三亚国际体育产业园体育场

业主：三亚国奥体育产业投资有限公司

位置：中国三亚

总承包商：北京城建六集团

建筑设计：GMP建筑设计事务所

设计承包商：北京城建六集团

CRFP索研发：北京科技大学

风洞试验：中国建筑科学研究院

钢结构承包商：浙江精工钢结构集团有限公司

索结构承包商：中冶（上海）钢结构科技有限公司

环向拉索供应商：巨力索具股份有限公司

径向索供应商：广东坚宜佳五金制品有限公司

CFRP供应商：重庆达力索缆科技有限公司

这个体育场是一个样板式的轻质索屋顶设计案例。

内屋盖结构有一个45m的悬挑跨并且采用了凸面轮辐式索桁架，可以比凹面索桁架提供更大的刚度。这个独特的设计是对该地区可能遭遇的极端气候以及台风等的回应。

外屋盖体系则和建筑造型融为一体，形成了一个由一系列铰接柱支承的水平桁架结构，同时还能为内屋盖结构提供强有力的支撑。

作为第六届亚洲沙滩运动会主会场，这个体育场建筑面积为86,000㎡，设置了45,000个座位。该体育场的设计，尤其是屋盖结构的设计必须要仔细考虑经常会登陆的强台风气候。在该项目中，CFRP索和高强铸钢G10MnMoV6-3材料被首次用于如此大规模的空间结构中，从而实现了一个轻质的结构设计。

三亚国际体育产业园项目位于海南省三亚市吉阳区，南邻南三环路、西邻抱坡路，东侧和北侧为规划市政支路，其中体育中心为产业园核心公共组团，包括体育场、体育馆、游泳馆、室外训练场、地下配套等单体，总建筑面积约31万㎡。雨后初霁之时，三亚国际体育产业园体育场远处的山峦若隐若现。阳光透过云层透射出来，使三亚国际体育产业园体育场这座外观通体白色的建筑愈发洁白透亮、灵动轻盈。这座体育场由972个“白鹭翅膀”环绕着，从远处看，白鹭彼此首尾相连组成整体，像一群振翅欲飞的白鹭环绕在体育场周围，赋予这座钢筋水泥建筑以灵性，让其成为简洁轻盈、灵动优雅的“钢铁白鹭”，展现了三亚热带滨海旅游城市的特色。

三亚国际体育产业园体育场总建筑面积8.6万㎡，建筑高度46.3m，体育场看台共设置4.5万个座位，其座椅的安装和颜色搭配是一大亮点。在体育场内放眼望去，体育场所有座椅已经完成安装，颜色搭配上选用了蓝色、浅蓝、白色、黄色、橘色的搭配，形成渐变色的效果。体育场安装带靠背中空吹塑座椅，在视觉效果上，蓝色的塑胶跑道寓意大海，黄色、浅蓝色的座椅好比沙滩和蓝天，白色座椅点缀其间，好似翻滚的浪花，凸显了三亚热带滨海城市的特色。作为三亚规模最大、标准最高的体育场，三亚国际体育产业园体育场建成后可以举办高等级的全国综合性比赛和国际单项比赛并满足高水平赛事直播的要求。

三亚国际体育产业园体育场是复杂的甲级大型体育建筑，建成后将作为第六届亚洲沙滩运动会开/闭幕式和部分比赛项目主要场馆。体育场下部结构为观众看台、疏散平台及各功能用房，平面外轮廓近似五边形，南北方向长约314m，东西方向宽约283m，看台顶标高16.5~22.9m。体育场看台上空覆盖了完整的环状钢结构罩棚。罩棚外轮廓为五边形，内轮廓近似椭圆形，其外轮廓南北方向最长约305m，东西方向宽约270m，内侧开口尺寸南北方向长约172m，东西方向宽134m，最高点标高约46m。

三亚国际体育产业园体育场主体结构由混凝土看台结构和钢结构组成。下部混凝土看台结构地上共4层，首层观众平台层高6m，2、3层层高4.5m，顶部看台层高随看台顶标高变化。钢结构由屋顶结构和外侧钢结构组成。屋顶结构支承于外侧钢结构内圈环梁上，外侧钢结构支承于下部看台结构上。外侧钢结构外轮廓平面投影为不规则的倒角五边形，五边形最小边长162.4m，最大边长262.8m，屋顶中心开口为由四段圆弧组成的四心圆，开口短轴为134m，长轴为171.8m，外侧钢结构与屋顶结构交界处为与中心开口相似的四心圆，短轴为224m，长轴为261.8m。屋顶最高点标高约46m。

