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【精品案例】钢织“春茧”:深圳湾体育中心钢结构的创新设计

发布于：2017-02-07 16:31:07 来自：建筑结构/钢结构工程 [复制转发]

工程概况：深圳湾体育中心位于深圳市深圳湾滨海休闲带中段,南山后海中心区东北角,深圳湾后海填海区内,毗邻香港,是2011年第26届世界大学生夏季运动会的开幕式场馆,也是深圳重点城市景观和公共活动空间.

整个项目占地约30.74hm2.总建筑面积达25.6万m2,建成后便成为深圳市的又一座标志性建筑.该项目包括体育场、体育馆、游泳馆、运动员接待服务中心、体育主题公园及商业运营设施.体育场作为足球预赛场,可容纳观众2万人(固定席),体育馆为乒乓球决赛场,可容纳观众1.3万人(固定席1万个),游泳馆为游泳训练池,可容纳观众2000(固定席500个).

结构设计灵感：深圳湾体育中心，寓意“春茧”的独特设计通过银白色的巨型屋面网格结构对“一场两馆”及商业设施进行了建筑空间的一体化紧凑设计，对赛前和赛后的综合利用十分有利。

建设中的深圳湾体育中心

目前国内还没有“春茧”这样将室外体育场、室内体育馆和游泳馆连接在一起的运动场馆。借助屋顶巨幅钢结构铺装，春茧由东向西的头、身、尾分别隔出三大场馆，实现了运动、休闲娱乐一体的设计，屋顶的流线造型，充分展示出现代建筑的特色。现场探访“全能”体育场馆

“春茧”不只是一个“全能”的体育场馆，更是市民能够零距离接触和参与的公共活动平台。从体育中心的5号门入口，拾阶而上，就到了被称为“大树广场”的市民休闲活动广场。这是体育中心的二层。站在平台上，向南可眺望F1内湖，南海之风拂面而来。北行进入开阔空间，上有巨幅钢架结构屋顶，从地下“生长”出的巨大钢结构镂空树干，在高处发散成树冠模样，覆盖在右边的体育场和左边的体育馆和游泳馆上。有10个篮球场空间大小的大树广场，在对外开放后将成为市民平时散步、休闲的重要场所。开放式的、能看到海的体育场

2 结构体系及特点
2.1 屋盖钢结构体系
深圳湾体育中心钢结构属超大跨度复杂空间结构，钢结构屋盖由单层网壳（体育场、大树广场及其他公共区域）、双层曲面网架（体育馆和游泳馆）及竖向支撑系统构成。

整体钢结构轴测图

单层网壳为复杂的空间曲面网格结构，平面长532.7m，宽240.4m，相对于落地点的最大高为42.3m（落地点标高为+6.0m）。除大树广场外，整个屋面网壳由箱形截面构件（高700mm450mm）直接“编织”而成的四边形网格构成，网格的平均尺寸约为4050mm。

双层网架为面形式的正交斜放四角锥网架，平面投影均为椭圆形。体育馆椭圆短轴104.3m，长轴116.9m，游泳馆短轴77.6m，长轴98.6m，网架高度分别为4.5和3.5m。网架通过上弦梁与单层网壳连接在一起。
竖向支撑系统包括四个部分，分别是：1）支撑网壳的31根4分叉树形柱；2）支撑网架与网壳的V形柱（位于网架上弦环梁下）；3）观景桥两侧的桥塔立柱；4）下沉广场西立面幕墙柱。

2.2 结构特点及设计难点
2.2.1 整体结构尺度大，网壳局部悬挑大
由于结构双向尺度都较大，因此必然导致温度作用将对结构设计起主要控制。体育场周边网壳的最大悬挑跨度约为38.71m，而网壳面外刚度较小，导致该处向下（恒载、风压）和向上（风吸）的位移都较大，成为整个网壳设计的关键位置。

整体钢结构立面图

网壳设置加强构件

网壳局部加大构件截面

体育场网壳开口扩大

2.2.2 大量的箱形弯扭构件
单层网壳是基于复杂曲面生成的四边形网格结构，由于所有网壳构件均为箱形截面，为保证构件的中线位于曲面内，同时构件的截面方向垂直曲面，导致大部分成为弯扭构件，即构件在弯曲的同时，还存在扭转，这给构件的设计、加工和安装均带来了很大困难和挑战。

2.2.3 支撑种类多，结构各部分相互联系
31根树形柱用来支撑网壳，减小网壳跨度；体育馆和游泳馆网架上弦与网壳相连，周圈的V形柱用来支撑网架和网壳；下沉广场幕墙柱用来支撑其上的网壳，而网壳则作为幕墙柱的侧向支撑；采用桁架形式的观景桥，上弦由网壳构件来充当。整个结构通过网壳相互联系，受力非常复杂。

深圳湾体育中心钢结构支撑体系

2.2.4 观景桥跨度大、刚度小，需进行舒适度设计
观景桥本身刚度不大，自振频率较低（1.65Hz），与人行频率（1.5～2.5Hz）较为接近，在人行激励下，可能引起桥的较大振动，从而导致行人的不舒适。因此应对其进行行人激励作用下的舒适度评估，必要的情况下采取适当的减振措施来提高观景桥的舒适度。另外，由于观景桥跨度较大，且呈扁拱形，对桥塔形成很大的侧向推力，也给观景桥的设计带来一定难度

