建筑结构丨亚运来了！看运河亚运公园体育馆化身良渚“玉琮”！

Original 杨学林等建筑结构

2024-09-08

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运河亚运公园体育馆斜交网格钢结构设计

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文/杨学林，谢忠良，徐羿等

2021年4月26日，由浙江省建筑设计研究院和美国Archi-Tectonics公司联合设计，位于浙江省杭州市拱墅区的运河亚运公园项目正式竣工。运河亚运公园是集休闲绿地、体育场馆、商业街区于一体的大型综合性城市公园。主要建筑包括“国球中心"体育馆(2022年杭州亚运会乒乓球、霹雳舞竞赛馆)、“杭州伞"体育场（2022年杭州亚运会曲棍球竞赛场)、全民健身中心、全媒体中心等。

项目概况

运河亚运公园位于杭州市拱墅区申花板块，东至学院北路、西至丰潭路、南至申花路、北至石祥路，占地701亩，总建筑面积18.5万m²，以育英路为界，分为南北两个核心区域：7500座容量的体育馆位于南区域，为2022年杭州亚运会乒乓球、霹雳舞比赛场馆；5000座容量的曲棍球场位于北区域，为2022年杭州亚运会曲棍球比赛场馆；南北区之间通过下穿育英路的商业长廊广场连接形成整体公园。

运河亚运公园体育馆位于公园南区，是南区的中心建筑，与人工湖、城市河道等水系交融互绕，与全面健身中心相对独立又相互贯通。

设计概念

玉琮

良渚文化分布的中心地区在钱塘江流域和太湖流域，而遗址分布最密集的地区则在钱塘江流域的东北部、东部。良渚遗址是人类早期文化遗址之一，实证中华五千年的新石器时代人类文化史。良渚文化遗址最大特色是所出土的玉器。运河亚运公园体育馆的建筑形态取意于杭州良渚文化中的标志性玉器——琮，2022年杭州亚运会吉祥物之一琮琮也取意于此。

蚕丝

杭州是中国著名的丝绸产地，有“千里游人来杭州，半为西湖半为绸”的美誉。良渚文化遗址考古发现4700年前的丝织品残片揭示了杭州丝绸的历史之久。运河亚运公园体育馆的正立面斜交网格造型即是取自丝绸原料蚕丝的微结构形态。

结构设计概况

运河亚运公园体育馆设计使用年限为50年，建筑结构安全等级一级，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值0.10g，设计地震分组第一组，场地类别Ⅲ类，建筑抗震设防类别为重点设防类，50年一遇的风压值为0.45kN/m²，地面粗糙度类别为C类。

运河亚运公园体育馆整体结构由外围护幕墙结构、内部混凝土框架结构、屋顶空间网架结构组成。屋面和墙面均为钢结构，钢材强度等级为Q355B，其中屋面钢结构为正交正放四角锥双层网架，网架厚度为4.5~5.7m，网架支座跨度约90m，沿造型幕墙方向最大悬挑约22m，网架悬挑端与外围护幕墙结构连接，网架节点形式为“螺栓球+焊接球”混合节点，网架支座形式为带限位板的橡胶支座；墙面钢结构主要分为入口门厅处的玻璃幕墙和另一侧的叠合金属幕墙：玻璃幕墙龙骨为弯扭斜交矩形钢管网格结构，矩形钢管沿外立面的截面宽度均为300mm，截面高度为600~800mm，壁厚为8~12mm，连接节点采用相贯连接，斜交网格两侧分别固定于两端的通高格构柱，上端与网架悬挑端连接(仅法向约束)，下端固接于基础梁上；叠合金属幕墙龙骨采用折线矩形钢管框架结构，连接节点为焊接刚性连接节点。内部结构为钢筋混凝土框架结构，在内外两圈空腔的墙体部位，根据柱坐标系按每10°布置一个框架柱，内外圈框架柱之间以及环向框架柱之间布置混凝土梁板结构，形成空间框架结构。

结构设计特点

正立面弯扭斜交网格

斜交网格的网格划分

在体育馆的外表皮系统设计上，通过数字化方法的全程介入，以Rhino平台、Grasshopper插件作为集成的参数化建模平台，并利用Lunchbox插件作为空间网格结构的调整工具，按照NURBS控制曲面的U、V控制线的不同参数进行数据的调整，快速生成了一系列不同比例的玻璃幕墙菱形图案的分割方案，并交由建筑设计团队进行比选，确定划分方案。

对建筑方案斜交网格的NURBS控制曲面，进行了不影响建筑效果的NURBS曲面降阶处理等优化，之后采用笛卡尔直角坐标划分模式对网格体系设计进行深化，根据建筑设计要求确定的网格数建立放射状轴网对控制曲面的水平控制线进行切分，连接切分后得到的控制点，即可得到重构后的玻璃幕墙网格。

