建筑结构丨CCDI悉地国际：亚运会开幕式场馆——“大莲花”是这样炼成的！

Original CCDI 建筑结构

2024-09-08

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今晚20:00，杭州第19届亚运会将开幕了！1.2万余名运动员报名，40个大项、61个分项、481个小项分布，共有主办城市杭州及宁波、温州、湖州、绍兴、金华5个协办城市参与办赛……杭州亚运会成为亚运史上规模最大、项目最多、覆盖面最广的一届。 为了迎接亚运会的来临，杭州及浙江各地都设计并建造了亚运主题的竞技场馆、体育中心以及运动景观等建筑设施。今天《建筑结构》带领大家领略本届亚运会最引人注目的“大莲花”是怎样练成的…… “大莲花”，也就是杭州奥体中心主体育场位于钱塘江畔，体育场用地面积约为8.23万平方米，是目前国内第三座可容纳8万人以上的体育场（前两个分别为北京的“鸟巢”和广东奥林匹克体育中心体育场）。

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“大莲花”将承办杭州亚运会开幕式、闭幕式和田径项目比赛，以及杭州亚残运会开幕式、闭幕式。场馆以被列入世界遗产名录的杭州西湖中的荷花形态为概念灵感，荷花的概念被演绎为模块化瓣状结构，形成了外墙与屋顶，将整个主场馆优雅地包裹起来。

项目概况

体育场外轮廓平面近似椭圆形，长轴长为366m，短轴约338m。看台结构最大宽度约108m，看台最高点标高42.46m地下一层、地上六层，首层层高层7.8m，其余4.5m。2层平台（标高7.8m）以上看台结构向场外倾斜由于体育场场内面向钱塘江具有好的空间渗透和视觉景观，体育场北侧看台2层平台以上开口，开口宽度约40~60m。

▲混凝土结构模型平面视图

▲施工过程中的照片

▲典型剖面示意
看台区上覆完整的环状花瓣造型钢罩棚，罩棚由28片大、小花瓣形成的14个花瓣组构成，经过模数化处理后，共有两种花瓣组。

▲钢罩棚花瓣组合示意

钢罩棚南北长约333m，东西宽约285m，覆盖宽度68m,最大悬挑长度52.5m，顶标高60.740m，罩棚展开面积96982m²。

下部混凝土结构体系与构成

利用建筑沿环向基本对称均匀分布的楼、电梯间和设备管井布置刚度、延性均较好的混凝土剪力墙，与下部混凝土框架形成框架-剪力墙体系。

▲下部混凝土结构三维模型
该体系有利于增加下部结构结构刚度，减小下部结构过柔而带来的上部钢结构地震作用放大过多的问题，同时能有效控制重力荷载作用下竖向构件外倾而产生的水平位移，提高整体结构的抗倾覆能力。

▲筒体及剪力墙平面布置（红色）
看台外圈柱自二层平台向场外倾斜，至六层分叉成V形柱,与看台Y型斜梁及顶部环梁形成空间结构，支承顶层看台结构及上部钢结构。为减小东西看台Y型斜梁跨度，在V型柱和看台Y型斜梁分叉点之间设置径向斜撑。

▲一榀典型框架主要构件截面尺寸
支承钢结构上支座的的型钢混凝土V形柱800x1200，汇交至下层楼面为1200x1200的型钢混凝土斜柱。

▲顶层看台结构布置
钢结构下支座支承于Φ1000型钢混凝土柱顶，局部出入口轴柱位置支承于环向框架梁顶。其它柱截面为Φ800、Φ1000、800x1000、800x2000。

上部钢结构体系与构成

钢结构罩棚结合建筑造型及参数化设计，由28片大、小花瓣形成14组花瓣单元沿环向三维阵列而成。罩棚采用空间管桁架+弦支单层网壳组合结构体系。每个花瓣组为一个结构单元，沿场心环向阵列生成14个花瓣组，用单层网壳结构填充阵列之后的空隙，与悬臂端部的内环桁架形成空间结构，通过V形组合钢管柱及V形侧向支撑将上部钢结构罩棚和下部混凝土结构连成整体。

