建筑结构丨“蚕丝化蝶”—亚运主场馆杭州奥体中心体育游泳馆结构设计要点

“蚕丝化蝶”—亚运主场馆杭州奥体中心体育游泳馆结构设计要点

文/杨育臣 

 项目概况

第19届亚运会于2023年9月23日在杭州开幕。杭州奥体中心体育游泳馆（简称“体育游泳馆”）作为杭州亚运会主场馆，亚运会期间承担篮球、游泳、跳水和花样游泳的比赛任务。场馆如同一只展翅欲飞的蝴蝶，呼应杭州文化主题“化蝶”，向八方宾客诉说唯美浪漫的传说。图1为体育游泳馆的实景图，图2为建筑总平面图。

（a）日景图

（b）夜景图

▲ 图1  体育游泳馆实景图

▲ 图2  体育游泳馆总平面图

体育游泳馆位于七甲河东北岸的萧山区境内，西、南面临七甲河，东南临地铁奥体站，东北至青年路，西北临滨江大道。沿东西向尺寸为609m、南北向尺寸为200m，总建筑面积约39.7万m²。体育游泳馆地下连为一体，地下两层，局部场馆区地下一层，主要功能为商业设施、机房及地下车库。体育游泳馆地上分为三部分，包含18000座的体育馆、6000座的游泳馆及商业设施，地上各层建筑图如图3所示。其中体育馆地上五层，总高度45m；游泳馆地上两层，总高度35m；商业设施地上一层，层高8.0m，即8m平台。体育游泳馆屋盖为一整体，跨越体育馆、游泳馆以及中间大厅三部分，是世界上最大的两馆连接体非线性造型场馆。如图4所示。

（a）一层平面图

（b）二层平面图

（c）三层平面图

（d）四层平面图

▲ 图3  建筑地上各层平面图

▲ 图4   杭州奥体中心体育游泳馆剖面

结构设计基准期为50年，耐久性按100年（属于重要建筑，提高耐久性）。结构安全等级：体育馆、游泳馆为一级，其他商业等附属用房为二级。抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第一组，抗震设防类别：体育馆、游泳馆为重点设防类，其他商业等附属用房为标准设防类。100年重现期基本风压为0.50kN/m²，100年重现期基本雪压为0.50kN/m²。对于混凝土结构温度作用取±15℃，对于屋顶钢结构，考虑合龙温度为10~25℃，温度作用取±30℃。

 结构体系

体育游泳馆主体结构采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。地下结构连为一体，设温度控制缝。地上主体设置防震缝，分为三个独立的单元即单元左（游泳馆部分）、单元中（中央大厅部分）、单元右（体育馆部分）。地下温度控制缝位置同防震缝，如图5所示。

▲ 图5 杭州奥体中心体育游泳馆平面分布

体育游泳馆屋盖覆盖了体育馆、游泳馆以及中央大厅，为一个完整的网壳结构，自然延伸支承到8m平台混凝土结构上。钢屋盖结构长向弧长约为480m，游泳馆长向跨度为164m、短向跨度为129.6m，体育馆长向跨度为164m、短向跨度为141.4m，两馆东西两侧各悬挑13m。如图6所示。

▲ 图6 屋盖平面示意图

游泳馆和体育馆区域的屋盖采用斜交斜放的变厚度双层网壳结构，游泳馆最高点结构厚度6.0m、体育馆最高点结构厚度6.5m，两馆结构厚度随结构相对标高按照0.9次方变化（根据建筑美观和受力需求），如式（1）所示。中央大厅网格为满足建筑造型采用单层网壳，如图7、8所示。

式中：H、H₀分别为网壳厚度、网壳最高点厚度；Z、Zmax、Zmin分别对应建筑标高、建筑面最高点标高、建筑面最低点标高。

▲ 图7 屋盖结构三维示意

▲ 图8 典型结构剖面图

为满足建筑要求，双层网壳的钢结构弦杆均采用矩形截面。双层网壳部分落地段（落地点以上约6.5m高度范围）采用了矩形弯扭构件。单层网壳统一全采用了矩形弯扭构件。

 主要特点 

特点一：屋盖参数化设计

开发了一套建筑、结构一体化的参数化建模程序，大幅提高结构设计效率。体育游泳馆屋盖为自由曲面，自由曲面通过参数化的形式以数学形式表达。参数化的引入极大提高了结构计算的效率，在既有的建筑条件下可快速进行方案对比，确定经济合理的屋盖钢结构布置和结构厚度。参数化建模同时保证了屋盖钢结构和屋面围护结构严格统一，实现了建筑结构一体化设计。

