建筑结构丨杭州亚运会拳击场馆—杭州体育馆既有马鞍形悬索屋盖结构提升改造分析与设计

Original 杨学林，等建筑结构

2024-09-08

杭州亚运会拳击场馆—杭州体育馆既有马鞍形悬索屋盖结构提升改造分析与设计

文/杨学林、周平槐、李晓良、郜海波、丁浩

前言

杭州体育馆原名浙江人民体育馆，建造于上世纪60年代，1969年投入使用，1973年全国排球联赛、1979年世界羽毛球锦标赛等重要比赛活动曾在这里举行，2000年以前是杭州市举办重要比赛和外交活动的场所。体育馆屋盖采用单层悬索结构，是我国较早建成的马鞍形单层索网体育建筑，已成为教科书上的经典案例，也是上世纪杭州市的标志性建筑之一，具有重要的历史价值，已列入杭州市历史保护建筑和文物保护对象。在投入使用50多年后，杭州体育馆再次被选用为第19届杭州亚运会的拳击比赛场馆。为满足亚运赛事和今后使用要求，需要对其进行提升改造。秉承本届亚运会“绿色、智能、节俭、文明”的办赛理念，坚持“修旧如故”原则，重点进行了三方面提升改造：

（1）外立面修复。拆除不符合原有风貌的铝塑板幕墙，窗户全部恢复为原有分隔方式，窗户分隔框架表面恢复为原有水刷石材质。

（2）特色风貌提升。修复南立面具有特别象征意义的马赛克壁画、水刷石工艺立柱和大厅内水磨石预制装饰板立柱等特色风貌。

（3）使用功能和结构性能升级改造。重新划分内部功能区，改造升级老旧的消防设施、设备管线、空调系统和安防消防系统，新增电子大屏，更换场馆地板，屋面翻修和结构加固等。

在杭州市文物局全程监督指导下，体育馆结构安全性能改造提升方面的主要内容包括：

（1）延长结构工作年限。原结构服役年限已超过设计工作年限，改造后结构满足后续工作年限30年。

（2）索网加固和屋面翻修。原屋面采用杉木板上铺白铁皮，防水性能较弱，局部渗水严重导致个别钢绞线索保护层破损、索体表面锈蚀，本次改造对所有索进行了索力检测，在保留原有索网不变的前提下，通过增索加固提高索网承载力，并对索体表面进行处理以提升耐久性，同时将屋面面层翻修为铝镁锰防水屋面。

（3）结构抗震加固。原结构未考虑抗震设防，本次改造基于既有建筑抗震性能化方法，使改造后结构满足7度、乙类建筑和后续工作年限30年的抗震性能要求。

▲ 杭州体育馆60年代建造时的照片

▲ 改造前的杭州体育馆原始风貌

▲ 提升改造后东南侧鸟瞰实景

▲ 提升改造后南立面实景

▲ 提升改造后的室内实景

1 项目概况和屋盖索网结构

杭州体育馆由比赛大厅、练习房及室外附属机房组成，总建筑面积12600m²，建筑平面尺寸125.24m×103.8m，比赛大厅固定座位数约5300个。比赛大厅屋面为两向正交马鞍形单层悬索结构，长轴尺寸80m，短轴尺寸60m，净空高15m。屋面索网由56根主索（承重索）和50根副索（稳定索）组成，主索沿长向布置，副索沿短向布置。主索间距1m，副索间距1.5m。屋面主索设计垂度4.4m，副索设计拱度2.6m。主索下设两根交叉索，平行副索方向设34根水平拉杆，索网屋面和水平拉杆之间用吊杆连接。索网锚固于周边钢筋混凝土环梁，环梁截面尺寸2000mm×800mm，由下部看台结构向上延伸的44根钢筋混凝土框架柱支承。

