場館類建筑的設計過程探析

姚衛寧

（中國瑞林工程技術有限公司，江西 南昌 330031）

場館類建筑的設計過程探析

姚衛寧

（中國瑞林工程技術有限公司，江西 南昌 330031）

隨著時代的發展，人們物質生活水平得到了質的飛躍，越來越多的人開始重視健身，尤其是在奧運與亞運兩大賽事的影響下，人們參與體育活動的熱情空前高漲。因此中小型體育館建設在這十年間得到了迅猛發展。文章以大型場館建設為研究對象，詳細闡述場館建設的設計流程，并將施工過程中的各項控制指標進行了逐一敘述，為相關的工程設計提供了理論參考。

場館類建筑；建筑設計；設計指標

1 場館類建筑計算工具的選擇

場館類建筑設計涉及到的計算非常復雜。市面上相關的三維有限元計算軟件有很多，各有特色，可根據具體計算對象和個人習慣來選擇適合的計算工具。無論設計者選擇哪一種計算工具，一定要建立能夠真實的反應客觀結構力學性能的模型。因此了解計算工具中的材料的力學屬性和單元類型至關重要。目前，應用比較普遍的建筑設計計算工具大概有以下幾種：ETABS，3D3S，SAP2000，MIDAS，ABAQUS，Solidworks等。不同軟件工具可以說各有優勢，比如ETABS適合計算分析單獨的混凝土結構；3D3S適合幾何模型的建立和加載，獲得初步計算結果和生成SAP2000模型；SAP2000則適合單獨鋼結構和總裝結構的計算分析；MIDAS適合單獨混凝土結構和總裝結構分析；ABAQUS適合流體，非線性極限承載力分析；SW適合建立復雜節點模型等。

對于復雜的、異形的屋蓋剛結構模型，設計者往往需要在其節點定位，構件間的空間關系上花費較大精力。在三維設計平臺繪制空間線條模型時，難以保證節點間的重合，利用SAP2000中強制合并節點的功能，可以合并大多數看似重合的節點。3D3S軟件可以通過節點編號查詢不同節點間的空間距離，從而有利于模型的建立。總之各個計算工具各具特色互有優勢，靈活運用可以取長補短，做到使結構模型與建筑數據向一致，將會在結構設計計算時占據優勢。

2 場館類建筑的設計過程

場館類建筑很多，如體育館，博物館，火車站等，而且形式多樣，各有特色，在設計過程中會遇到多方面的問題。目前這類建筑下部多采用鋼筋混凝土框架或鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，上部采用大跨度桁架屋蓋或大懸挑罩棚結構（見圖1、2）。一般場館類建筑的設計過程主要為：概念設計；結構的選型、布置；擬定設計參數和控制指標；結構分析計算；桿截面選擇與強度校核；反復計算與優化結構設計；鋼結構連接節點的設計。

圖1 鋼筋混凝土框架+大跨度桁架屋蓋

圖2 鋼筋混凝土框架-剪力墻結構+大懸挑罩棚結構

概念設計是指不經數值計算，從藝術和整體的角度來設計建筑的總體布局并能夠保證所設計的結構具有良好抗震性能的一種設計方法。該設計方法包含的內容非常廣泛，所涉及到的內容也相當復雜，比如在場館設計時，需要比較選擇何種結構和布局對抗震抗風有利、所設計結構的剛度整體上增加還是減小、釋放溫度應力還是硬抗溫度應力、為避免穩定性問題而盡量的使構件處于受拉狀態、為充分發揮材料強度而盡量使構件處于軸向受力狀態以及如何去選擇最優構件傳力路徑的問題等。

從計算的角度來看，場館類建筑設計的主要問題是：模擬分析建筑整體結構的力學屬性，邊界條件；不同載荷（如溫度，風，地震等）作用下建筑結構的變化；確定最優的構件傳力路徑；構件長度計算；整體結構穩定性分析以及各種形式的鋼連接節點的應力分析等。

場館類建筑的設計計算過程大致可以分為三個步驟：建立計算模型；分析模型；設計構件結構。其中建立正確的計算模型是關鍵，該步驟主要內容是從幾何結構和力學性能上計算模擬出對象在受載情況下的各種工況。具體的包括模型建立，邊界條件定義，約束定義，載荷定義等。模型建立后，通過計算并結合各種工況、載荷等進入分析模型階段。分析結果可以獲得有關振型，位移，周期，結構應力，支座反力等信息。并據此來設計構件結構，該階段主要是構件截面驗算，具體的包括混凝土配筋計算和鋼結構應力分析與控制。該部分涉及具體的設計施工參數，往往要投入大量精力。

