創新大跨度屋蓋鋼結構體系設計管理研究

陶幗雄

（上海市市政工程建設發展有限公司，上海市 200025）

0 引 言

為達成建筑效果，保障觀賽體驗，體育場館屋蓋設計需追求更簡潔的結構形式、更高效的受力體系，大跨度空間結構體系成為發展趨勢和潮流。有學者對國內體育場館的大跨度空間結構選型進行調研，發現網架結構最早得到發展，桁架結構和網殼結構次之，膜結構發展得最晚[1]。近年來，鋼結構設計、施工技術不斷發展，蘇州奧體中心體育場屋蓋采用單層索網加膜結構，最大跨度達260 m；游泳館屋蓋采用107 m大跨度馬鞍形單層索網結構[2]；西安奧體中心屋蓋采用肋環形雙層鋼網架，內圈直徑達136.6 m，外圈直徑為204.6 m[3]；國家速滑館是北京2022年冬奧會的標志性場館,其屋蓋結構采用大跨度馬鞍形空間環桁架+單層雙向正交索網結構體系，南北向跨度達198 m[4]。

與一般的傳統結構相比，大跨度體育場館結構具有跨度大、結構形式復雜多樣等特點，其結構設計難度大，科技含量很高，在某些情況下存在超規范的問題[5]。同時因不同體育場館的外輪廓各有特色，差異明顯，每個項目的屋蓋結構都有著自己獨特的受力體系，“個性化”非常強，參考同類結構體系的意義不大，建設無經驗可依，為設計管理帶來了很大的難度。

針對建筑工程設計管理，孫林分析了設計方針對大型體育場館建筑工程設計的項目管理，重點探討了核心要素控制管理：設計項目團隊、設計質量、設計進度及設計成本[6]。韓蕾以代建制項目的設計管理活動作為研究對象，理論分析與實際經驗相結合，對代建制項目設計管理過程中的若干環節進行研究[7]。母曉琳結合建筑設計管理流程控制，分析了建筑設計環節控制要點，探討了建筑管理設計關鍵點的控制對策[8]。

綜上，當前國內外學者就一般建筑工程項目的設計管理進行了大量的研究，但針對大跨度屋蓋結構設計管理方面的研究工作還較少。本文擬依托上海浦東足球場項目，著重探討創新大跨度屋蓋鋼結構體系設計管理，從設計質量管控、設計進度管控等兩個方面切入，形成系統化的管理思路和可復制的管理流程，為類似項目的設計管理提供借鑒作用。

1 工程概況

上海浦東足球場外輪廓為矩陣，以傳統輪輻式張拉結構體系為基礎，突破性技術創新，屋蓋鋼結構體系采用量身定做的中置壓環輪輻式張拉結構，為國內首創。這一結構體系在跨中設置橢圓形中置壓環，通過徑向索，V柱外肢，中置壓環和徑向梁，形成自平衡的輪輻式結構體系。

根據看臺的形式，屋蓋鋼結構和看臺結構呈輕微的馬鞍形，高差約為2.5 m，屋蓋外邊緣幾何尺寸為211 m×173.3 m，見圖1。整個體育場的立面高度約為24.5～26.9 m。

圖1 浦東足球場屋蓋示意圖

2 設計管理中存在的重難點

影響建筑設計質量的客觀因素為：建設項目高周轉環境下，項目規模大、難度大、技術要求高、周期短[9]。結合項目實際進行重難點梳理。

2.1 設計中應用大量新材料、新技術

為保證屋蓋鋼結構體系中搖擺柱、V柱、支撐屋蓋的BRB構件等，能夠達到理想的兩端鉸接的二力桿，設計中采用了較多的新型材料和新型構件，主要包括屈曲約束支撐，球鉸支座，關節軸承，全封閉索及鋼拉桿等。這些新型材料及節點不同于常規鋼結構構件，需依據受力特點深化設計，聯系廠家定做，并通過試驗驗證成品的安全性及可靠度。