主索和副索采用钢绞线，规格均为6×7Φ^s4，钢绞线外涂沥青保护层和油布包裹。主索和副索之间通过直径6mm的U形钢筋夹具进行连接和固定。

▲ 屋面索网和周边混凝土环梁剖面

▲索截面

▲ 主索副索之间的连接

▲ 索网平面布置（对称，1/4模型）

▲ 下部看台结构

▲ 支承屋面环梁的周边混凝土结构

2 索网结构索力检测

工程改造前，基于“三点弯曲式”索张力测试原理，采用索张力测试仪对所有承重索、稳定索和水平拉杆的索力进行了检测。检测结果表明，实测索力与计算索力之间存在一定差异。对于承重索，大部分索力大于实测值；对于稳定索，大部分索力小于实测值。分析原因，可能与改造前屋面实际荷载局部超过设计荷载有关。另外，实测索力波动幅度较大，与变化非常平缓的计算索力显著不同，局部位置相邻索的实测索力相差达到50%。由于原屋面防水性能较弱，局部渗水导致个别钢绞线索保护层破损、索体表面锈蚀，对索的承载能力和耐久性产生一定影响。

▲ 承重索编号

▲ 稳定索编号

▲ 主索实测索力（kN）

▲ 副索实测索力（kN）

▲ 索网屋面漏水区域示意图

▲ 索网保护层破损和索体表面锈蚀照片

3 索网模型重构

3.1 索网屋面找形

索网找形方法有力密度法、动力松弛法和非线性有限元法等，本工程采用非线性有限元法进行找形分析。首先根据图纸的索网结构水平投影建立平面模型，索网和周边混凝土环梁z坐标定义为相同标高，并定义索弹性模量一个非常小的值。根据环梁图纸坐标，给环梁施加强制位移（分5步施加），施加索力进行索网结构的非线性分析，得到周边环梁强制位移作用下引起的索网变形。调整索力，可得到不同的索网变形形态。分析结果表明，当副索和主索的索力比值为1.1时，索网中心点的竖向变形值接近图纸。根据索网变形计算结果，更新节点z坐标，可得到找形后的索网模型。

对比原施工图给定的15个控制点坐标，找形得到的控制点标高与图纸坐标（即下列双曲抛物面方程计算坐标）之间吻合度非常好，最大差值仅为17mm。

▲ 控制点编号

▲ 控制点标高比较/m

3.2 原屋面索网受力分析

根据原结构专业施工图，索网高强钢绞线锚具采用JM-12A-6型，张拉采用YC-60型千斤顶。索网张拉和屋面施工顺序依次为：

（1）先安装主索，再安装副索，并同时施加第一次预应力。张拉时以索长、垂度、应力控制，但以控制应力为主。对主索施加9.2tonf、副索9.3tonf的预拉力。

（2）安装索网U型钢筋夹具（放松状态），均匀铺设部分屋面。铺设檩条、屋面板、白铁皮、均布铺设部分木丝板或钢丝网水泥板，共计附加恒载33kg/m²。为便于第二次张拉时屋面自由变形，设置分区变形缝。

（3）调整索网，施加第二次预应力，上紧U型夹具。张拉时先主索、再副索，控制拔出长度。各索对应点张拉顺序和预应力大小均不同。

（4）施加全部静荷重，补做变形缝处屋面板，索网孔道灌浆，屋面施工完成。屋面附加恒载增加7kg/m²。

根据上述张拉和屋面加载次序进行全过程模拟分析，得到索网经历第一次张拉、第一次加载，到第二次张拉和第二次加载过程中的节点z坐标变化曲线，索网控制点的z坐标计算变形值与原图纸记载变形值之间，吻合良好，竖向变形值最大偏差仅为31mm。

索网张拉和屋面面层施工完成后，主索计算索力为225~248kN，副索计算索力为185~229kN，与原施工图纸记载的索力值也比较接近。

▲ 按原图纸张拉施工次序计算的索网z坐标变化过程

▲ 原图纸记载的屋面施工过程控制点z坐标变化

▲ 索网计算变形与原图纸记载变形值比较

▲ 主索A1张拉和屋面加载过程中z坐标变化

▲ 副索B1张拉和屋面加载过程中z坐标变化

▲ 改造前原屋面主索索力/kN

▲ 改造前原屋面副索索力/kN

4 索网加固和屋面翻新

4.1 屋面面层拆除和翻新

原屋面面层做法较为简单，先是在索网上面安装固定木格栅，再铺设杉木板和白铁皮，防水性能较弱，使用过程中屋面渗漏水情况时常发生。为彻底解决屋面防水问题，本次改造将原屋面面层拆除，翻新为直立锁边铝镁锰防水屋面。

