第十四届全运会主场馆——西安奥体中心体育馆结构设计

第十四届全运会主场馆——西安奥体中心体育馆结构设计文/阳小泉，刘国银，隋庆海，赵雪峥

文/阳小泉，刘国银，隋庆海，赵雪峥

西安体育中心为2021年第14届全国运动会的主场馆，由体育场（标段1）和体育馆+游泳馆（标段2）组成，项目选址在西安国际港务区，位于西安市未来城市发展的东北向主轴上，占地约74.9万 m ² ，地理位置优越，交通便利。中国建筑东北设计研究院有限公司负责标段2（体育馆+游泳馆）的设计。项目于2017年7月中标，2018年10月主体结构封顶，2020年5月投入使用。

▲ 西安奥体中心整体规划效果图

项目概况

西安奥体中心体育馆是一个综合体育馆，建筑面积10.8万 m ² ，坐席数18000座，看台高度26.40m，建筑高度41.360m（钢结构上弦最高点中心线），无地下室，地上四层，底层的外圈尺寸168m，屋盖外围尺寸约204.6m，属甲级大型体育建筑，可以满足16种(篮球、手球、排球、体操、羽毛球、乒乓球、拳击、网球、室内足球、摔跤、室内曲棍球、剑术、柔道、桌球、举重、冰球等)以上的国际单项赛事的比赛要求。

▲ 体育馆效果图

体育馆一层周圈布置有商业和设备用房及上商业屋面的台阶，其与体育馆一层设有环形车道。商业用房的屋面为体育馆的入口平台，平台与体育馆间通过部分连桥连接，用于体育馆的人员疏散。

▲ 体育馆首层平面图

▲ 体育馆剖面图

建筑创作理念

设计灵感来源于唐代建筑的“屋脊”，力图运用现代的建筑手法展现地域文化特色。主体由16个菱形锥体组合而成，气势宏伟、独具特色，体现了体育建筑的力量感。锥体凌厉的脊线、简洁明快、动感十足，唤起了人们对大唐盛世的记忆，体现了西安传统建筑文化特色，是彰显和宣传西安体育文化最好的载体。表皮以“三角形”为基本单元进行划分，渐变的三角形外窗通过有序的组合形成艺术化表皮肌理，与厚重的锥体形成虚实对比，丰富了立面的层次。

▲ 项目完成效果图

结构设计概况

体育馆看台采用框架-剪力墙结构，钢屋盖平面呈圆形，采用肋环型四角椎双层网壳结构，屋盖单跨最大跨度136.6m，为超限大跨度空间结构。

本工程设计使用年限50年，安全等级为一级，抗震设防类别为乙类。抗震设防烈度为8度（0.2g）。地基基础设计等级为甲级。基本风压 w ₀ =0.35kN/m ² (50年)，地面粗糙度类别为B类，具体风荷载取值由风洞实验确定。

3.1 混凝土结构设计

混凝土结构主要由看台和功能用房组成，外边缘呈圆形，底层混凝土结构外径约168m；内边缘为倒角矩形，尺寸约46mx75m，内部主要轴网呈放射状。混凝土部分地上四层（局部五层），无地下室，混凝土环梁最高点为31.7m，其上为钢屋盖结构，看台最高点26.46m。混凝土结构三维模型下图所示：

▲ 混凝土部分结构模型及剖面图

3.2 钢屋盖设计

钢屋盖呈中心对称状，直径约204.6m，由两侧34m短跨和中部136.6m大跨组成，两侧34m短跨为折板造型，沿环向形成16个尖角。建筑整体构成如下图所示。钢屋盖中部136.6m跨屋盖采用肋环形双层网壳，网壳高度5.2m，径向网格间距5.0m，环向间距按柱网等分并随半径的减小进行合并；两侧34m跨屋盖采用三层肋环型网壳结构，顶层网格随建筑造型翻折，中间层抽掉部分腹杆以放置风机。