3 各項指標的控制

3.1 鋼結構設計控制指標

主要指標有：①變形指標：網、立體桁架屋蓋結構控制為L/250（L為屋蓋短向跨度）；大懸挑罩棚前端變形撓度控制為L/125（L為大懸挑罩棚長度）；②動力特性指標：鋼結構屋蓋與大懸挑罩棚豎向自振頻率≥1.0Hz；③構件應力控制指標：主要受力構件的最大應力不大于0.90f（f為鋼材設計強度）；④穩定性指標：結構線性極限屈曲荷載/（恒+活）荷載的屈曲系數K≥10；結構非線性極限屈曲荷載/（恒+活）荷載的屈曲系數K≥4.5。

3.2 混凝土結構設計控制指標

剛度比，質量比等各項指標應按照結構類型、抗震等級等相關規范進行控制。

（1）結構整體指標。周期比的概念在《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010中第3.4.5條進行了定義。周期比是控制結構扭轉效應的重要指標。大型場館類建筑結構因其空曠，跨度大，開口復雜，往往會產生較多的局部振動。周期比并不是要求結構足夠結實，而是要求結構布局合理。如果不能滿足規范要求，則需要設計者優化機構剛度以增大結構的整體抗扭能力。

（2）抗震性能化設計指標建筑的抗震性能化設計，應立足于承載能力和變形能力的綜合考慮，具有很強的針對性，靈活性。針對具體工程需要和可能，可對整體機構，也可以對某些部位和關鍵構件運用各種措施達到高于基本抗震目標：小震不壞，中震可修，大震不倒的水準。

4 場館類建筑設計考慮因素

4.1 風載作用

場館類建筑結構因其自身跨度大、立面與屋面樣式復雜且造型多變。鋼結構部分具備自重輕、強度高的特點，對風載作用比較敏感。此類建筑結構的風荷載的體型系數的確定往往比較困難。對于常規場館類屋蓋，一般按照荷載規范對風載體型系數的規定取值；對于大懸挑罩棚類場館結構，其結構的初步計算所需風荷載體型系數取值見圖3。

圖3 風載體型系數取值

而對于造型復雜、規范中未明確給出體型系數和風振系數的取值計算方法的結構，則需要通過風洞試驗以確定建筑表面的實際風壓分布情況與結構風振響應，從而為確定主體鋼結構的風載提供依據。另外，對于體型系數的研究，采用CFD流體分析軟件與風洞模型試驗相結合，可以得到較為準確的結果。

4.2 溫度變化

《建筑結構荷載規范》GB50009—2012（簡稱荷載規范）要求對溫度問題進行專門的結構分析。溫度作用簡要來說即結構之間在規定時段內由于溫度場的變化所引起的相互作用，為可變荷載，一般情況下可變載荷的分項系數取1.4，組合值系數取0.6。溫度變化會引起混凝土結構剛度退化以及混凝土材料發生徐變、收縮等。在設計計算過程中考慮溫度變化的作用，對設計的可靠性至關重要。據經驗，在考慮溫度荷載與地震荷載進行組合時，溫度荷載組合值系數取0.3。

場館類建筑結構往往存在超長結構，最容易受到溫度變化帶來的影響，溫度作用效應不能忽視。為減小溫度應力及混凝土收縮的影響，可以通過設置適宜的后澆帶、采用低水化熱的普通硅酸鹽水泥和碎石骨料配制混凝土、低溫合攏、加強混凝土養護、采用高效減水劑降低水泥用量、配置適當的構造鋼筋等措施。場館類建筑結構中有多種方式可以有效釋放處于工作狀態的結構溫度應力，如滑動支座、彈性支座等方案。

4.3 地震作用

多遇地震（小震）地震作用時，計算可根據《建筑抗震設計規范》GB 50011—2010（簡稱抗規）和安評報告的要求進行包絡設計，設防地震（中震）和罕遇地震（大震）可按抗規的規定進行設計。同時大型場館類結構還須考慮豎向地震作的作用，對于體型復雜或跨度較大的結構，還需要進行多維地震作用下的組合效應分析。場館類建筑結構阻尼比的取值如下：