本项目参数化建模流程如图9所示。

▲ 图9 参数化建模流程

定义脊线和剖面椭圆的原则如图10、11所示，脊线和剖面椭圆确定了整体建筑造型及钢结构布置。

▲ 图10  屋面脊线示意图

▲ 图11  剖面椭圆示意图

参数化形成的屋盖钢结构如图12所示，根据钢结构设计结果，对网格尺寸、结构厚度等进行微调，以实现更合理的结构性能和经济指标。

▲ 图12  参数化建模形成的屋盖钢结构几何模型

特点二：超长混凝土设计

主体东西向尺寸为609m、南北向尺寸为200m，规模巨大，属于超长混凝土结构，温度变化对结构的影响较大。采取了释放与加强相结合的措施，重点在“放”，加强次之。

1、在地下室单元左、中、右之间设置温度控制缝，为增强结构平行于温度控制缝方向水平力的有效传递，控制缝按“之”字形进行布置，如图13所示。

▲ 图13  温度控制缝构造大样

2、在地下一层、首层结构长向框架梁、二层（8m平台）框架梁及双向次梁中增设无粘结的预应力筋，以减少温度应力对结构的影响。

3、楼板双层双向配筋，加强重点部位楼板配筋，拉应力全部由钢筋承担，并控制钢筋应力水平≤200MPa，控制混凝土裂缝宽度≤0.2mm。

特点三：超长大跨度屋盖

钢屋盖结构长向弧长约为480m，游泳馆长向跨度为164m、短向跨度为129.6m，体育馆长向跨度为164m、短向跨度为141.4m，为超长大跨屋盖，通过几何非线性稳定分析、多点多维时程分析及动力弹塑性时程分析，确保了大跨屋盖的安全

在考虑初始缺陷的情况下，网壳的稳定系数K最小值为5.24，满足规范要求。如图14所示。

▲ 图14  考虑初始缺陷的网壳在极限承载力下的位移云图

多点输入对混凝土结构内力影响较对上部钢结构内力影响大，钢结构部分超载的构件较少，三条波平均不超过10%。如图15所示。

▲ 图15  钢屋盖杆件应力超载比分布图（8m~16m标高）

特点四：弯扭构件设计

提出了一种钢结构弯扭构件的设计方法，解决了弯扭构件整体的承载力以及稳定性问题。

双层网壳部分落地段（落地点以上约6.5m高度范围）采用了矩形弯扭构件。单层网壳统一全采用了矩形弯扭构件。设计采用分段等截面梁单元模拟弯扭构件满足工程精度要求，如图16~18所示。

▲ 图16   弯扭构件模拟对比

▲ 图17  双层网壳落地段弯扭构件实景

▲ 图18  单层网壳弯扭构件实景

特点五：屋盖支承边界

细化了屋盖结构的支承边界条件，解决了上下部结构分块不对应带来的复杂温度与抗震问题。屋顶网壳的支座分为三种类型，第一类支座为落在8m平台上的三向固定铰支座；第二类支座位于游泳馆和体育馆东西两侧的四排柱顶，支座沿切向固定、法向滑动；第三类支座位于大厅区域，由两个斗形柱支承屋顶单层网壳结构，斗形柱下端三向固定铰支承于8m标高处的主体混凝土结构上。支座布置如图19所示。

▲ 图19  屋盖钢结构支座分类

为解决入口处（图20）水平推力较大且集中的情况，考虑钢结构的施工过程，水平力的分布更加均匀。第二类支座支承于混凝土弧梁上，弧梁与单排混凝土柱形成平面框架，面外的刚度则较小。在施工阶段将第二类支座的切线方向约束释放，待钢结构施工完成后，再将切线方向进行约束。减小柱底弯矩约60%。

▲ 图20  入口1立面示意

特点六：节点设计

屋盖为自由曲面，节点造型采用了圆柱形节点，如图21所示，圆柱内部采用十字加劲肋的形式解决了矩形截面构件相交位置的节点设计困难的问题。

▲ 图21  双层网壳下弦节点示意

特点七：异形跳台

游泳馆采用异形清水混凝土跳台，如图22所示，造型简洁、美观。包含10、7.5、5、3m等不同高度的跳台。跳台典型截面如图23所示。

▲ 图22  异形跳台实景图

(a）跳台支撑柱                                     (b）跳台板

▲ 图23  7.5m跳台结构典型截面

《国际泳联设施细则》（2017-2021）FR5.2节对跳台结构的频率和变形提出了要求，跳台需满足：1）整个结构的基频≥3.5HZ；2）在跳台前沿X、Y、Z三个方向上分别施加100公斤的拉力，前沿的变形不超过1mm。

