底的水平推力力。(3)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了改進(jìn)，即在結(jié)構(gòu)的肩谷谷點處設(shè)置了一圈圈拉環(huán)，增加拉環(huán)后，按按展開面積及單位位面積用鋼量，由由190kg/m2降為148kg/m2，特征值屈曲分析析得到的屈曲因子子，也從加拉桿前前的1.927，提高到8.103(4)對肩谷的鑄鋼節(jié)點點和支座球節(jié)點進(jìn)進(jìn)行優(yōu)化。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)骨架架圖一、深圳大運中心心3、施工特點：（1）安裝采用國內(nèi)最最先進(jìn)的累積旋轉(zhuǎn)滑移的施工工藝，即在在東西兩側(cè)設(shè)置兩兩個拼裝平臺，將將構(gòu)件定點拼裝并并支撐在支座處的的半徑分別為25米和41米的三條圓形軌道道及中心圓點上，，通過旋轉(zhuǎn)滑移到到設(shè)定位置。(2)鋼結(jié)構(gòu)卸載過程就就是將形成整體的的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋脫離離三條滑移軌道及及中心圓點的臨時時支撐，依靠自身身結(jié)構(gòu)站立起來的的過程。一、深圳大運中心心（三）游泳館施工圖設(shè)計單位：：中建國際（深圳圳）設(shè)計有限公司司鋼結(jié)構(gòu)施工單位：：長江精工鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)（集團(tuán)）有限公公司1、工程概況結(jié)構(gòu)體系為鋼筋砼框架+屋蓋鋼結(jié)構(gòu)?？傆娩摿考s4300t。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋坐落落在標(biāo)高4.5m的混凝土結(jié)構(gòu)柱上上(支座中心標(biāo)高為6.0m)。鋼結(jié)構(gòu)受力體系系為空間單層折面面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。從整個結(jié)構(gòu)來看，，結(jié)構(gòu)承受外荷載載時，跨中上弦肋肋桿受壓，下弦肋肋桿受拉，跨端正正好相反。上弦肋肋桿與下弦肋桿之之間形成一對力矩矩，抵抗外荷載產(chǎn)產(chǎn)生的彎矩。次桿桿件將主桿件平均均分為三份，起到到增加結(jié)構(gòu)整體剛剛度的作用，并作作為幕墻及屋面板板的支承結(jié)構(gòu)。一、深圳大運中心心（三）游泳館游泳館屋蓋示意圖圖一、深圳大運中心心2.設(shè)計特點(1)空間單層折面網(wǎng)格格結(jié)構(gòu)，受力特性性更趨于單向狹長長結(jié)構(gòu)，空間作用用比體育館要小。。（2）柱腳采用了與地地面傾斜的球型鉸鉸支座，釋放了豎豎向傳力構(gòu)件的彎彎距，并將部分水水平推力轉(zhuǎn)換成向向下的垂直力。（3）柱腳鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點點采用球鉸式鑄鋼鋼節(jié)點，通過預(yù)應(yīng)應(yīng)力錨栓固定于混混凝土承臺之上，，在混凝土承臺中中配置了三向鋼筋筋網(wǎng)和型鋼。下部混凝土承臺上部鑄鋼節(jié)點球鉸式鑄鋼節(jié)點下部蘑菇形鑄件上部盆形鑄件一、深圳大運中心心3.施工特點（1）搭設(shè)拼裝平臺進(jìn)進(jìn)行高空散裝，沿沿縱向整體液壓同同步累積滑移的施施工方案進(jìn)行施工工。滑移單元拼裝裝順序：從中間到兩邊、從內(nèi)內(nèi)側(cè)（遠(yuǎn)離吊機(jī)位位置的一側(cè)）到外外側(cè)。屋蓋滑移單元一、深圳大運中心心（2）本項目的滑移與與支座就位：首先先固定預(yù)應(yīng)力錨栓栓，澆注混凝土至至標(biāo)高4.38m；待進(jìn)行最后一次次滑移前，將預(yù)埋埋地板放入混凝土土承臺內(nèi)；結(jié)構(gòu)滑滑移到位后，以結(jié)結(jié)構(gòu)支座作為支撐撐點，用三條導(dǎo)鏈鏈將預(yù)埋地板提升升到設(shè)計位置，澆澆注混凝土。鋼結(jié)結(jié)構(gòu)屋蓋整體滑移移到位后，將每個個球鉸支座精確校校正，補(bǔ)澆混凝土土到設(shè)計標(biāo)高。（3）滑移及卸載均進(jìn)進(jìn)行了有限元施工工模擬分析，并進(jìn)進(jìn)行了施工監(jiān)測。。一、深圳大運中心心游泳館屋蓋滑移完完成二、***體育中中心***體育中心選選定日本佐藤綜合計畫畫與北京建筑設(shè)計計研究院聯(lián)合設(shè)計計的“春繭”方案為實施方案。。