深圳湾体育中心观景桥结构模型图

TMD及TMD的位置示意

结构体系

项目地下室及地上看台等是现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，其他地方都是单层网壳。为控制成本增设树状柱，同时保证统一的构件外皮尺寸（450×700），根据受力的要求来调整钢板的厚度。

竖向支撑系统包括四个部分，分别是：

1）支撑网壳的31棵4分枝树形柱，其中体育场西侧看台上的8棵树形柱主干为Φ1500的钢管混凝土柱，分枝为Φ900的钢管，其余位置的树形柱主干为Φ600的4钢管柱，分枝为Φ600的钢管；

2）支撑网架与网壳的V形柱（位于网架上弦环梁下），其中体育馆周边分布40个，游泳馆周边分布30个；

3）观景桥两侧的桥塔立柱；

4）下沉广场西立面幕墙柱。观景桥采用桁架结构（扁拱形，与上弦网壳对应），上下弦之间通过V形布置的腹杆连接。桥净跨102.8～107.3m，桁架最小高度11.2m，下弦距地最大高度30.4m。单层网壳除上述支撑体系外，周边及大树广场共分布125个落地支座，其中大树广场38个，其余位置87个。

结构荷载

结构荷载主要是风和温度。而温度荷载主要考虑四个方面：钢构件阴阳面温差、西晒温差（太阳落山时，阳光的低角度照射）、环境温度变化、合拢温度。

节点设计

结构设计两个正方形杆件交接的时候是直角，而建筑师要求是圆角，后来我们说做一个假圆角，拿4mm的钢管把圆角倒出来了。

柱子落到混凝土上面，树状柱就跟4根筷子一样底下绑在一起而上边分开。顶端跟屋面怎么结合、分杈怎么分都是结构需要考虑的问题。实际上分杈的地方和顶的节点，都是加工出来的。在分杈的地方放了一个8公分的板，跟屋面结合的节点考虑了三种方式，销轴节点、球铰节点和相贯节点，最后采取的是相贯节点。

钢结构施工质量和安装偏差验收标准

深圳湾体育中心钢结构复杂，设计和施工都鲜有实例；除执行常规质量验收标准外，部分质量验收项目“无据可依”。为加强钢结构工程的质量管理，保证钢结构工程质量，根据相关规范、标准和设计要求，制订标准指导施工。

结构设计中关键技术与方法

（1）超长钢结构不设缝

深圳湾体育中心530m×240m的屋盖钢结构不设缝，混凝土结构的不设缝长度也达260米。从常规的概念来讲，温度作用对结构设计必然存在较大影响。然而，通过构件的应力设计发现，对部分构件（如网壳落地端支座附近构件），温度参与的组合起控制作用，但对大部分屋面构件，温度参与的组合并不起控制作用。由于屋面采用四边形的网格结构，同时整个屋面在空间弯曲变化，因此，尽管屋盖结构长向尺度很大，仍具有良好的吸收温度变形的能力。在温度作用下，屋盖在短向有很大的伸缩变形能力，从而保证了长向的伸缩变形能力。

（2）“复杂曲面+弯扭构件”单层网壳图纸表达

构件外形尺寸在图纸表达的时候只给中心的点，同时配了一个中心点的方向矢量，这个矢量是下一圆中点的连线，最后出来的东西空间是一条线，通过矢量的转角表明了空间运行轨迹，所以一方面数据量小多了，另外精度很高，因为只有一个点不用跟谁闭合。所以施工单位拿到这个数据处理就特别顺畅，整个后期加工效率精度都很高。

成本控制

从设计单位来说，包括从建筑师作为主持专业来说，最怕的就是最后跟甲方倒腾投资倒腾钱，从工程周期来看肯定是一边设计一边施工一边修改的“三边工程”。我们在每次出图的时候专门在后边留了一个说明，说明这版图纸里边还没有明确的内容，在甲方组织前期招标的时候，要配合甲方留出来相应的材料量。因为1t钢投标的时候是一个价，到工程实践时又是另一个价格。整个项目用钢量评估在175公斤/平米，这比预期多了10公斤。

配合这个项目也有好多同行问怎么理解建筑师与结构工程师的关系，我们做过一个小学校的大门，大门跨度接近30m，高度不能大于0.85m，除了净跨，这边还有一些造型的东西，这样要求结构不能超过700mm高，BCIS的I作为柱子，这就是建筑师和结构师的关系，结构师就是为建筑师寻找支点，这叫胸有大爱才有支点，这也是建筑师和结构师的关系。

结构只要有大爱肯定有发现，比如说这是一个常规酒店项目，通常一个开间8~9m，还有两个标准件，中间一个核心筒，走道还是主风道的位置，两个标准件之间有一个竖井，我们后来就做了一个混凝土叉形梁，因为边梁对层高没有影响，梁的尺度、负担都降下来了，这样给整个层高和外部空间的净高都有很好的影响。

最后呈现的”春茧“——深圳湾体育中心