▲花瓣组单元平立面
（1）大花瓣大花瓣由径向主桁架和弦支单层网壳构成。径向主桁架悬挑长度约52.5m，采用组合三角形空间圆管桁架，桁架根部高度7m，悬臂端4.5m，两榀径向主桁架形成一个花瓣。径向主桁架之间的空间采用弦支单层网壳支承于径向主桁架上弦，采用Φ30棒钢，棒钢两端铰接于径向主桁架的上弦，中间设置一道撑杆，该弦支单层网壳延伸至墙面时演变为单层网壳结构。

（2）小花瓣屋面小花瓣采用弦支组合结构，沿环向为组合三角形圆管结构，径向为单管布置，支承于大花瓣径向桁架上弦；采用5x61拉索，拉索截面面积1198mm2，拉索沿环向布置，两端铰接于大花瓣径向桁架上弦，索中间设一道撑杆。

▲屋面小花瓣
墙面小花瓣采用单层网壳结构，上、下端各汇交成一点，下端支承于下部混凝土结构2层平台混凝土柱顶，上端支承于大花瓣径向桁架上弦，面外通过室外钢结构楼梯与下部混凝土结构连成整体，小花瓣为钢梯提供竖向支承，同时钢梯增强小花瓣面外稳定。

▲墙面小花瓣
（3）V形组合钢管支撑两个大小花瓣形成一个结构单元，下支座支撑于二层混凝土框架柱顶，上支座通过V形组合钢管支撑于看台顶部的V形柱顶。

▲钢结构上支座构成示意图
每个结构单元包含5组V形组合钢管,其中端部支点为2管V形支撑，中间三支点为4管V形支撑，上端与径向桁架下弦连接，下端汇于一点支承于下部混凝土结构V形柱顶。

▲每个结构单元的组成
同一个结构单元内在每榀径向桁架5层楼面处设置V形侧向支撑，连接径向桁架下弦及混凝土楼面，提高其面外刚度，增强结构侧向稳定。 （4）内环桁架及整体钢结构在悬挑最前端设置内环桁架，用单层网壳结构填充各结构单元之间的间隙，形成结构整体，内环桁架为三角形空间圆管桁架，桁架高度约4m。

▲三维轴测图

▲南北立面

▲东西立面
（5）北侧开口处钢结构成开口处罩棚结构单元构成基本同上述单元，区别在于取消了墙面小花瓣及侧向V形撑。开口处径向主桁架前端支承在内环桁架上，上端通过八字形布置的梭形柱支承于相邻混凝土看台顶面，梭形柱之间增加横向联系杆件。下端支承于2层平台混凝土柱顶，侧面通过桁架上弦与两侧基本单元连接。开口处内环桁架、自身结构单元及其两侧基本单元的构件均予以加强处理。

▲看台开口处钢结构构成
上部钢结构罩棚用钢量统计：罩棚钢结构用钢量11134t，拉索用量7.7t，棒钢用量9t（不含型钢、铸钢件及钢梯）；按罩棚展开面积96982m²计114.5kg/m²。

关键技术

关键技术1 ：结构超长无缝设计

下部混凝土结构周长近1000m未设一道永久缝，为超长、超宽大面积混凝土结构，结合工程设计施工经验和理论分析，控制和减小整体结构温差收缩效应主要有以下几个关键要点：