施工圖設(shè)計單位位為北京建筑設(shè)計研究究院。圖11***體育中心效效果圖二、***體育中中心***體育中心為為空間大跨度結(jié)構(gòu)構(gòu)，屋蓋投影長度度530m，寬240m，是目前國內(nèi)最大的一體化場館建筑筑，總用鋼量約20000t。***體育中心結(jié)結(jié)構(gòu)分解圖二、***體育中中心游泳館和體育館屋屋蓋采用正交斜放四角錐雙雙層網(wǎng)殼，節(jié)點采用焊接球球，平面投影均為為橢圓形，空間呈呈拱形，并且在上上弦外圍均設(shè)置封封邊桿件，以提高高屋蓋結(jié)構(gòu)的整體體剛度。游泳館屋屋蓋橢圓邊長98.6×77.6m，網(wǎng)格邊長為3.54m~4m，厚度約4m，屋蓋最高點標(biāo)高高35.7m，總重460t。體育館屋蓋橢圓圓邊長117.9×104.3m，網(wǎng)格邊長為3.97m~4．41m，厚度約5m，屋蓋最高點標(biāo)高高38.5m，總重720t。游泳館、體育館館上弦封邊桿件下下分別均勻設(shè)置30和40個V字形支撐鋼柱，V形柱頂與網(wǎng)架鉸接接，柱腳采用固定定鉸支座。體育場：共設(shè)有2萬個座位，分為上上下兩層，罩棚最最高處平均高度約約40m，體育場和大樹廣廣場部分，用鋼量量12000t；構(gòu)件形式為重鋼鋼構(gòu)件，技術(shù)難度度大、包括類似國國家體育場（鳥巢巢）的彎扭構(gòu)件、、厚壁鋼管、鑄鋼鋼件等。二、***體育中中心鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式分分解二、***體育中中心1、設(shè)計特點：最大大的一體化場館建建筑，鋼結(jié)構(gòu)未分分縫，長度530米，溫度應(yīng)力起設(shè)設(shè)計控制作用。2、施工特點：彎扭扭構(gòu)件、厚壁鋼管管、鑄鋼件、高空空散拼、分標(biāo)段卸卸載、標(biāo)段間連接接三、**體育場**體育場采用德德國GMP國際建筑設(shè)計有限限公司設(shè)計的“竹林”方案。施工圖設(shè)計單位：：華南理工大學(xué)建建筑設(shè)計院下部鋼結(jié)構(gòu)施工：：上海**屋蓋膜結(jié)構(gòu)施工：：上海太陽膜工程程公司屋蓋索結(jié)構(gòu)施工：：中國建筑科學(xué)研研究院建研科技股股份有限公司。屋蓋結(jié)構(gòu)整體模型型施工張拉試驗：：清華大學(xué)主要包括主體育場場、附屬訓(xùn)練場、、地下停車庫和體體育運動學(xué)校四個個部分。三、**體育場**體育場效果圖圖三、**體育場屋蓋結(jié)構(gòu)采用輪輻式索膜結(jié)構(gòu)，整個體育場的平平面為直徑245m的正圓，除幕墻結(jié)結(jié)構(gòu)外，主結(jié)構(gòu)平平面投影略顯橢圓圓形，長軸237m，短軸230m，進(jìn)深54m。膜材選用PTFE膜，材料抗拉強(qiáng)度為為130kN/m,主受力拉索采用高強(qiáng)度全封閉索，材料抗拉強(qiáng)度為為1760MPa。本屋蓋結(jié)構(gòu)共有一一個外部的壓環(huán)，兩個中央的拉環(huán)。外部的壓環(huán)呈馬馬鞍型，其高點和和低點之間的高差差為9.65m。采用“目”字型型截面1800mm×1100mm，翼緣厚25mm，腹板厚35mm，豎向加勁肋板厚厚30mm。中央上部的拉環(huán)環(huán)由?70的全封閉索組成，，下部的拉環(huán)則為為?90的全封閉索。整個個屋蓋共有36榀索桁架，其上徑徑向索為?75，下徑向索為?95，7根懸掛索均為?20。索桁架與內(nèi)拉環(huán)環(huán)相交處設(shè)承壓的的“飛柱”，其截截面為?375×10。兩個內(nèi)環(huán)的預(yù)應(yīng)應(yīng)力在上徑向索和和下徑向索中產(chǎn)生生拉力，并傳遞到到外壓環(huán)上，形成成自錨體系。徑向向的索桁架不僅能能將整個屋蓋的荷荷載傳遞到外部的的拉環(huán)上，同時還還能增強(qiáng)外壓環(huán)的的整體穩(wěn)定性。三、**體育場場屋面的膜結(jié)構(gòu)包括僅承受拉力力的膜材和其支支承結(jié)構(gòu)體系。。支承結(jié)構(gòu)采用用拱的形式，通通過定義合適的的平面和拱高可可以得到膜結(jié)構(gòu)構(gòu)受力所需要的的雙曲面。膜結(jié)構(gòu)將荷載載傳遞到支承拱拱結(jié)構(gòu)，同時在在拱的兩邊加上上預(yù)應(yīng)力拉索保保證相鄰受壓拱拱的平衡。拱腳腳處采用鉸接的的形式，一方面面有利于膜結(jié)構(gòu)構(gòu)和拱支承的協(xié)協(xié)同工作，另一一方面當(dāng)拱兩側(cè)側(cè)的膜材受到不不同的荷載時，，拱可以相對自自由地轉(zhuǎn)動以適適應(yīng)荷載的變化化，而不致在拱拱腳產(chǎn)生過大的的約束反力。