▲ Rhino模型建筑控制曲面

▲ Rhino模型优化后的结构网格模型

斜交网格与屋顶网架的节点变形协调

由于玻璃幕墙斜交网格结构上端与网架悬挑端连接，而网架悬挑端的平面内刚度较大，平面外刚度较小，故把斜交网格结构上端节点与屋盖网架对应节点仅进行法向连接，环向和竖直等其他方向均各自独立变形。

▲ 幕墙与屋盖之间的连接位置

▲ 幕墙与屋盖之间的法向连接节点大样

▲ 位移补偿器大样

本工程斜交网格幕墙结构的下端直接与基础梁相连，计算模型中为固定约束;上端与屋盖网架对应节点仅进行法向变形耦合连接，环向和竖直等其他方向均各自独立变形，计算模型中采用一根两端铰接的杆单元进行模拟。后侧金属幕墙结构的下端固定在框架梁柱上，上端与屋盖钢结构的连接方式与斜交网格幕墙结构相同。幕墙与屋盖钢结构的连接采用仅法向连接节点，能较好地满足计算假定。

斜交网格结构设计分析

对斜交网格结构方案进行优化。斜交网格结构及其典型横剖面如下图所示。选取斜交网格典型横剖面处杆件剖面定位进行简化平面分析，顶部均仅为水平约束，底部分别采用了简支、固接约束进行分析对比。

▲ 斜交网格结构及其典型横剖面

▲ （a）弯矩/（kN·m）

▲ （b）剪力/kN

▲ (c) 位移/mm

▲竖向单位均布荷载下不同边界条件的计算结果

为了得到最大的杆件刚度，在相同荷载作用和支座约束的条件下，对斜交网格典型横剖面的简化计算模型进行拓扑优化分析。将杆件截面设置为矩形1000×700，采用壳单元，应用变密度法对该杆件进行2D拓扑优化，优化目标为刚度最大，得到单元密度分布结果(仅显示密度分数大于0.015的部分)。

▲ 拓扑优化后的单元密度分布

底部固接的模型虽然在底部C点处弯矩较大，但在中部B点处弯矩比底部简支的模型小，同时C点的位移也比的底部简支的模型小。拓扑优化结果与静力计算结果规律相似，并且在结构概念设计中，推荐增加结构约束冗余度，采用超静定结构，故确定结构计算模型的支座形式为顶部仅水平约束、底部固接。

确定支座形式后，对斜交网格的结构布置进行了优化。

▲ 斜交网格结构方案V1.0

▲ 斜交网格结构方案V2.0

考虑到建筑的外观效果，结构方案在玻璃幕墙斜交网格区域中被金属幕墙覆盖的下部区域，采用竖直杆件(V2.0中的红色杆件)代替原斜交网格，可有效减小竖向压缩变形。而在斜交网格的两端，设置两根通高的格构柱(V2.0中的蓝色杆件)，加强两端边界刚度，并加大入口大门两侧竖向杆件的截面，用来减小斜交网格水平外鼓的变形。最后，在金属幕墙覆盖的下部竖直杆件区域，增加一道桁架梁(V2.0中的黄色杆件)，协调了斜交网格与竖直杆件区域的抗侧刚度，并与两端格构柱形成整体，提高了格构柱的抗屈曲能力，把斜交网格分为上下两部分，可进一步减小斜交网格的水平外鼓变形。

▲ 斜交网格结构应力包络图/（kN/mm²）

▲ 斜交网格结构标准组合工况下变形图/mm

斜交网格结构屈曲分析

对斜交网格单层壳结构进行稳定性计算分析，特征值屈曲分析结果显示，局部失稳模态临界荷载系数84，整体失稳模态临界荷载系数182。非线性屈曲分析结果显示，失稳荷载系数48。均满足规范要求。

▲ 特征值屈曲分析(第一局部失稳模态)

▲ 特征值屈曲分析(第一整体失稳模态)

▲ 非线性屈曲分析

▲ 非线性屈曲分析失稳曲线

斜交网格的拼装制作

1）分片单元地面测量放线

现场分片网格拼装前先将拼装场地整平、硬化。根据分片网格的平面投影，放样各网格杆件边线位置。

2）拼装胎架搭设

根据平面投影设立胎架模板，相贯线节点处采用工字钢牛腿作为支撑，拼装措施立柱牛腿上的水平度应严格控制，其水平度不得大于1mm，措施使用前应提交验收合格方可使用。

3）主构件安装

首先吊装分片单元两侧的主杆件，杆件安装定位时必须严格要求对准接口方向，须定准平台上的中心线以及中心线水平度，超差必须进行调整，然后采取措施进行临时固定，防止弦杆转动偏向。

4）次杆件嵌补安装

主弦杆定位后，进行中间次弦杆定位嵌补，嵌补时应严格控制与弦杆的组装间隙和相对位置，定位组装后，即采用连接夹板将构件连接紧固，网格分块拼装完成，进行整体焊接。

屋面正交正放四角锥双层网架

考虑屋盖钢结构的经济性，并最大程度满足建筑专业造型要求，经多方案比选，屋盖采用双层网架结构体系，厚度为4.5m~5.7m不等。屋盖钢结构沿造型幕墙方向最大悬挑约22m。