1）施工设置后浇带，将整个工程下部结构切割成双向30～35m子结构；2）体育场下部混凝土结构后浇带采用高一级混凝土低温入模；3）上部钢结构结构施工设置环向后合拢区，设置短管零应力区，合拢温度取15±20℃；4）结合实际施工进度计划，考虑带后浇带结构建造生成全过程的施工模拟及对应的实际温差。温度效应与其他非荷载效应如徐变、收缩等始终相辅相成，且都与时间密切相关，因此温差效应分析中需同时考虑混凝土实际的徐变收缩时效特性。非荷载效应作用主要来自于变形约束，地基或桩基约束刚度无穷大的假定对非荷载效应影响极大，将造成不合理不准确的分析结果。在非荷载效应分析时应摈弃基础固定端或不动铰假定，考虑地基或桩基的有限约束刚度。施工开始至装饰期内，混凝土及钢结构构件受温差收缩影响，其内力、应力及变形等效应通常最为不利，应重点关注和分析。建筑长期使用阶段，由于地下室填土、覆盖，地上建筑外装饰、屋面覆盖等多重因素的有利作用，其长期的温差变化幅度及量级均低于施工期，分析结果在前者的包络范围内。（1）设置后浇带将整个工程下部结构切割成双向30～35m子结构。地下室外墙、边角区域框架柱等竖向构件受力较为不利部位，设计时通过加强局部构件含钢率措施消除局部不利影响，地下室外围墙身水平分布筋贯通置于外侧。洞口周边及中部区域等受力不利及应力集中的梁板水平构件，设计时通过适当加强配筋等措施消除局部不利影响，截面拉应力由钢筋承担，钢筋应力水平不超过200MPa，控制混凝土裂缝宽度不超过0.2mm；采用通长板筋加局部短筋的双层双向式配筋方式，增强楼板的抗裂性能。太阳辐射条件下，上部体育场钢结构罩棚大部分杆件应力水平低于35MPa，部分内环环杆、下部支座及内支撑等杆件应力水平较高，最大值约75MPa，组合工况设计时仍处设计可控范围。（2）本工程结构超长设计除采取上述设计措施外，并采取以下针对性施工措施减小温差效应的不利影响：确保混凝土较低温度入模，即保证在月平均气温以下入模。选择低温月（≤150℃）封闭后浇带，避免经历较不利的降温状态; 钢结构合拢温度取15±20℃。采用低水化热的普通硅酸盐水泥和级配良好的碎石骨料配制混凝土，并适量掺入粉煤灰。采用高效减水剂，降低水泥用量，严格控制水灰比。加强混凝土养护等。更多详情查看：《建筑结构》2014年17期文章：《杭州奥体中心主体育场超长混凝土结构环境温差效应分析》，作者：孙璨，傅学怡，朱勇军，张克，郑细；单位：东莞理工学院建筑工程系，哈尔滨工业大学深圳研究生院，悉地(北京)国际建筑设计顾问有限公司。

关键技术2：超长多点输入

本工程下部看台结构最大长度366m，与《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》对超长结构的定义限制（400m）非常接近。基于该工程的重要性，对该项目进行考虑行波效应的多点输入时程地震反应分析。采用的具体方法为“大质量法”，分析结果表明：
地震波输入方向为X向，多点输入的非同步性引起结构的扭转角度较单点输入有明显增大趋势；随着视波速减小，扭转效应增大。地震波输入方向为Y向,多点输入的扭转角度较单点输入存在时滞效果，多点输入扭转角度较单点输入略小,主要由于地震波输入方向与行波方向相同，而主体育场沿Y轴基本对称，因此多点输入的非同步性没有引起结构扭转输入的增加。各层扭转角度沿楼层的变化有明显的规律性，随着楼层的增加，绝对扭转角度逐渐增大，而层间相对扭转角逐渐减小。下部混凝土构件内力基本由单点输入控制。地下一层和地上一层的个别构件内力由多点输入控制，但多点输入调整系数均不大，最大调整系数为1.06，设计时给予相应补强。对于屋面钢结构，全部特征构件的内力均由单点输入控制。多点地震输入对本结构的影响较小，主要是由于大底盘对多点输入的非同步性发挥了重要的协调作用。

关键技术3：看台外倾引起重力荷载作用下混凝土构件受拉解决方案

由于建筑方案看台向场外倾斜，在长期重力荷载作用下，顶部、中部看台斜梁和看台板、顶部最外圈环梁以及25.8m、21.3m标高楼板、框架梁，均承受较大的轴向拉力（蓝色为拉力，红色为压力），结构受力较为不利。设计时对整体结构进行了如下几点针对性专项研究：1）考虑后浇带的施工模拟分析；2）混凝土刚度退化分析；3)最终实施方案。