钢屋盖由位于看台最外圈的混凝土框架柱和外立面钢斜柱支承。支承屋盖框架柱顶设置混凝土环梁，能有效减少竖向荷载下的柱底弯矩和屋盖跨中挠度，同时结构的抗扭刚度和整体性显著增强。钢斜柱围合的折面为幕墙，斜柱顶底均为铰接，位于悬挑梁上的斜柱顶竖向释放（下图节点2中居中杆件），悬挑梁只承担幕墙荷载。

▲ 钢结构屋盖局部示意图

结构设计重难点问题

4.1 极短工期下多方案并行设计

本项目于2017年7月设计中标，主体结构于2018年10月竣工，设计、施工总工期1年3个月，为达到预定的工期目标，项目设计与施工几乎同时进行。由于项目的重要性，建筑方案一直在进行多方案优化及比选，结构必须同步进行计算，以评估基础及混凝土结构的变化量，为此项目进行了大量的结构建模及计算分析工作。为应对繁复的修改及调整工作，结构设计之初即确定采用成熟的结构体系及技术，即下部采用框架剪力墙结构，上部屋盖采用钢网架结构，以加快项目建造速度。

▲ 项目中标建筑方案及对应结构模型

▲ 优化方案一及对应结构模型

▲ 优化方案二及对应结构模型

▲ 最终建筑方案及结构模型

为提升全运会后的项目运营效率，业主方需要在屋盖中部预留较大的吊挂荷载：中部抖屏预留60t，场芯中部按照2.0kN/m ² 荷载预留，这些荷载均远超常规大跨屋盖的荷载需求，给结构设计带来了较大的挑战，但由于结构设计初就确定采用网架结构，也为吊挂荷载预留带来了较大的便利。

4.2 预制清水混凝土看台板简化建模研究

本项目工期紧，且为了响应国家推广预制装配建筑的政策，斜向看台上方看台板均采用预制装配式看台板。看台板之间及看台板与现浇看台梁之间均由钢销连接。

▲ 预制看台板连接构造及现场效果

在预制看台板结构建模分析时，如果按照看台板形状及实际连接构造建模，建模工作量大且国内一般软件较难准确模拟其受力；如果将预制看台板按照斜板建模，则显然夸大了斜向看台部分的刚度，使得地震作用下构件内力偏大。为此首先研究看台板的简化建模方法，以便提高设计效率，然后在整体模型中建立简化的看台板模型，以分析预制看台板对整体结构的影响。

采用SAP2000软件分析体育馆1层看台典型子结构。根据预制看台板建模方法的不同，共分析了4组模型，每组模型中预制看台板建模方法如表1所示。

▲ 看台子结构简化三维模型

预制看台板对结构刚度的贡献主要体现在水平荷载作用下框架柱的剪力分配。为此分析了两种工况：工况一为结构受垂直看台板方向荷载作用；工况二为结构受平行看台板方向荷载作用。主要比较4组模型框架柱分担剪力的差别。结构受力简图及看台柱编号如下图所示。

▲ 结构受力简图及看台柱编号（垂直看台方向）

工况一、工况二作用下，前3排看台柱及平台段分担的剪力如表2、表3所示。由表可知，在垂直看台板方向荷载作用（工况一）下，看台柱分配剪力差别很小，故可以忽略预制看台板的刚度影响；在平行看台板方向荷载作用（工况二）下，4组模型看台柱分配的剪力差别较大，与模型2（准确模型）相比，模型1（连续折板模型）建模相对复杂，看台柱分配剪力与模型2差别在10%以内；模型3（开洞模型）建模简单，但由于忽略了预制看台板的刚度，使得斜向看台部分分配的地震作用偏小，只有模型2的50%；模型4（刚度折减的斜板）不但建模方便，而且计算结果与模型2误差在5%以内。故可采用模型4中刚度折减的斜板模拟预制看台板。

