杭州奥体博览城主体育场丨中国杭州丨美国NBBJ建筑设计公司

杭州奥体博览城主体育场

在举世瞩目的杭州亚运顺利闭幕之后，我们继续回顾这场国际赛事所牵引的建筑文化和工程技术，本文是针对杭州亚运主体育场的结构设计的研究文献，出于视觉效果，我们回避了结构计算的繁冗数据，引用《杭州奥体博览中心主体育场及网球中心》一书收录的结构工程相关建设进程照片作为插图。

占地面积：82,904㎡

总建筑面积：210,110㎡

地上建筑面积：150,927㎡

地下建筑面积：59,183㎡

建筑高度：罩棚最高点结构标高：59.400m（结构中心线）看台高度：36.445m-42.463m

建筑层数：地上六层，地下一层

罩棚结构形式：空间管桁架＋弦支单层网壳钢结构体系

坐席数：80,011席

联合设计：美国NBBJ建筑设计公司

一工程概况杭州奥体博览城主体育场为特级特大型体育建筑。体育场外轮廓平面近似椭圆形，长轴长为366米，短轴约为338米。混凝土看台结构最大宽度约为108米，最高点标高为42.463米。下部混凝土结构地下一层，地上六层，二层平台(标高7.8米)以上看台结构向场外倾斜。为了使体育场场内面向钱塘江，具有良好的空间渗透和视觉景观，体育场北侧二层平台以上的结构被打开，开口宽度为40～60米。看台区上覆完整的环状花瓣造型钢罩棚，罩棚外边缘南北向长约为333米，东西向约为285米，覆盖宽度为68米，悬挑长度为52.5米，顶标高为60.74米。

二结构体系及构成

1. 下部混凝土结构

利用建筑沿环向基本对称均匀分布的楼体电梯间和设备管井布置刚度、延性均较好的混凝土剪力墙，形成框架—剪力墙体系，增加下部混凝土结构刚度，减小下部混凝土结构过柔而带来的上部钢结构地震作用放大的问题，同时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。由于建筑造型的需要，下部看台外圈柱自二层平台开始向场外倾斜，延伸至六层(标高25.8米) 后开始分叉成V形柱，与看台平面内的Y形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，同时为减小东西看台Y形斜梁跨度，在V形柱和看台Y 形斜梁分叉点之间设置径向斜撑。楼(屋)面为现浇混凝土主，次梁体系，斜看台区利用建筑踏步布置成密肋楼盖。开口部位两侧看台结构的端部被适当加强，以便控制结构扭转。

（1）框架柱及V形柱: 支承钢结构上支座的分叉V形柱截面为800毫米×1200毫米，内置型钢。该柱交会至下层楼面时变为1200 毫米×1200毫米的型钢混凝土斜柱。钢结构下支座支承于直径1000毫米型钢混凝土柱顶，局部出入口轴柱位置支承于环向框架梁顶部。其他柱截面为800毫米×800毫米、1000毫米×1000毫米、800毫米×1000毫米、800毫米×2000毫米。（2）剪力墙: 北侧开口附近两筒体墙厚600毫米，其余筒体外墙厚400毫米，内墙厚200毫米。（3）框架梁及次梁: 沿径向布置的框架梁主要截面为800毫米×600毫米，环向布置的框架梁截面为500毫米×600毫米，次梁截面为400毫米×600毫米。消防车经过区域径向框架梁800毫米×800毫米、800毫米×1000 毫米、800毫米×1 200毫米，环向框架梁800毫米×1000毫米，次梁600毫米×800毫米。看台顶部钢结构支座下环梁为变截面1500毫米×900毫米、1500毫米×2200毫米，其中标高25.6米及以上楼层的斜向及环向梁内均配置型钢，斜看台环向密肋梁截面180 毫米×600毫米。（4）楼板: 观众平台板厚200毫米，其他区域板厚120毫米、140毫米，看台板厚100毫米。

2. 上部钢结构罩棚

结合建筑造型及参数化设计，该工程钢结构罩棚14组花瓣组沿环向三维阵列而成。罩棚采用空间管桁架加弦支单层网壳组合结构体系，其构成如下：（1）大花瓣

大花瓣单元由径向主桁架和弦支单层网壳构成，主桁架悬挑长52.5米。采用倒三角形组合空间圆管桁架，桁架根部高7米，悬臂前端高4.5米; 主桁架之间的结构采用弦支单层网壳，支承于主桁架上弦; 弦支结构为Φ30钢棒，中间设置一道撑杆; 屋面弦支单层网壳延伸至墙面时演变为单层网壳结构。大花瓣单元沿自身最外侧向场心镜像，形成一组大花瓣。

（2）小花瓣

屋面小花瓣采用弦支组合结构，结合建筑造型，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; 拉索采用截面5毫米×61毫米高强钢丝成品索。墙面小花瓣采用单层网壳结构，上、下端各交会成一点，下端支承于混凝土结构二层平台型钢混凝土柱顶，上端交会于桁架上弦。面外通过室外钢梯与下部混凝土结构连成整体，墙面小花瓣为钢梯提供竖向支承，同时钢梯为花瓣提供面外支撑，增强花瓣面外的稳定性。