新屋面安装前，先分块、分批、对称拆除原屋面面层，并将原承重索和稳定索之间的Φ6mm直径U形钢筋夹具更新为新索夹，以满足直立锁边铝镁锰防水屋面的固定和安装要求。

为适应索网屋面变形，直立锁边铝镁锰防水屋面的底座设计为可单向滑动的构造，滑动方向与稳定索方向一致。

▲ 原图纸屋面面层做法

▲ 翻新为直立锁边铝镁锰防水屋面

▲ 原Φ6mm直径U形钢筋索夹

▲ 新索夹安装照片

▲ 新屋面翻新施工照片

▲ 铝镁锰防水屋面的单向滑动底座

4.2 索网屋面增索加固

屋面翻新采用铝镁锰金属屋面板，原Φ6mm直径U形钢筋夹具更换为新的索夹（新索夹每只重量约20kg），另考虑亚运拳击比赛所需的新增灯光、音响设备、吊顶等吊挂荷重和新增马道等，屋面总荷重增加量较大。经计算，承重索索力增加较多，部分索力超过了原拉索的承载力，另考虑到实测索力的不均匀性，故考虑对既有索网采取适当加固措施。

开始的加固方案考虑了多种方式：1）替换部分拉索，采用承载力更高的新索；2）原索位置并索加强；3）增索加固，等等。由于原索均锚固于周边混凝土环梁内，张拉端孔道也已灌浆填实，旧索替换对混凝土环梁损伤较大，也不符合文物保护部门的要求；如采用在原索位置并索加强的方案，新增索的锚固存在较大难度，将导致索夹构造尺寸偏大，两端锚固支座不便施工等问题。经多方案比较，并征求体育馆建筑方案主创设计师唐葆亨大师和文保部门专家的意见，最终选择增索加固方案。

关于新增索的数量和位置，也进行了多种方案的分析比较，并考虑了新增拉索张拉对混凝土环梁承载力的影响，最终确定在中间对称增加11根受力索的加固方案，新增拉索采用直径40mm的密闭索，抗拉强度等级1570MPa，索体理论最小破断力1580kN，弹性模量1.6×10⁵MPa。

新增拉索采用一端固定、一端张拉的施工工艺。增索与环梁的连接节点设计，结合了混凝土环梁自身外包钢的加固方案，将环梁内侧加固钢板适当外伸，节点板上下与之双侧角焊缝连接，有效解决了新索的拉力传递问题。节点板开孔，通过销轴与索头相连，同时增设横向加劲板。

▲ 新增受力索平面布置

▲ 新增受力索编号（1/4平面）

▲ 新增受力索与环梁连接节点照片

▲ 新增受力索张拉照片

4.3 屋盖索网结构改造施工全过程模拟

索网的内力分析结果和施工顺序有密切关系。结合现场施工条件，确定的主要施工工序为：1）拆除原屋面系统，随拆随装配重；2）更换原索索夹，安装主檩条；3）新索第一次张拉，张拉力控制为设计张拉力的60%，从中间新索AA1向两侧依次张拉；4）新索第二次张拉，同样从中间向两侧张拉至设计张拉力的100%；5）安装新索和老索之间的新索夹，拆除配重；6）安装铝镁锰金属屋面系统、吊顶和马道等。

统计屋面构造做法各部分重量，并考虑吊顶、灯光和音响等重量，屋盖翻新后附加恒载取50kg/m²，马道范围另附加均布恒载0.5kPa。原有承重索和稳定索之间的新索夹，每个重约20kg，新增承重索和稳定索之间的索夹，每个重约15kg。

新索从中间向两侧分批张拉的过程中，索力是不断在变化的，我们对张拉过程中的索力变化情况进行了监测。从监测结果看，新索第二次张拉完成后，计算索力与实测索力是非常接近的。