▲恒+活工况下典型框架轴力图（kN）
（1）考虑后浇带的施工模拟分析在重力荷载作用下，结构环向构件产生的“环箍”作用明显，在施工期间，每隔2~3跨沿径向设置了施工后浇带。后浇带合拢前，环向构件无法发挥对径向框架的约束作用，因此结构的变形、内力较一次生成的计算结果有所差别，选取三榀径向框架进行对比，选取位置见下图。

▲后浇带的设置位置示意图

▲对比分析框架选取部位示意
（2）混凝土刚度退化分析在总装分析模型基础上，考虑混凝土在长期重力荷载作用下刚度退化，特别是顶部两层（标高21.3m以上）看台结构在长期重力荷载作用下承受较大的轴向拉力，为评估混凝土刚度退化对上部钢结构及V形支撑柱的影响，对整体模型进行刚度退化分析。退化模型中，顶部两层结构的型钢混凝土梁仅保留型钢的轴向刚度，普通混凝土梁轴向刚度折减至20%，看台板混凝土刚度折减至5%。 （3）最终实施方案依据上述专项分析中最不利计算结果，对重力荷载下顶部看台受拉构件采取如下解决方案：1）看台V形斜梁配置型钢，承担全部拉力，并与2000x800柱内型钢可靠锚；2）中层看台斜梁配置型钢，承担全部拉力，且纵筋及腰筋均按受拉锚固；3）四、五层受拉柱内设置型钢并向下锚固至结构三层；4）顶部外环梁整圈配置型钢承担全部拉力，与顶部支座型钢可靠锚固；5）控制梁内型钢应力水平不超过200MPa，混凝土裂缝宽度不超过0.2mm；6）顶部看台板及楼板配筋给予适当加强。

关键技术4：看台北侧开口部位构件加强

混凝土结构北侧看台结构沿环向不连续，北侧结构刚度较弱，且此区域上部钢结构支座抽空，混凝土结构承担更多的上部钢结构荷载，在重力、地震作用下，结构位移、构件受力均较其余部位不利，采用措施对此区域进行加强。
（1）钢结构支座构件截面加大加大边支座截面，使得边支座与中部支座应力分布均匀。

（2）钢结构环桁架截面积加大北侧钢结构上支座抽空，竖向刚度较弱，加大内环桁架弦杆及腹杆截面，增强内环桁架刚度，对北侧主桁架端部起到竖向支承作用，提高该区域钢结构的竖向刚度。

（3）混凝土筒体将北侧两个筒体墙体厚度由400mm增至600mm，并在角部暗柱内设置型钢，同时加大800x2000型钢柱内型钢含钢量，提高北侧混凝土结构抗震承载力及抗侧刚度。在-7.00~7.80m标高加设500mm厚混凝土剪力墙，降低北侧混凝土结构的扭转分量。

（4）看台斜梁、斜柱配筋加强
北侧开口附近看台斜梁在重力及地震作用下轴拉力较其余部位偏高，如图圈示部位，加大该部分斜梁含钢率，提高其截面轴向刚度，该区域顶层看台斜梁型钢含钢率4.0%，纵筋含钢率1.2%，中部看台斜梁型钢含钢率5.0%，纵筋含钢率1.5%；东西及南侧顶层看台斜梁型钢含钢率3.0%，纵筋含钢率1.0%，中部看台斜梁型钢含钢率3.5%，纵筋含钢率1.2%。北侧开口附近支承钢结构上支座的1200x1200型钢斜柱型钢含钢率加大至6%，其它部位斜柱型钢含钢率约4%。

