大型场馆异形钢结构屋面概念设计若干问题探讨

摘要：近年中国建造了许多功能复杂、跨度大、社会影响重大的大型 钢结构场馆工程，这类项目的建设留下了许多宝贵的经验和教训。以工程项目为背景，提出了大型场馆异形 钢结构屋面的概念 设计问题。阐述了屋面形状与风载体型系数、屋面排水及相应雨水荷载的关系问题，讨论了屋面结构形式与屋面跨度和厚度的关系问题、屋面形状与钢结构节点形式的关系问题，这些问题对大型场馆钢结构屋面的安全性、经济性均有显著影响。

关键词：大型场馆；钢结构屋面；概念设计

1 引言

近年随着我国经济的高速发展及2008年北京申奥、2010年上海申博的成功，众多大型体育场馆和会展场馆也在设计和 施工中。这些大型场馆功能复杂、跨度大、并具有特别重要的社会影响，所以其建设也受到社会各界广泛的关注。特别是近年来随着我国全方位的改革开放，国外的 设计师们也进入了我国设计市场，他们的作品构思新颖、造型独特、技术也较先进，因而几乎占据了国内大型场馆设计的半壁江山。然而，自从巴黎戴高乐机场E座倒塌事故发生以来，国内建筑界及结构界对于国外设计的作品也进入了理性的思考与审视。最近我国工程界对奥运主场馆“鸟巢”设计方案的评审及修改，正是反映了这种趋势。

然而，问题的实质并不在于异形屋面是谁设计的，而在于设计者对于这样的异形钢结构屋盖的建筑和结构特点是否有足够的认识，是否找到了具有普遍意义的规律。如果对这些概念设计问题不明确，那么计算再精确也是空的。下面结合一些具体的实际工程，对大型场馆建筑异形钢结构屋面的概念设计问题作一初步探讨。

2 屋面形状与风载的体型系数的关系问题

大型场馆屋面的特点一般是覆盖范围较大、屋面与水平面的夹角较小。场馆根据其周边封闭与否分成“馆”和“场”两类。对于周边墙体封闭的称为“馆”，如体育馆、展览馆；对于周边墙体不封闭的称为“场”，如体育场。

“馆”类建筑屋面风的体型系数一般为负，即受风吸作用。由于一般情况下风的吸力小于大跨度屋面自重，所以风吸不是控制荷载。但对于风较大的区域，加上建筑物高度和风振的影响，风吸作用产生的结构效应可能会超出屋面自重 标准值作用下的效应。对结构分析的两个重要工况：风＋自重以及自重＋活载，计算分析表明即使受风较大的区域，前者工况下效应的绝对值一般也不会大于后者工况下效应的绝对值，所以往往认为前者仍然不起控制作用。但需特别注意的是，两种工况下杆件受力可能变号，认为起控制作用的后者工况下的拉杆在前者工况下可能受压，因此此时的压杆稳定问题不容忽视。

对于 “场”类建筑，则应根据屋盖各部分形状与风向的相对关系来确定屋面受风吸还是风压。根据流体力学的基本原理，凡是与某一风向对应的屋顶剖切面呈上拱形，则屋面上表面的水平风速大于屋面下表面水平风速，风对屋面有上托的合力作用，即体型系数为负，是风吸；凡是与某一风向对应的屋顶剖切面呈波谷形，则屋面上表面的水平风速小于屋面下表面的水平风速，风对屋面有下压的合力作用，即体型系数为正，是风压。波谷形屋面的风压与屋面自重同向作用，组成了控制性的荷载效应组合，因此如果不考虑这类屋面的风压作用是很危险的。

例一， 某会展中心，见图1。


该会展场馆由多个上拱形屋面的展厅和波谷形屋面、周边开敞的连廊组成，其屋面整体造型如大海的波浪，蔚为壮观。然而最初结构分析时对于下凹形、周边开敞的连廊屋面未考虑顺连廊方向风吹时的风压作用，并加上下凹屋面因排水不畅的部分积水，造成了在风雨不大的荷载状况下结构支座的严重变形。后来计入了风压不利作用，并对结构作适当改造，既保持了原结构壮观的风貌，又解决了结构安全问题。