(3)钢结构支座

一组大小花瓣单元通过V形组合钢管由看台顶部的V形型钢混凝土交叉柱支承，形成罩棚结构上支座，下支座为花瓣单元杆件，交会至二层平台型钢混凝土柱顶。五层楼面处设置花瓣单元面外侧向V形撑，连接径向桁架下弦及混凝土楼面，增强花瓣面外刚度，增强结构侧向稳定性。一组花瓣及钢结构支座形成了一个稳定的结构单元。

(4)内环桁架及整体钢结构

将弦支组合结构单元沿场心环向阵列，同时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。

(5)北侧开口处钢结构构成

根据建筑视觉效果的需要，下部看台结构北侧开有40～60米宽的洞口，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。下端支承于二层平台混凝土柱顶，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。

三关键技术：结构超长无缝设计该工程下部混凝土结构周长近1000米，未设一道永久缝，为超长、超宽大面积混凝土结构。设计师对整体结构进行了施工装饰期全过程施工的模拟温差效应分析，同时考虑了混凝土结构的长期徐变收缩效应。分析模型摒弃了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，主要分析结果及相应的设计措施如下：（1）设置后浇带，将整个工程下部结构切割成双向30～35米的子结构。（2）地下室外墙、边角区域框架柱等竖向构件为受力较不利部位。设计师通过加强局部构件含钢率消除局部不利影响。（3）对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，设计师通过适当加强配筋等措施消除局部不利影响，使截面拉应力由钢筋承担（钢筋应力水平不超过200兆帕），并控制混凝土裂缝宽度不超过0.2毫米，同时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。（4）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35兆帕，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75兆帕，组合工况设计时仍处在设计可控范围。

四关键技术：超长多点输入抗震计算该工程下部看台结构最大长度为366米，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(400米)非常接近。基于该工程的重要性，设计师还对该项目进行了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”，分析结果如下：（1）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; 随着视波速的减小，扭转效应增大。（2）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应，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。（3）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。（4）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。

五关键技术：看台外倾引起重力荷载作用下混凝土构件受拉问题（1）建立看台折板的分析模型在传统看台建模的分析中，看台密肋梁采用框架单元，看台板采用斜板壳模型，夸大了斜看台的平面外刚度，看台板径向应力偏大，看台斜梁内力偏小，不利于结构安全。而该工程看台向场外倾斜，在重力荷载下，上部看台结构沿径向受拉，看台板刚度对结构计算结果影响更为明显。为准确反映实际结构的工作性能，设计时密肋梁、看台踏板均采用壳单元，更符合实际的壳元折板模型。这两种计算模型分析的对比结果表明:采用看台折板模型，混凝土结构变形增大7%～12%，看台板径向应力大为减小，尤其北侧开口部位，看台板径向应力减幅达50%，看台斜梁内力显著增大，增幅达70%～110%。可见，采用斜板模拟看台结构误差较大，而壳元折板能准确反映实际结构，设计更为安全合理。

（2）考虑后浇带的施工模拟分析在重力荷载作用下，中上部看台斜梁及看台顶部环梁承受了较大轴向拉力，看台板内环向拉应力也较高，结构环向构件产生的环箍作用明显。在施工期间，为减小混凝土收缩应力及温度应力，每隔2 ～ 3 跨须沿径向设置施工后浇带。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，结构的变形和内力与一次生成的模型计算结果相比有所差别。考虑该不利因素，设计师对整个工程进行了浇带的施工模拟分析。分析结果表明，后浇带的设置削弱了环向构件对整体的环箍作用，因此结构径向构件内力增加，环向构件内力减小，结构在重力荷载下的位移有所增大，尤其对东西及南侧结构来说，这一影响较明显，因此设计师在设计中充分注意了这一点，采用了施工模拟计算结果进行构件设计。

关键技术：看台顶部埋入式铸钢支座节点设计。该工程钢结构上支座通过短柱支承于下部混凝土看台V形柱、看台Y形斜梁及外圈环梁交会顶面，且下部混凝土构件均设型钢，因此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，且阴角区焊缝的质量难以保证。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。

由于该节点为7根型钢构件空间斜向交会，加之型钢混凝土构件纵筋达130余根，尤其是V形柱及看台Y形斜梁交会阴角区空间狭小不利于穿筋，现场施工难度大，且混凝土浇筑质量难以保证。为确保结构安全，项目参建各方一致赞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，以确保后续高空作业的顺利实施。

经过长达数月，共五轮的设计深化调整，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。

七结语杭州奥体博览城主体育场体量大，看台结构外倾，造型较为新颖、复杂，结构设计难度大，尤其是北侧看台开口，加大了设计难度。设计师采用多程序、多模型对上、下部结构进行了总装分析及专项研究分析，以正确揭示结构的受力状态，同时针对结构提出了较为明确的抗震性能优化目标及实施措施，以确保结构的安全。

（感谢 CCDI体育事业部 杨想兵、傅学怡、廖新军、朱勇军、高颖等结构工程专家共同撰文）