以7.5m跳台为例介绍其振动和变形情况，采用实体单元建立结构的三维模型。根据《国际泳联设施细则》（2017-2021），7.5m跳台的振动模态和端部变形如图24、25所示。结构第1振动模态为水平晃动，第2振动模态为竖向振动，整个结构的基频3.95Hz≥3.5Hz。在100公斤三向拉力作用下，跳台端部最大变形为0.29mm<1mm。频率和变形均满足《国际泳联设施细则》（2017-2021）的要求。

▲ 图24  7.5m跳台振动模态

▲ 图25  7.5m跳台端部变形/mm

建造过程

▲ 图26  施工建造过程图片

室内实景照片

▲ 图27  篮球馆内景-2022-2023赛季CBA总决赛

▲ 图28  游泳馆内景

▲ 图29  中央大厅内景

项目信息

业主：杭州奥体博览中心萧山建设投资有限公司

建设地点：浙江省杭州市萧山区奥体博览城

设计单位：北京市建筑设计院有限公司

结构设计团队：杨育臣、朱忠义、张琳、奚琦、王毅、杨晓宇、许洋、黄飒、梁宸宇、沈莉、张燕平、马洪步、李国强、鲍蕾、齐五辉、徐斌、柯长华、吕素琴、 王皖兵、张学检、周颖、王哲、何涛涛、刘琦、张博、王铁英、戴夫聪、袁林华、李华峰

总建筑面积：396950m²

项目状态：2021 年 4 月已建成

设计时间：2009 年 6 月— 2019年 2 月

图片来源：除特别注明外，其余图片或视频均由作者单位（北京市建筑设计院有限公司）提供。

供稿人：杨育臣，北京市建筑设计研究院有限公司第二建筑设计院结构所所长

作者简介

杨育臣，国家一级注册结构工程师、教授级高级工程师，2009年硕士毕业于哈尔滨工业大学，现任北京市建筑设计研究院有限公司第二建筑设计院结构所所长，主要从事多高层民用建筑设计、大型体育场馆设计、复杂建筑结构设计及研究工作。作为专业负责人主持设计了2022年冬奥会国家速滑馆（冰丝带）、杭州奥体中心体育游泳馆、北京商务中心区（CBD）核心区Z4项目、清华大学通州金融发展与人才培养基地项目、大兴国际氢能示范区项目、中国民生银行泉州分行、五棵松体育文化产业配套用房、南京鲁能美高梅美荟酒店、五棵松篮球主题公园等国家和地区重点项目，获国家及省部级优秀勘察设计奖、优秀结构设计奖和中国建筑学会科技进步奖多项。

朱忠义， 全国工程勘察设计大师，国务院特殊津贴专家、国家一级注册结构工程师，教授级高级工程师，2000年博士毕业于浙江大学，现任北京市建筑设计研究院有限公司总工程师。获全国劳动模范、北京学者、全国五一劳动奖章、全国杰出工程师、科学中国人年度人物、全国勘察设计行业庆祝新中国七十周年科技创新带头人、中国钢结构协会“钢结构大师”、FAST 工程建设突出贡献个人等，担任住建部全国超限工程审查委员会委员、中国钢结构协会副秘书长。入选国家百千万人才工程。作为专业负责人主持设计了500m口径球面射电望远镜（FAST）、北京大兴国际机场航站楼、卡塔尔2022年世界杯主体育场、首都机场T3航站楼、2008年北京奥运会国家体育馆、杭州奥体中心体育游泳馆、昆明长水国际机场航站楼、深圳宝安国际机场T3航站楼、凤凰中心、绵阳九州体育馆等国家和地区重点项目，获国家科技进步二等奖、北京市科技进步一等奖等。

写在最后

本项目的设计团队对研究成果进行了总结，已发表学术论文：《杭州奥体中心体育游泳馆结构设计》（刊登于《建筑结构》2013年第17期），《“蚕丝化蝶”-杭州奥体中心体育游泳馆结构设计要点》（刊登于《建筑结构》2023年第18期），有兴趣的读者可以自行下载。

点击“此处”可查看《建筑结构》2023年第18期文章导览。

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责任编辑：成乐

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