从屋面翻新改造过程中各工况下的索网变形计算结果看，原屋盖旧面层拆除后，索网整体产生回弹变形，索网中心点挠度由拆除前的274mm回弹至73mm；新索夹安装完成后，索网中心点挠度又增加至140mm；11根新索分二次张拉完成后，索网中心点挠度又回弹减小至72mm；最后铝镁锰金属屋面系统、吊顶和马道全部安装后，索网中心点挠度增加至278mm，与改造前的索网中心点挠度274mm基本一致。

▲ 新索二次张拉的张拉控制值

▲ 新索第一次张拉的索力变化（tonf）

▲ 新索第二次张拉的索力变化（tonf）

▲ 新索第二次张拉后的实测索力

▲ 屋面翻新改造过程各工况下的索网变形（mm）

▲ 改造前后索网标高变化对比（长轴剖面）

4.4 增索加固后的索网结构承载性能分析

增索加固和屋面翻新完成后，屋盖结构前四阶自振模态均表现为索网的上下振动，振型周期分别为：T₁=0.9756s，T₂=0.8718s，T₃=0.8626s，T₄=0.7762s。

初始态（即新屋面安装完成，未施加屋面活荷载的状态）时，主索索力为186~260kN，副索索力为208~248kN，其中新增索的索力为247~254kN。比较各种组合工况下的索网内力，“1.3恒载+1.5雪荷载”为最不利组合工况，该工况下索网组合内力为205~385kN，均满足索的承载力要求。

考虑到实测索力波动幅度较大，与理论计算索力之间存在较大差异，为此重构了基于实测索力的索网模型，将屋面翻修改造前状态的索力计算值替换为实测索力。基于实测索力的索网模型，初始态时主索计算索力为173~326kN，副索计算索力为149~254kN，可见无论是主索和副索，索力变化范围相比于理论模型有明显增大。对于“1.3恒载+1.5雪荷载”最不利组合工况下，索网组合内力设计值为124~455kN，个别索组合内力设计值略超承载力，但若按“1.2恒载+1.4雪荷载”进行组合，承载力可基本满足要求。

▲ 增索加固完成后屋盖结构的前四阶自振模态

▲ 初始态索网主索索力/kN

▲初始态索网副索索力/kN

▲ 最不利组合工况下的计算索力组合值/kN

▲ 基于实测索力模型的初始态主索索力/kN

▲ 基于实测索力模型的初始态副索索力

▲ 最不利组合工况下基于实测索力模型的索力组合设计值/kN

4.5 索网抗火分析

屋面索网当采用防火涂料防火时，在防腐胶带上涂刷防火涂料难度较大且极易脱落，较难达到规范要求的耐火极限1.5h；若采用包裹防火毡防火，则防火毡的厚度（超过30cm）为历史保护建筑所不允许。为此，本工程进行了屋面索网防火性能研究，通过对防腐层阻燃性、索网结构耐火性、人员疏散安全性三个方面的防火研究，表明在采取消防增强措施后，各火灾场景下的索网结构抗火性能均能得到保障，屋面索网可不额外采用防火保护措施。

模拟结果表明，随着温度升高，索网张力逐渐减小，副索在高温作用下内力变为负值后退出工作，索网结构在温度达到300℃时跨中节点竖向位移为948mm，索网跨中竖向位移随温度升高平稳变化，未出现明显突变或骤降趋势，表明此过程索网结构仍未失稳，临界温度值＞300℃。而基于模拟分析结果，最不利火灾场景下，安全疏散时间内索网升温的最高温度为243℃，小于临界温度。

▲ 火灾场景设置示意图

▲ 疏散场景设置示意图

▲ 各工况人员疏散时间

▲ 索网升温和辐射模拟结果

4.6 索网耐久性提升

原有拉索表面通过浇筑沥青、缠绕油布形成保护层，阻隔外部空气接触。改造前检测发现，大部分拉索表面完好，但考虑到索网已服役50余年，且屋面局部渗漏水已导致个别钢绞线索保护层破损、索体表面锈蚀，对索承载能力和耐久性产生一定影响，故对索网的索体表面进行适当处理，提升耐久性。

索网耐久性提升措施主要包括：1）索体表面处理，包括清除原包裹索体的油布和沥青，锈蚀处打磨处理等；2）索体表面均匀涂抹防蚀膏，确保表面平整；3）缠绕防腐胶带形成新的防护层。