例二， 某体育中心，见图2。


该体育中心的若干场馆由游龙状的异形钢结构屋面覆盖，为了明确该场馆屋面各部分的体型系数，进行了风洞试验，测定了12种风向下700多个点的体型系数。风洞试验结果表明，下凹屋面顺波形方向吹风的体型系数为正，即具有风压，而其他状况则均为风吸。

《建筑结构荷载规范》（GB50009－2001）关于风载体型系数的表中，对周边开敞的屋面的风的体型系数作了规定，这些规定充分考虑了该类屋面体型系数对风的方向的敏感性，强调要考虑体型系数的“变号”。而对大型场馆屋面风的体型系数的简单变号会导致结构造价的大幅度增加，所以对于周边开敞的下凹屋面部分设计前应首先对风压的方向作出正确的判断，体型系数的具体数值，则最好由风洞试验确定。特别是对于跨度较大的下凹屋面体型系数的选定更应当慎重。

3 屋面形状与排水及相应荷载的关系问题

大型场馆屋面面积大，屋面排水与结构、使用和维护关系很大。我国古典的“大屋顶”采用了非常接近于“最速降线”的屋面剖切线，使雨水尽快排下，从而减少了结构受力并降低了对屋面密封性的要求。这是成功的范例。

目前国内一些大型场馆的屋面设计，较多地考虑屋面形状的独特性，而对排水功能相对考虑较少些，以致屋面排水路径过长，大面积雨水汇聚于结构效应敏感区域，给结构设计和屋面维护设计带来一定困难。例如有些体育场的屋面倾斜方向与观众席台阶倾斜方向一致，整个屋面几十米宽范围的雨水向观众席的前端挑檐汇聚，雨水到了挑檐前端后还不能夺路下泻，因为这显然会影响雨中观球，所以汇聚后的雨水还要向两侧各经过上百米的天沟才能找到出路。对于这样的屋面进行结构设计时显然需要考虑雨水的作用，因为在暴雨中这种荷载效应很有可能大于屋面活荷载。然而目前这种雨水汇集流经荷载的计算，规范中尚无相应标准。再如，处于寒冷地区的下凹屋面，如果排水不畅，屋面高处受日照融化的雪水与下凹处没有受日照融化的雪聚集在一起，雪与水又结成冰，这样的冰雪荷载也可能很大，但又无法明确计算。

根据观察和分析，对于异形屋面应从如下几个方面考虑排水问题。

（1）屋面形状尽可能满足快捷排水的要求。排水路径要短，水流要分散，坡度要适当。即使满足这些要求，在进行结构分析时，屋面荷载组合仍应考虑大风暴雨时雨水作用的不利效应。

（2）对于建筑外形已确定，而此时外形显然不利于排水的屋面结构，应具体分析当地雨水的强度、雨水流经的途径、汇聚的方向和集中的程度，从而对“雨水荷载”作出专项分析，并与风及其它荷载进行效应组合，从而确保结构的安全。

（3）对于如图3的x向为单向曲线形、向为平行直线的曲面状屋面，其向直线状主桁架应有预拱度，预拱度应大于结构在自重和活载组合作用下的结构变形，并使屋面保持一定的排水坡度。否则大跨度直线桁架的变形会导致大面积的积水和渗漏。而对于yyx向弯曲度较大的桁架，则不必考虑预拱度问题。

（4）对于某些特别容易积聚雨水的部位，可以采用有保障的强制性机械排水措施尽快排除积水。在天沟水位超过一定高度时，可考虑降低建筑使用标准，设定有限高度檐口，这样水量太大时，可直接向外排水从而减轻对结构的压力。


4 屋面结构形式与跨度及厚度的关系问题

大型场馆异形钢结构屋面都是以空间结构的形式出现的，然而空间结构的内涵是将平面结构的弯曲效应转换为空间结构构件的拉压效应，从而提高结构 材料的利用率，减少结构变形。但是真实的空间结构不可能将弯曲效应全部化为轴力，特别是单层空间结构。如单层网壳结构在受到非均匀分布的局部荷载作用时普遍存在次弯矩。所以评定一个结构是否是空间结构，只有相对标准，主要是看它的“度”，在其结构效应中，是以弯曲为主还是以轴向拉压为主。如果是以弯曲为主，则结构的厚度和跨度之比就要求较大；而对于以拉压效应为主的空间结构，则其厚度和跨度之比可以较小。例如一个平板网架，若将其看作一块板，则它主要受弯，不算严格的空间结构，所以其高跨比相对较大；而一个双层网壳，尽管其结构形式与平板网架相似，但作为一个壳体，其主要的结构效应为压力，因此其高跨比可以比平板网架明显减少。

