東北林業大學體育館荷載與結構分析

劉俊++劉濤

摘要：隨著國民經濟持續快速的發展，國家加大了對高等教育投入的力度。高等院校的體育設施，特別是體育館的建設，得到迅速的發展，并成為一個值得研究的重要課題。本文主要從體育館荷載與結構進行了剖析。

關鍵詞：體育館；荷載；結構

中圖分類號：YU312+1 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）23-0142-02

東北林業大學體育館建成于2010年8月，建筑面積37000平方米，內部設有游泳、健身、乒乓球、籃排球、輪滑等功能館，可容納5000人觀看比賽。該體育館是目前黑龍江省面積最大、功能最多的綜合性體育場館。該場館由哈爾濱工業大學建筑設計研究院設計，建筑高度30.6米，其中幕墻面積13019平方米，是典型的建筑幕墻工程。

東北林業大學體育館下層為框架結構，上層為以鋼結構為支撐結構的建筑幕墻結構，建筑幕墻結構中又包括玻璃幕墻、屋面鋁板幕墻兩種，下面我將從該建筑的主要功能談起，對結構的荷載考慮和承重模式進行分析。

作為一個體育館，其功能主要由體育比賽和商用健身兩部分組成。為了實現體育比賽的場館修建目的，保證場館大小和觀眾席位置，體育館首先要做到的就是“大”，作為黑龍江省第一大綜合性體育館，東北林業大學體育館的面積毋庸置疑，與此同時為了保障場館的結構穩定性，底部被設計成鋼筋混凝土框架結構，環繞一周的直徑約為150cm的稱重柱子為結構承受了大部分豎向荷載。框架結構的另一個好處就體現在體育館與外界地面相同的地下停車場上，兩面開放式的停車場極大程度地減小了社會車輛穿過體育館所需的路程，符合低碳環保的國家號召。體育館地下外側設有乒乓球廳、跆拳道廳等教學場館，內側則是為中心場館提供了遠大于標準要求的室內比賽凈高的要求，這使得場館內部觀眾和選手的心態得到很好的調整——當然，這也有屋面鋁板幕墻的功勞。

鑒于體育館的特殊使用要求，我們對重力作用也要有一個詳盡的分析，不僅要考慮運動員比賽的動荷載，觀眾坐滿甚至超員的靜荷載，各種設施設備的集中荷載（如健身設施），還要考慮作為學校場館，東北林業大學體育館經常會被作為講座、全校大會、文藝演出、演唱會等各種情況下的綜合荷載，因此對基礎的要求非常高，前期施工準備工作也要做足、做好，只有在將人群荷載、樓面活荷載以及結構自重考慮清楚后，才涉及到如何把體育館做得美觀大氣的問題。

建筑幕墻結構現在被廣泛應用于商業區高層建筑及各類體育文化場館，我國建筑幕墻行業從1983年開始起步，距今已有30年。建筑幕墻以其美觀、節能、易維護、符合場館開放式人文理念等優點而深入建筑行業，成為其密不可分的一部分。體育館使用建筑幕墻主要有以下幾方面原因：首先是建筑立面外觀的要求，要與傳統的窗的立面有所不同，而要求大面積的整體的外圍護平面或者曲面；其次是場館采光的要求，要求有更大的通透性；再次則是跨度長、面積大的建筑在建筑安裝施工的簡約化和工業化，進一步改進和提高施工效率和速度。東北林業大學體育館主要在兩方面應用了建筑幕墻結構：一是體育館2層以上側向外圍的玻璃幕墻，二是場館頂的屋面鋁板幕墻，兩種幕墻不僅使得體育館在整體風格上高度統一，更是完美地達到了與其設計效果，同時，鑒于建筑幕墻的形式多變，安置簡單，使得最初場館的多拱設計得到了完美的詮釋，也使得新體育館一躍成名，變成黑龍江省第一的高校綜合體育館。

東北林業大學體育館側面2層以上使用的玻璃幕墻，屬于單元式幕墻的一種，每兩層或一層為一個單元，與下一個單元進行結構密封，這樣的幕墻構造方法不僅可以使建筑物與設計形狀打到高度統一，還可以使幕墻結構擁有優良的氣密性、水密性、風壓變形及平面變形能力，可達到較高的環保節能要求，玻璃幕墻材料相較之下位于體育館頂部的屋面鋁板幕墻則肩負著更重要的構造任務，不僅需要滿足屋頂的普通結構任務，還需要兼顧屋頂的多拱設計，保證美觀，作為大跨度結構屋面，風荷載的作用也不可忽視，在這樣的條件下，體育館選擇了屋面鋁板幕墻，作為屋面幕墻，它擁有先進的采光、通風、防漏、防水、防結露技術，可以保證任何天氣下體育館內部的環境都不受影響，作為鋁板幕墻，擁有多項新技術的綜合應用（防火、防腐、遮陽、控制），它進一步提高了建筑屋面的安全性、適用性。而對于一向領設計師頭疼的風荷載問題，東北林業大學體育館的設計上也表現出了獨特的解決思路，屋頂的鋼結構支撐在四個方向上分別單獨設置了與斜梁相固定的鋼結構支架，如此，極大程度上減小了體育館頂部穹頂被風荷載破壞的可能性，保證了結構穩定。