▲ 索体表面锈蚀 ▲ 防腐胶带

▲ 现场缠绕防腐胶带照片

4.7 索网周边混凝土环梁加固

根据结构检测报告和环梁承载力复核，拟对屋盖索网的周边混凝土环梁采用外包钢进行加固，提高环梁刚度和承载力，保证增索加固和屋面翻新改造后的设计要求。新增索与环梁连接节点，考虑了与环梁外包钢加固节点的一体化设计。

▲ 混凝土环梁外包钢加固节点

5 看台结构加固设计

体育馆看台结构2层（局部3层），采用混凝土框架-剪力墙和砖墙混合承重体系，其中观众席高区看台采用框架-剪力墙结构（剪力墙厚120mm），低区看台采用砌体结构。体育馆南、北两侧附房为单层单跨砌体结构，屋面采用单向密肋楼盖叠合梁板结构，密肋梁一端搁置在外立面的承重砖墙上，另一端铰接在主体结构外环梁的牛腿上，附房平面两端与主馆东、西门厅的交接处设置伸缩缝。

体育馆建于上世纪60年代，结构服役年限已超过设计工作年限，看台结构加固主要目的是延长结构后续工作年限，同时结合抗震加固提升结构整体抗震性能。

根据结构安全性检测报告，部分混凝土梁、楼板和承重砖墙存在较普遍的裂缝，某些裂缝甚至是贯穿性裂缝，影响构件承载力和耐久性能。另一方面，第五代地震动区划图颁布之前杭州为6度设防区，而89版规范执行前6度区一般不考虑设防，因此本工程当时是按非抗震结构进行设计的。对照现行国家标准《建筑抗震鉴定标准》GB50023，体育馆结构主要存在以下不利于结构抗震的问题：1）混凝土结构和砌体结构混合承重；2）混凝土剪力墙单向布置，且墙厚仅为120mm；3）部分混凝土梁与柱之间采用铰接连接；4）软土地基采用砂桩复合地基，累积沉降大，受外界扰动十分敏感。

本工程按设防烈度7度、设防类别乙类、后续工作年限30年（A类建筑）进行抗震鉴定，并基于既有建筑抗震性能化设计方法，从提高结构整体抗震性能出发，提出加固设计方案，避免大面积构件加固，减少因构造不足原因的加固构件数量。针对既有结构存在的主要问题，从结构体系、构件及梁柱节点等方面对看台结构进行加固，主要包括：东西两侧对称增设南北向混凝土剪力墙，满足剪力墙双向布置要求；原剪力墙厚度由120mm加厚至240mm，满足墙肢稳定要求；部分原混凝土梁柱铰接连接节点，加固成为刚接连接，形成抗侧力框架；对混凝土看台梁搁置处的砖墙，外包型钢形成扶壁柱和圈梁。

▲ 看台结构加固平面示意图

▲ 看台结构剪力墙加固示意

▲ 看台结构混凝土梁柱铰接节点加固示意

▲ 西门厅雨篷混凝土悬挑梁加固

▲ 悬挑梁加固施加预拉力照片

▲ 剪力墙加大截面法加固

▲ 柱加大截面法加固

▲ 梁外包钢加固

6 地基基础加固设计

体育馆地处杭州典型软土地基，限于建造时的经济条件，为节省基础造价，设计采用了砂桩复合地基。尽管目前沉降稳定，但从改造前的室外台阶现状标高判断，基础累积沉降量超过50cm。考虑到北侧新建建筑即将开挖地下室，软土扰动变形可能对体育馆基础产生不利影响，本次改造时采用锚杆静压预制混凝土方桩，对支承屋盖环梁的主框架柱基础进行了适当加固，提高了地基基础承载力和抵抗周边扰动变形的能力。

7 结语

杭州第19届亚运会比赛场馆共有56个，其中26个为改造项目，18个为续建和改建项目，新建场馆仅12个，充分彰显了“绿色办亚运、节俭办亚运”的理念。杭州体育馆作为亚运会拳击比赛场地的此次改造升级，正是杭州亚运会改造提升场馆中的典型代表。