屋面膜材全部采采用PTFE膜。最外側(cè)一道支承承拱為?230×8，預(yù)應(yīng)力拉索為為?26，其余6道支承拱為?220×8，相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力力拉索為?24。所有的預(yù)應(yīng)力力拉索均施加30kN的預(yù)張力。三、**體育場場車輻式張拉屋蓋蓋結(jié)構(gòu)呈橢圓形形馬鞍面,索力分布不均勻勻。為制定一種種索力控制精度度高、對張拉設(shè)設(shè)備要求低的張張拉施工方法,進(jìn)行了屋蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)模型整體張拉拉試驗及模擬分分析,驗證了“定尺定長設(shè)計與與張拉技術(shù)”能夠準(zhǔn)確獲得設(shè)設(shè)計初始態(tài)預(yù)應(yīng)應(yīng)力。該方法對索材定定長下料,在施工現(xiàn)場不調(diào)調(diào)節(jié)索長,具有張拉過程簡簡單,便于控制索力的的優(yōu)點。試驗?zāi)M了張拉拉徑向索、頂升升飛柱、張拉環(huán)環(huán)索、隔榀張拉拉徑向索4種張拉方案。4種張拉方案的操操作難易程度有有明顯差異:張拉徑向索方案案所需的張拉力力大,但是操作過程簡簡單;頂升飛柱和張拉拉環(huán)索方案所需需張拉力小,但需對結(jié)構(gòu)節(jié)點點和張拉設(shè)備做做特殊設(shè)計;隔榀張拉徑向索索方案的工期最最長。通過對上述4種張拉方案以及及由張拉徑向索索方案演化出的的3種分批張拉徑向向索方案的數(shù)值值模擬分析和對對比,為屋蓋結(jié)構(gòu)實際際施工制定了張拉徑向索的方案。三、**體育場場**體育場膜安安裝工程體育場內(nèi)景四、**大學(xué)城城體育中心**大學(xué)城體育育中心總用地面面積171917.9平方米，總建筑筑面積38493平方米，由體育館、體育場場、游泳館三部分組成。其其中，體育館建建筑面積14183m2，設(shè)坐席數(shù)5696個；體育場建筑筑面積15300m2，設(shè)坐席數(shù)15942個；游泳館建筑筑面積9010m2，設(shè)坐席數(shù)2251個。在設(shè)計時，一是是充分考慮到““利用”與“管管理”兩個要素素，既方便利用用，又便于進(jìn)行行科學(xué)、有效的的管理以及滿足足社會化管理的的要求。二是設(shè)設(shè)計中大量采用用新技術(shù)、新材材料、新工藝、、新設(shè)備，建筑筑節(jié)能、節(jié)水、、節(jié)電。項目最大特點是是采用大跨度空間結(jié)構(gòu)構(gòu)，曲面豐富。其其中體育館為大型管桁架網(wǎng)殼殼組合結(jié)構(gòu)、游泳泳館為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、體育場為格構(gòu)構(gòu)柱預(yù)應(yīng)力懸索網(wǎng)殼殼結(jié)構(gòu)。四、**大學(xué)城城體育中心**大學(xué)城體育育中心體育館**大學(xué)城體育育中心游泳館四、**大學(xué)城城體育中心在設(shè)計和施工過過程中，召開了了多次專家論證證會，發(fā)現(xiàn)了施施工方案存在的的主要問題及深深化設(shè)計的缺陷陷，會后嚴(yán)格跟跟蹤、解決，保保證了施工方案案合理和深化設(shè)設(shè)計質(zhì)量。例如如：發(fā)現(xiàn)體育場場預(yù)應(yīng)力索設(shè)計計張拉應(yīng)力過大大，解決了實際際變形值可能造造成塑性變形的的問題，避免了了施工階段的重重大事故。本著對建筑安全全負(fù)責(zé)的原則，，結(jié)合科研力量量，對體育場的的屋蓋預(yù)應(yīng)力拉拉索結(jié)構(gòu)進(jìn)行施施工、使用階段段全過程結(jié)構(gòu)健健康監(jiān)測，確保保結(jié)構(gòu)使用階段段健康安全。五、**體育中中心**體育中心集集體育館、運動動場、游泳館、、網(wǎng)球館、網(wǎng)球球場、籃球場、、居民健身廣場場和體育賓館于于一體?！敖ㄖ桨?**大學(xué)建筑設(shè)設(shè)計研究院施工圖設(shè)計：**大學(xué)建筑設(shè)設(shè)計研究院屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工工：湖南省建筑筑工程集團(tuán)總公公司懸支穹頂張拉方方案及模擬分析析：中國建筑科科學(xué)研究院深圳圳分院五、**體育中中心**體育中心效效果圖和實景五、**體育中中心結(jié)構(gòu)形式為由徑