关键技术5：看台顶部埋入式铸钢支座节点设计

本工程钢结构上支座通过短柱支承下部混凝土看台V型柱、看台Y型斜梁及外圈环梁汇交顶面，且下部混凝土构件均设型钢，该支座节点受力最为不利，若采用焊接节点，不仅施工难度大且阴角区焊缝质量难以保证，为确保上部钢结构安全，看台顶部钢结构上支座节点采用了埋入式铸钢节点。
看台型钢混凝土斜柱，在7.6m（二层结构标高）至25.6m（六层结构标高）范围内是单斜柱，截面尺寸为1200mmx1200mm，斜柱在25.6m至上部看台顶部标高（最高为42.488m）范围内，向两个方向分叉成V型双斜柱，截面尺寸为800mmx1200mm。

该节点为7根型钢构件空间斜向汇交，加之型钢混凝土构件纵筋多达130余根，其V形柱及看台Y型斜梁汇交阴角区，空间狭小不利穿筋，现场施工难度大，为确保结构安全，采用ANSYS软件建立三维有限元节点模型进行分析，确保节点承载能力，同时深化单位采用计算机模拟节点三维穿筋，并在地面建立1:1现场穿筋模型试验发现问题并及时完善，确保后续高空作业顺利实施。经过长达数月，共5轮的设计深化调整，并结合专家论证意见不断完善，在各方共同努力下最终该埋入式铸钢节点得以成功实施。为确保结构安全，项目参建各方一致认同通过计算机模拟三维穿筋和地面1:1现场穿筋模型试验发现问题并及时完善，确保后续高空作业顺利实施。

▲计算机模拟三维穿筋

▲1：1节点模型现场实验照片经过长达数月，共5轮的设计深化调整，并结合专家论证意见不断完善，在各方共同努力下最终该埋入式铸钢节点得以成功实施。

关键技术6：先铰接后刚接的新型支座节点部分释放杆件弯矩

为满足北部开口建筑效果需求，支承于开口部位两侧看台顶面的钢结构上支座杆件要求支座根部缩径。缩径后支座节点无法满足本工程钢结构相贯节点按刚接和铰接双控的设计要求。刚接模型中，该杆件支座根部在重力荷载作用下承受较大的弯矩，根部缩径后不满足抗弯要求。采用了一种全新的先铰接后刚接的连接节点，有效地解决缩径后杆件根部抗弯承载力不足问题，既简单又实用。其工作原理为：施工期间该节点为铰接销轴铰接节点，待上部钢结构卸载后，只需将该节点进行简单改造，补焊两片半圆管即可实现刚性连接。

▲先铰接节点

▲后刚接节点
该节点形式可有效降低重力荷载作用下支座杆件根部弯矩，使其仅承受后期使用荷载产生的弯矩，即保证了结构受力需要，同时又能有效保证杆件缩径后的建筑效果。考虑到钢结构卸载后需后续施焊，为此在铸钢件及梭形柱各预留20~30mm突沿，确保后期焊接为零应力焊接。

关键技术7：长悬挑看台楼盖解决方案

本工程3层径向框架梁向场内悬挑9.3m，受建筑净空影响，该梁限高1m，按常规悬挑楼盖难以实现。设计时将该外伸框架梁与其上部的看台斜梁视为整体，考虑其空间效应，使得外伸水平框架梁与斜梁共同受力。重力荷载作用下，看台斜梁承受一定的拉力，设计时看台斜梁内配置了型钢，斜梁拉力均有型钢承受，并控制型钢应力水平小于200MPa，限制裂缝宽度。水平框架梁内增设型钢钢骨解决看台斜梁内置型钢的节点锚固问题。

▲中层悬挑看台现场照片

结语

杭州奥体中心体育场体量大、看台结构外倾,造型较为新颖、复杂，结构设计难度大，尤其北侧看台开口，加剧了设计难度。设计时，采用多程序、多模型对上、下部结构进行整体总装分析及专项研究分析，以正确揭示结构受力状态。针对结构提出了较为明确的抗震性能化目标及实施措施，以确保结构安全。

供稿：CCDI结构设计团队：杨想兵，傅学怡，廖新军，朱勇军，高颖，崔小民，王涛，江坤生，等责任编辑：吴定燕
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