▲ 屋顶排水示意图

▲ 屋顶网架剖面图

屋盖吊装工况验算

对吊装过程采用静力结构分析，在对各吊装单元的内力分布分析时，采用将静载荷乘以1.4 倍的动力放大系数，而变形分析仍采用静载荷作用下的变形。

吊装时桁架位移最大值-6.2mm；杆件应力比最大为0.12，结构变形、应力比均满足规范要求。

▲ 典型吊装模块计算模型

▲典型吊装模块计算变形

正立面弯扭斜交网格

超限情况

上部屋盖钢结构不超限，内部混凝土结构存在扭转不规则、楼板不连续、尺寸突变（立面收进）、局部不规则（局部斜柱）等四项超限内容。

乒乓球馆的抗震性能目标为多遇地震、设防地震、罕遇地震下的结构抗震性能水准分别达到1、3、4水准，即性能目标采用C级。

针对超限采取的主要措施

a、支承屋盖和幕墙钢结构的内部混凝土结构采用框架结构体系，同时环向连通，具有较好的抗侧刚度和抗扭刚度。出看台支承屋盖的柱子采用双排柱框架，同时在中间设置夹层连梁；

b、屋盖采用两个方向刚度均衡的双层网架结构，整体刚度大；

c、建立主体屋盖钢结构和幕墙钢结构的整体计算模型，分析互相之间的受力影响。采用屋盖钢结构单独模型、钢结构和内部混凝土结构的整体模型分别计算，取不利计算结果进行包络设计；

d、屋盖钢结构与下部支承柱，幕墙下端与混凝土、上端与钢屋盖，相互之间的连接节点构造与计算模型相符；

e、进行温度作用计算时，最大升温工况和最大降温工况的温度作用标准值，根据气候条件及屋盖钢结构合拢温度确定；

f、严格控制屋盖钢结构支座及其相连构件的长细比和应力比；

g、严格控制支承屋盖钢结构的混凝土框架柱轴压比；

h、关键构件满足性能设计目标。

施工关键节点

施工过程照片

▲ 斜柱安装

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▲ 屋顶网架安装

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▲ 斜交网格施工过程

竣工实景

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项目信息

建设单位：拱墅区城中村改造工程指挥部

建设地点：杭州市拱墅区

总建筑面积：179 133.89m²

设计单位：浙江省建筑设计研究院

联合设计：Archi-Tectonics

设计时间：2017.11—2019.05

竣工时间：2021.04

结构设计团队：杨学林谢忠良徐羿周平槐郑文豪

作者简介：

杨学林，博士，1995年毕业于浙江大学，浙江省土木建筑学会理事长，浙江省首届勘察设计大师，国家一级注册结构工程师，国家注册土木工程师(岩土)，2005年起任浙江省建筑设计研究院总工程师，2019年起任副院长。主要从事建筑结构和岩土工程的设计科研工作。作为专业负责人主持设计了浙江智慧之门、杭州望朝中心、杭州萧山国际机场T4航站楼及陆侧交通中心、杭州国际体育中心，运河亚运公园，中国京杭大运河博物院等设计项目，获全国行业设计奖和浙江省优秀设计奖60余项。出版著作10部，发表论文140余篇，获国家授权专利70余项，主参编标准30部。先后获国务院特殊津贴、浙江省有突出贡献中青年专家、浙江省建设科学技术奖-重大贡献奖等奖项。

谢忠良，硕士，2005年毕业于浙江大学，现任浙江省建筑设计研究院第五设计院院长，正高级工程师，国家一级注册结构工程师。主要从事大跨空间结构、超高层建筑的设计研究与职能管理工作。设计完成浙江省档案馆新馆、西子宾馆综合整治改造项目（G20峰会宴会厅）、浙江省全民健身中心、浙江省信息化测绘创新基地、杭州国际体育中心、运河亚运公园、余杭区亚运场馆改建项目、浙江工商大学下沙校区体育场馆、湖北工程职业学院新校区、浙江水利水电学院新校区、萧政储出【2017】6号地块商业办公项目、杭州亚包大厦等项目的结构设计。获得多项国家和浙江省优秀勘察设计奖。发表论文20余篇。

徐羿，硕士，2013年毕业于浙江大学，现任浙江省建筑设计研究院体育建筑设计研究中心联系人，高级工程师。主要从事复杂结构的设计与研究工作。设计完成杭州运河亚运公园、杭州蜻蜓公园、浙江海洋运动中心等项目的结构设计。获得多项国家和浙江省优秀勘察设计奖。在国内外核心期刊发表论文10余篇。申请软件著作权3项。

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由谢忠良，徐羿，叶甲淳等撰写的《杭州亚运会乒乓球馆运河亚运公园体育馆斜交网格钢结构设计》已在《建筑结构》第52卷第15期刊登，欢迎大家查阅！

责任编辑：刘润琦

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