屋顶结构支承于外侧钢结构内环梁，由轮辐式索桁架结构和索、钢拱支撑的PTFE 膜结构组成。轮辐式索桁架由径向索桁架以及内拉环构成，悬挑45m。索桁架共52道，由上部承重索和下部抗风索以及二者之间的压杆构成。内拉环由上下两层环索构成。膜拱与拱下拉索铰接于上径向索（抗风索），膜四边接于相邻径向索及钢拱上。索桁架结构中，径向索和环索为1570 级封闭索，撑杆为圆钢管。上层环索采用8根ф80索双层并排；下层环索采用8根ф110索双层并排；上径向索采用ф85（南北侧）和ф75（东西侧）两种规格；下径向索采用ф120（南北侧）和ф105（东西侧）两种规格；内环交叉索采用碳纤维增强复合材料拉索（简称CFRP索），索体有效截面面积1,200mm ² ，公称破断力不低于2,880kN。膜结构中，钢拱截面为圆钢管，钢拱下采用ф25环向拉索。

外侧钢结构屋顶由内环梁、外环梁、交叉梁系构成平面环桁架结构，屋顶支承结构由72根内环V形钢柱、72根外环钢柱及局部设置的18根中部支撑钢柱组成。钢柱通过固定铰支座连接于下部看台混凝土结构的不同楼层，钢柱与屋顶环桁架均采用铰接连接。内环梁采用Q345GJC级钢材，其他构件采用Q355B级钢材。内环梁采用□1,300×1,500×50×50箱形截面，外环梁采用□1,200×1,200×20×35箱形截面；交叉梁系采用箱形截面，梁高800~1,200mm，梁宽400~600mm。内环V形钢柱采用ф1,200×20圆钢管，外环柱采用鱼腹式箱形变截面□（900~1,500~900）×600×20×20，中部支撑柱采用ф600×20圆钢管。

该项目屋顶轮辐式索桁架结构的边界近似椭圆形，环梁在索拉力作用下受力和变形不均匀。环梁除了承受较大轴向压力之外，水平方向还承受较大弯矩，导致环梁截面宽度大，经济性不好，并且影响建筑效果和使用。利用外侧钢结构内外环共同受力支承内侧索桁架结构设计了一种铰接柱支承的水平桁架结构体系。该结构体系由水平环桁架、内环柱以及外环柱组成。在内环梁和外环梁之间布置交叉梁系，形成水平放置的平面环桁架，通过水平环桁架的整体作用，由内、外两道环梁共同承担由索桁架结构的拉力引起的轴向压力，减小环梁截面。交叉梁系与内环梁相交于索桁架端点，使索拉力作用在水平环桁架的弦腹杆节点处，这样就减少了索拉力对内环梁产生的水平方向的次弯矩，进一步减小了内环梁截面。最终采用环梁的最大截面尺寸仅为1.3m×1.5m。

内、外环柱均为两端铰接柱。内环铰接柱呈V形布置，相邻两对V形钢柱的柱顶交于内环梁的同一点，形成锯齿状首尾相接的环形支撑结构，成为整个钢结构的抗侧力体系。外环铰接柱单根独立布置，作为摇摆柱，承担外环屋顶部分的竖向荷载和外立面风荷载，不作为抗侧力构件。所有支承柱均为两端铰接柱，受力简单。柱顶与环梁铰接可避免环梁因承受柱端弯矩而受扭，即环梁与柱交点不必布置交叉梁，因此可使索桁架及交叉梁系的布置不受柱位的影响，结构布置灵活。柱底铰接不对下部支承结构传递弯矩，使下部结构的设计更合理。

目前索结构中普遍应用的拉索以钢索为主，包括钢丝束索体、钢绞线索体、钢丝绳索体等。钢索本身的密度和弹性模量与钢材较为接近。为提高该工程轮辐式索桁架的整体刚度，在索桁架内环沿全周设置了满布的交叉索。这些内环交叉索在抵抗内环不均匀变形时承受较大拉力，采用钢索时需要较大截面，由此带来两个问题：1）交叉索截面较大会在索桁架悬挑端增加较大自重，对结构设计不利；2）截面较大的交叉索轴向刚度较大，会造成上、下环索内力均匀性变差，而相邻网格环索内力的明显差异会在环索索夹上产生较大不平衡力。索夹的抗滑移承载力无法满足不平衡力的要求时，尚须增设平衡索等复杂措施以抵抗上述过大的不平衡力。如果可采用一种比钢索强度更高、重量更轻的拉索则可减小索体截面和刚度，减轻自重，能够有效解决上述问题。

碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP）是一种新型高性能复合材料，具有轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳等诸多优异的力学性能。为此，采用CFRP 索代替传统钢索用于内环交叉索。索体采用平行板索，锚具采用耳板式锚具。锚具耳板与索体接触一侧加工为波形以获得足够的夹持力。将CFRP 索应用于本工程索桁架内环交叉索与采用传统钢索相比，索体有效截面积减小约40%，自重减轻约80%，并且因其较小的索体轴向刚度，减小了对环索内力的影响，显著降低了索夹承受的不平衡力，简化了索夹构造，省去了平衡索等抵抗不平衡力的附加措施。