此次改造提升设计，体现了尊重原设计思路、满足新功能需求、兼顾施工可行便利的指导思想。对这样一座有着无数回忆的地方，场馆的改造提升从保护历史文化角度出发，坚持“修旧如旧”的原则，在满足赛事需要，兼顾赛后利用的同时，保持了历史风貌，体现文化底蕴。

针对地基基础、上部结构和索网屋面的加固，显著提升了整体结构性能，使原来已超过设计服役年限的“老人”变成了“青壮年”，重新焕发青春活力。针对屋面索网结构的增索加固和耐久性提升设计方法，对今后类似索承大跨空间结构具有重要指导和借鉴意义。

▲ 杭州体育馆3D模型

▲ 改造前的杭州体育馆

▲ 原屋盖面层拆除

▲ 屋面系统拆除和增设配重 ▲ 新增拉索

▲ 安装直立锁边铝镁锰防水屋面板

▲ 马赛克壁画手工艺修复

▲ 室内消防自动水炮 ▲ 消防自动水炮灭火测试

▲ 改造后的体育馆外立面

▲ 改造后的体育馆内景（杭州第19届亚运会拳击比赛现场）

图片来源：除特别注明外，其余图片或视频均由作者单位（浙江省建筑设计研究院）提供。

供稿人：李晓良：浙江省建筑设计研究院第九设计院结构总工程师

作者简介

杨学林，1995年浙江大学博士研究生毕业，浙江省首届勘察设计大师，浙江省土木建筑学会理事长，浙江省建设厅科技委秘书长。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杭州萧山国际机场三期工程、浙江智慧之门、杭州望朝中心、杭州国际体育中心、中国京杭大运河博物院等项目，获浙江省优秀设计奖和全国行业优秀设计奖60余项。发表论文150余篇，出版著作10部，获国家授权专利70余项，主参编标准30余部，主持完成科研成果获华夏建设科技奖一等奖1项，中国发明学会发明创新奖一等奖1项，浙江省科技进步奖一等奖1项、二等奖4项，浙江省建设科学技术奖一等奖6项。先后获国务院特殊津贴、有突出贡献中青年专家和浙江省建设科学技术奖“重大贡献奖”。

周平槐，2005年浙江大学硕士研究生毕业，正高级工程师，国家一级注册结构工程师，现任浙江省建筑设计研究院总师办主任，主要从事建筑结构的分析计算和设计工作。主持或参与设计了三门金鳞体育中心主体育场罩棚钢结构、湖州南太湖湿地奥体公园主体育场和游泳馆屋盖钢结构、杭州体育馆既有索网结构改造提升工程等大跨空间结构和新世界环球中心、兰州红楼时代广场项目、天盛中心1#塔楼等超高层建筑结构，获多项浙江省优秀设计奖和全国行业设计奖。发表论文近40篇，参编标准多部。2016年获得杭州市优秀青年建筑结构设计师称号，2019年被评为首届建筑结构行业杰出青年。

李晓良，硕士，1995年毕业于西北工业大学，现任浙江省建筑设计研究院第九建筑设计院结构总工程师，正高级工程师，国家一级注册结构工程师。主要从事结构设计与研究工作。主持或参与完成了上海国际会议中心、浙江省委党校新校区、上海广播大厦二期、上海外贸大学、上海电影博物馆、浙江省影视后期制作中心、杭州新世界财富中心、丽晶国际中心、新世界环球中心、绿都港汇中心、常州大学西太湖校区、长龙航空总部大楼改造等项目的设计。参编地方标准多项，发表学术论文十余篇。获国家和省市优秀勘察设计奖数十项，浙江省建设科技一等奖1项。

写在最后

与本文有关的内容刊登于《建筑结构》2022年第15期，题为《杭州亚运会拳击场馆杭州体育馆屋盖单层索网结构提升改造分析与设计》，作者：杨学林，周平槐，李晓良，郜海波；《杭州亚运会拳击场馆杭州体育馆提升改造工程结构加固设计》，作者：李晓良，杨学林，郜海波，周平槐，丁浩，单位：浙江省建筑设计研究院。敬请查阅！

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责任编辑：成乐

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