4.3 斜向看台对整体结构受力的影响

斜向看台对整体结构的影响主要体现在两个方面：1）斜向看台低处为短柱，其刚度较大，分担的地震剪力较正常楼层柱多，在大震工况下，其可能先于长柱开裂后刚度降低，从而将一部分剪力转移给长柱；2）预制混凝土看台板对整体结构的影响。

▲ 施工过程中斜向看台

采用SAP2000软件分析了三组整体模型，结构参数见表4，以比较当预制看台板采用开洞+等效荷载的建模方式（整体模型1）时，短柱刚度（整体模型2）和预制看台板刚度（整体模型3）对斜向看台框架内力的影响。整体模型3中预制看台板的建模方法采用上节模型4的看台板建模方法。

比较地震作用下斜向看台柱的剪力，斜向看台柱根据高度分为2排，每排根据方向分为X向和Y向2组，总共分成4组，构件分组如下图所示。

▲ 框架柱分组示意

比较整体模型1和2，短柱刚度折减后，其分担的剪力约减少20%~30%，此部分剪力由本层的长柱及剪力墙分担，由于每层的长柱及剪力墙较多，故不考虑短柱刚度减小引起的其他构件的内力增大。

比较整体模型1和3，当地震作用与预制看台板垂直时（如X向地震时， Y向看台柱剪力），与地震作用方向垂直的看台柱的内力差异均在5%以内，可以忽略；当地震作用与预制看台板平行时（如X向地震时， X向看台柱），考虑预制看台板刚度后，平行地震作用方向的看台柱剪力将增大，其中第一排柱最大增大约23%，第二排柱最大增大约7%。由于预制看台板均沿环向铺设，此规律也可表示为：考虑预制看台板刚度后，斜向看台的框架柱径向剪力基本不变，环向剪力将增加。

通过以上分析可知，尽管预制看台板之间只采用钢销连接，刚度较弱，但如果忽略其对整体结构的影响即采用开洞+等效荷载的建模方式时，水平荷载作用下其环向内力将偏小，结构将偏于不安全。

4.4 超长环形看台的温度应力分析

环形结构在温度作用下是以圆心为不动点发生伸缩变形的，其温度作用效应更接近长度为其直径的矩形建筑，环形周长并非主要因素。下文分析环形结构与矩形结构温度作用的差别。

分析三组框架结构在温度作用下的应力情况，模型参数如表5所示，三组模型的柱网均在10m×10m左右，梁柱截面及板厚等其他参数均相同。降温工况下，环形结构最大拉应力发生在内圈（下图），矩形结构最大拉应力发生在中部，框架1、框架2和框架3对应的最大楼板拉应力分别为4.1MPa、9.9MPa和3.7MPa。

▲ 环形开洞建筑温度应力云图/ MPa

▲ 矩形结构温度作用应力云图/ MPa

比较三组模型应力可知，环形建筑的最大温度应力是长度等于其周长的矩形建筑的0.41倍，只比长度为其直径的矩形建筑大9%。所以环形结构采用外圈直径长度来初步估计其温度作用下的应力更合理。

西安奥体中心体育馆混凝土结构最大周长约530m，温度应力影响因素较多，全面分析温度作用下楼板的应力状态，考虑了三个因素：1）混凝土徐变；2）混凝土收缩；3）基础刚度的影响。计算时，比较了两个计算模型，模型1基底完全嵌固；模型2为考虑基础水平刚度，其他因素两模型完全相同。降温作用下，2层楼板温度应力如下图所示。由图可知：1）降温作用下，由于外圈长度大于内圈，外圈向内圈收缩变形受到内圈的约束，从而使得环向楼板受拉，径向受压；反之，升温时径向受拉，环向受压；2）考虑基础水平刚度，楼板应力比支座按完全嵌固模型减小20%左右，由于温度应力水平整体较小，设计时不考虑基础的水平刚度对温度应力的有利作用。