据三亚国际体育产业园体育场项目部有关负责人介绍，在该项目中北京城建六集团采用EPC承包模式，既是施工总承包，又是项目设计管理方。而在三亚国际体育产业园的开发模式上，该公司也摸索出了新路子。三亚国际体育产业园是北京城建六集团与三亚旅文投资集团等股东共同成立的项目公司投资建设的体育+旅游综合体项目，是海南规模最大的体育场馆集群。产业园的投资建设采取了“配建+土地供应经济平衡”的政企合作新模式，提前锁定了项目收益，确保项目经济受益和项目分期滚动开发的可行性，在三亚国际体育产业园项目上的“投资+EPC”模式是一种创新。

三亚国际体育产业园体育场的外形及外部空间复杂，机电设备对净高及设备管线综合布置的要求高。项目工期紧——惯例工期为3年，而该项目的工期只有378天，管线综合调整后会大大延长机电专业的工期，需合理布置工序，防止不必要的重复和拆改。项目触及专业众多，图纸深化量多，施工分包穿插任务量较大，不利于总承包管理。项目难度大：钢结构跨度大、节点复杂，需配合专业多。设计方最终在方案深化阶段通过对修建、构造、机电模型的深度剖析节省了工程造价和机房面积。

该项目的钢结构初次采用大角度倾斜柱群及双向轴承铰接柱，柱群的吊装及复杂梁节点的拼接难度极大，设计方运用BIM模型与施工工艺相结合，最终确定了吊装方案；运用BIM技术优化钢结构临时支撑体系的卸载方案，使得钢结构提早了33天竣工。索结构部分是项目的重中之重，7项“中国首次”中索构造占了4项，包括索夹、索体、双层轮辐式索桁架构造，索构造体量大、施工工艺复杂。设计方又运用了BIM技术进行索构造同步提升、分级张拉施工方案模拟，提高了现场装置效率及精度，对整个工程的顺利推进起到了决定性作用。

三亚国际体育产业园体育场外立面初次采用整片多曲面异形膜单元来展示“白鹭双翼”的灵动。设计方对其进行精准的参数化建模、预制加工和现场吊装指导，还将BIM技术用于虹吸雨水管构件拆分、复杂排水零件拼接技术模拟、灯具综合排布和线管预留/预埋、金属屋面工程支座精准建模预制加工等方面。该项目以BIM技术助力EPC项目管理，以最大水平完成了EPC增效的目的。

126天实现主体混凝土结构整体封顶，53天完成1万多t的钢结构安装，80天完成2,300t、14,000m索结构的安装和张拉。三亚国际体育产业园体育场项目经理王洋介绍，像该体育场这般工程量的项目，一般只需要七八百名工人，“而在主体结构施工的高峰期，工地上有将近3,000名工人。随着高度的增加，看台逐渐收缩、作业面逐渐减少，施工现场仍有1,500余人两班倒，进行24小时不间断施工。”追求高质量，施工工序上也会更加复杂。王洋对此深有体会。“在体育场2层平台施工时，我们就遇到了问题”，王洋说。当时面临劲性结构施工，但劲性结构需要专业分包单位深化设计，还要设计方确认，之后才能采购、施工，这样深化设计工作就会令工期被耽误。“劲性结构很复杂，小到一个连接点怎么打孔都需要深化设计，但劲性结构能让工程更加坚固。”王洋介绍道，经过讨论，项目部决定先抢主体结构施工，留出施工缝，等深化设计完成后再进行2层平台施工以保证整体结构的施工进度。

同步张拉是索结构施工过程中的最难部分，同步观测和索力的同步控制是同步张拉施工中的最大难点。据介绍，由于是分级同步施工，所以要保证每台操作泵的4个工人、16根索同步张拉到位。每张拉1m要进行一次微调，如果有误差就会精调，确认无误后再进行下1m的张拉。104组索体同步张拉，208台千斤顶同时应用，尚属中国首次。

从外观来看，三亚国际体育产业园体育场“白鹭环绕”的造型简洁大方，但要想让近千个“白鹭翅膀”合理地连成一片整体却是非常复杂的工程。三亚国际体育产业园体育场项目总工程师李彬介绍，一个“白鹭翅膀”为一个单体膜单元，为了在外立面看不到任何的膜材连接节点，就需要把所有节点“藏”在像艺术品一样造型复杂的“翅膀骨架”内侧，让每一个膜单元在弧度、曲线、曲面上均能展现“白鹭双翼”的灵动。而5个弯弧段上的每一片小白鹭都是非标构件，尺寸和弧度都不相同，增加了放样、制作和安装的工作量。

“白鹭翅膀”的施工也遇到了很多难题，比如异形膜面张拉以及白鹭单元钢骨架加工、吊装为主要的技术及施工难点。为了保证膜片的施工质量，项目部采取了一系列措施，克服了众多技术难题。在施工中，北京城建六集团运用了许多创新技术，实现了“一项国际突破、六个全国首次”并荣获了中国建筑金属结构协会颁发的第十四届“中国钢结构金奖”，为下一步争创“鲁班奖”奠定了良好的基础。