當控制上部鋼結構（鋼結構單體模型）時，取ξ＝0.02；當控制下部混凝土結構（混凝土單體模型）時，取ξ＝0.05；當控制下部混凝土結構（總裝模型）時，取ξ＝0.035。

5 場館類建筑設計的基本設計方法

包絡設計法是建筑結構設計中解決復雜問題的基本方法，具體定義是指針對工程中可能出現的情況，分別計算，按不利值進行設計。“可能出現”的情況需要根據結構的實際構造、受力特性以及相關規范進行必要的分析和判斷。包絡設計重視經驗的積累，既可以是對構件，局部區域的包絡設計也可以是針對整個結構的包絡設計。

在場館類建筑設計過程中，使用包絡設計方法，可以解決工程設計中的疑難問題或者一些不確定性的問題。場館類建筑結構中以下情況可以利用包絡方法進行分析：①在管桁架設計中，當腹桿與弦桿固接和鉸接時，可以進行雙控包絡設計，特別是在腹桿節間長度與截面高度較小的情況下，節點剛度的影響不容忽略；②在上部鋼結構與混凝土部分的連接界面剛接和固接時，可以進行雙控包絡設計，特別是在支座通過預埋型鋼與混凝土部分連接的情況下，必須考慮支座的彎矩承載力；③在地震作用時，需對規范與安評報告進行包絡雙控；④風載作用時，需對規范與風洞試驗進行雙控；⑤針對單獨模型與整體模型進行包絡設計。

6 場館類建筑模型總裝分析

場館類建筑結構一般采用上部大跨空間鋼結構屋蓋支承于下部鋼筋混凝土結構。上下部結構應作為一個整體看待，上部結構對下部結構既有作用又有剛度約束，下部結構對上部結構既有支承又有效應放大。模型總裝分析即是將上部大跨空間屋蓋結構與下部混凝土結構作為一個整體結構來分析。

傳統的大跨空間屋蓋結構采用將其上部鋼結構和下部混凝土分開單獨設計的方法，該方法所獲得的結果既不能反映上部結構剛度對整體結構的貢獻，也不能反映下部結構的有限剛度對上部結構的效應放大。而模型總裝分析則能夠得到上下部結構在各類載荷如重力、風、地震、溫度作用下較為合理可靠的效應。

6.1 總裝分析的重要性

主要是：①溫度作用下，鋼、混凝土結構材料特性差異以及上部鋼結構與下部混凝土結構體系的差異，必然帶來整體結構在溫度載荷作用下的變形受力性能差異；②單獨鋼結構分析是假定鋼結構置于地面，其支座按理想不動鉸或固定端處理，而實際結構中連接界面下部的混凝土結構剛度有限，且混凝土材料本身存在收縮、徐變。單獨混凝土結構分析無法準確反映下部混凝土結構的彈性支持對上部鋼結構的影響；③地震作用下，實際鋼結構高位并且彈性支承于下部混凝土結構，這將帶來地震作用的放大，同時下部混凝土結構的約束作用也必須通過總裝分析才能反映。

6.2 總裝分析的目的

主要是：①為了求得鋼結構和混凝土連接界面各構件在各種工況組合下的內力，并與單獨鋼結構以及單獨混凝土結構計算分析得到的結果進行對比，確保連接界面各構件的承載力滿足規范要求，確保整體結構的安全性；②為了揭示混凝土結構對鋼結構的彈性支承以及混凝土結構收縮、徐變帶來的長期剛度退化對上部鋼結構的影響，校核上部鋼結構，確保整體結構的安全；③為了揭示上部鋼結構的質量和剛度對下部混凝土結構的影響，由此復核下部混凝土結構，同時揭示上部鋼結構高位、彈性支承于下部混凝土結構帶來的地震作用放大等不利效應。

7 結束語

文章介紹場館類建筑結構的設計過程，包括計算工具的介紹和控制指標的選取，為此類結構設計人員提供一些參考。隨著社會的發展，場館類建筑項目的結構設計更加新穎，奇特，同時也會有越來越多的問題呈現在我們面前，如何利用好現有的經驗，工具和方法來設計出一副好的建筑結構，將是建筑設計人員面臨的一個挑戰。

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TU2

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2096-2789（2016）12-0214-03