大型场馆的异形钢结构屋面为了显示其轻巧和刚劲，常常要求屋面结构的厚度尽可能薄，于是许多新型结构、空间结构大量应用，如郑州会展中心中展览馆所用的索与曲面网壳的杂交结构，见图4。由于利用了索的支承作用，其网壳的厚度可以减薄。而吊索在室内并不占有空间,在室外还可以起到丰富观感的视觉效应。北京2008年奥运主场馆“鸟巢”方案，其屋面结构只是“形似”空间结构，而实质上接近平面板架结构（荷载与结构平面基本垂直），以弯曲效应为主，这就使得其构件截面难以减小，而单位平方米材料用量就较大。同时，这一方案也存在屋面雨水向中心汇集、排水路径过长问题。所以，尽管“鸟巢”方案在建筑和人文上很成功，它使我们联想起我们的先祖“有巢氏”，它也使我们可以从建筑的发展来品味辩证法的历史观；然而，它在结构方案上却存在弱点。反之，如若将“鸟巢”方案改为圆拱形结构，则结构是优化了，但天然的“鸟巢”就变成人造的“鸟笼”了。所以建筑和结构的矛盾和协调问题，是建设领域中永恒的矛盾和主题。


5 屋面形状的变异与钢结构节点形式的关系

在大型场馆异形钢结构屋面中，由于结构造型的复杂化必然造成节点形式的非标准化和复杂化。由于这些公共建筑要求高，投资大，所以节点造价的增加似乎问题不大。然而节点的复杂化带来应力集中、节点的非标准化带来质量下降，这些是大家所关心的问题。因此，对于结构的变异造成节点的变异，要有相应的对策，以使其不利影响降为最低。这些问题目前以现场焊接和铸钢节点这两种形式最为普遍。

5.1现场焊接

钢结构的优势在于标准化工厂制作（包括焊接），现场快速安装（主要用螺栓），而对于大型场馆的异形钢结构屋面，由于造型变化导致构件的标准化划分非常困难，所以绝大多数工程用现场焊接方法，甚至是大量的高空焊接。

现场高空焊接与工厂焊接相比弊病较多，如：作业条件差、焊接工位无法调整、结构安装累积误差影响大、质量稳定性相对较低、质量检验困难、焊缝防腐蚀处理相对困难，等等。特别是当造型复杂、杆件交叉角度太小、交汇过于密集时，现场焊缝问题更多。所以在设计异形钢结构屋面时，对于重要的节点，应力水平相对较高的节点，应该优先采用工厂焊接。若必须采用现场焊接，甚至高空焊接时，则应该采取重点技术措施，确保焊接质量。对于应力水平较低的次要节点，设计时可降低焊接强度，从而减少施工难度。

5.2铸钢节点

铸钢节点的采用是从国外引进的，反映了钢结构制造业向工业化、精确化发展的趋势。铸钢节点用于杆件交汇数量多、交角小的节点，可以避免较大的应力集中，并体现出钢结构“精确的美”，如图5铸钢节点，多根杆件汇交于一点。然而，铸钢节点也有被滥用的倾向。在某些少量大口径钢管之间接近正交的连接中，也有使用铸钢节点的。当钢管口径达1m时，所用铸钢节点的最大尺度达到5m之多，重达几吨，甚至十几吨，其制作难度大、重量大、造价高。对于这类少量几根钢管之间的连接，不妨仍采用相贯线焊接，也同样能满足受力要求，而且节约材料、降低工程造价，从外观看也并没有实质性的区别。所以无论对于什么引进的新技术，都应实事求是地分析其优缺点和适用范围，不能盲目引用。


6 结语

目前，我国大型场馆异形钢结构屋面设计和建设正可谓精彩纷呈。作为结构工程师，则应理性地分析、认识各种结构形式的特点，在方案阶段就解决好结构概念设计问题，消除各种隐患，为合理地进行工程项目的设计及建设打下良好的基础。