除了以上所談到的荷載外，雪荷載作為東北地區必須討論的話題也應該引起我們的重視，尤其是位于“東三省”最靠北方的黑龍江省的輕屋面結構，對于雪荷載所帶來的后果必須加以考慮。東北林業大學體育館屋頂雖然采用的是輕質的屋面鋁板幕墻結構，但屋面下有優質的節點鋼結構進行加固，只要對雪荷載的標準數值代入準確，可以做到防止大雪對體育館整個結構產生破壞的惡果。

作為人流密集的公眾場所，室外樓梯是人群荷載最為集中的地方，加之前幾年國內沸沸揚揚的多起青少年“踩踏事件”，我國對樓梯、安全通道等做出了嚴格規定。東北林業大學體育館設置了多個由各個疏散門引導出的人群的室外樓梯共6處，寬度均符合國家要求，在各個出口外直接設立室外樓梯不僅可以非常有效地避免人群擁擠，還能在發生意外險情（如地震、火災、爆炸、綁架等）時使受害者擁有求生之路，救援者也省去“另辟蹊徑”的精力，是符合當代社會以人為本價值觀的合理舉措。

以上我從建筑用途方面大概性地介紹了東北林業大學體育館的結構與荷載設計的基本概況和亮點，下面我將從設計者的角度對體育館的幾項常規荷載設計方法進行分析。

首先是東北地區較南方地區最大的不同之處——雪荷載，作為房屋屋面的主要荷載之一，其導致屋面結構破壞的事例非常多見，尤其是對于雪荷載較為敏感的裝配有輕型屋蓋大跨度結構。上文中已經提過，體育館的屋面采用鋁板幕墻結構，根據《建筑結構荷載規范》GB50009-2012中的敘述，新規范對很多城市的基本雪壓進行了重新統計，表中數值發生了變化，并且再次強調對雪荷載敏感的結構（輕型屋蓋，大跨屋蓋），基本雪壓應適當提高，并應按相關的結構設計規范中規定的雪壓進行設計。

其次是被列為大跨度結構的控制荷載——風荷載，哈爾濱市的位置決定了當地的風荷載不存在（小概率）出現臺風的情況，因此，東北林業大學體育館是建立在起始于歐亞大陸的季風氣候的基礎上進行計算的。哈爾濱地區的海拔高度為145.1m，風壓系數為1/1630，相對于沿海部分地區，風壓系數較小，這是由當地的空氣重度決定的。哈爾濱市50年一遇的基本風壓值為0.55，對于大跨度體育館結構分析，順風向風振較橫風向風振更具有破壞性，因此，順風向風荷載標準值就成為風荷載求解過程中的重點，按照風荷載標準值的計算過程進行逐步分析，第一是確定基本風壓，這一值前文中已經給出；第二是風荷載體型系數，對于不規則結構的體育館造型，為保證結構穩定，需要同時計算風荷載體型系數和造型連接處的局部風壓體型系數，以便對體育館拱形屋面進行有效固定，同時要注意周邊建筑物的影響，對于這一點，東北林業大學體育館在設計建造時還沒有對游泳館進行設計，因此在設計驗算時一定沒有疊加游泳館的影響，但游泳館建成并投入使用多年來，體育館沒有因局部風荷載改變而發生破壞，這足以證明我們的設計是合理的，也是有一定彈性的；第三是確定風壓高度變化系數，可以直接根據規范的表格查取；第四是計算結構的基本周期，對于結構的基本周期，我們需要按結構的隨機振動理論來計算結構的風振系數，并考慮風壓脈動對結構發生的順風向風振的影響（36m以上大跨度屋蓋）；第五是脈動風荷載的空間相關性系數（橫豎向分別計算）；第六是振型系數，但體育館的特殊造型使得它既不服從高層結構的一般規律，又不是傳統的低層結構構造，常規公式不可能得出計算結果；第七是背景分量因子；第八是共振分量因子；第九是確定風振系數；最后一步即計算風荷載標準值。諸多的經驗公式羅列在前，規范的公式疊加條件在后，對于一個大跨度不規則體育場來說，風荷載的計算顯然很有難度，我沒有查到東北林業大學圖書館是否進行了工大風洞實驗室的實驗作用，不知道這個建筑是否通過了權威的風洞檢驗，不過經過幾年的使用，我清楚地知道，這是一個經得起“考驗”的優質體育館，這是一次成功的設計。

至此，我結合我所想到的所學的已經對東北林業大學體育館這一以“騰飛”為主題的黑龍江省高校最大的綜合性體育館的荷載和結構進行了全面的分析，專業性有所不足，請諸位大家海涵。

作者簡介：劉俊（1992-），男，山西大同人，東北林業大學本科在校生。

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