2.2 理論計算存在局限性

屋蓋鋼結構從施工到實際使用是一個動態變化的受力過程，理論計算是在人為設置的荷載條件進行分析，僅能預估部分施工荷載影響，無法精準計算，更無法精確考慮鋼構件、支座的制作誤差和焊接殘余應力，拉索彈性模量偏差、松弛及制作誤差等影響。

從其余大跨度屋蓋結構項目的經驗來看，理論計算的確存在局限性。張愛林制作了2008奧運會羽毛球館1∶10縮尺模型，試驗結果顯示：結構在低荷載下，理論值與試驗值吻合較好，但在超載狀態下兩者偏差顯著增大[10]。深圳大運中心體育館鋼結構屋蓋通過1∶10縮比模型靜力加載試驗，提示設計中應加強環向拉桿在肩谷節點的連接和主次結構的連接部位[11]。

2.3 屋蓋設計與專業足球場功能需求關聯度高

屋蓋部分不僅在外形輪廓上影響足球場的整體造型，更承載著多項功能實現的任務。比如搭載諸多附屬設備、實現上人、檢修功能的馬道；實現場內照明功能的燈具系統；提供實況轉播、提升觀賽體驗的大屏設備等。在屋蓋鋼結構設計方案深化過程中，需提前考慮到這些功能需求，預估相關設備的安裝位置及荷載等。

3 設計質量管理措施

3.1 設計質量管控流程

屋蓋鋼結構的設計有其獨特的屬性。一般結構設計以施工圖為準，現場施工即可。但屋蓋鋼結構中大量的節點及構件，具體做法與施工工序、工藝關聯度較大，僅憑一般項目的設計經驗，可能會存在“閉門造車”的問題，設計質量不高，現場施工可行性低，將形成大量變更或簽證。

如圖2所示，擬定設計質量管理流程為：設計單位把握結構形式、受力體系等關鍵問題，施工單位進行二次深化設計，細化各主要構件和關鍵節點，設計單位將這部分內容落實到施工圖設計中，形成閉環。實際施工過程中，圖紙與現場實際施工實現高度匹配，基本沒有產生變更或簽證，印證了這一做法的科學和合理性。

圖2 設計質量管控流程圖

3.2 理論計算、試驗驗證、監測反饋的質量管控系統

對新型結構理論優化設計方案和結構分析計算結果進行模型試驗驗證，確保結構的安全性、穩定性和適用性[9]，這一做法歷經奧運會羽毛球館、深圳大運中心體育館等實踐考驗，是保障屋蓋結構設計質量的有效手段。

在這一基礎上，結合專家意見補充了鋼結構健康監測環節，最終形成了理論計算分析、檢測試驗驗證、健康監測反饋的質量管控系統，突破理論計算局限性，確保創新結構體系的可靠度。

3.2.1 理論計算（整體及抗震分析、節點模擬）

參照同類型場館屋蓋結構設計的思路，如上海東方體育中心綜合館，理論計算一般分為整體分析、抗震分析和關鍵節點分析[12]。整體分析中風荷載依據風洞試驗數據選取，抗震分析充分消化專家評審意見。針對關鍵節點，選取直接影響結構體系安全性和可靠度的連接節點，如徑向梁與徑向索節點、徑向梁與轉換梁節點、徑向梁與壓環梁節點等，進行建模分析，精準模擬各關鍵節點受力及變形情況。

3.2.2 試驗驗證（原材料、關鍵節點、模型試驗）

為驗證理論計算的準確性，現場進行大量檢測及試驗，包括鋼絲、拉索等原材料出廠檢測、索夾、關節軸承等關鍵節點承載力試驗、中置壓環受壓穩定試驗、屋蓋整體模型試驗等。這些檢測和試驗數據，是突破理論計算局限性的重要環節，有效保障鋼結構體系設計質量及安全。

如環索徑向索連接節點，這一復雜節點的中間耳板與加強板采用鋼材焊接，再將鑄鋼索夾節點焊在上面，焊接部位成為節點最薄弱處，理論計算無法細化至此，最終通過試驗驗證了成品焊縫質量及可靠性。

3.2.3 健康監測（反饋數據，印證理論計算）

中置壓環輪輻式結構體系為國內首創，屋蓋結構跨度達211 m，遠超規范規定的100 m，在超限評審意見中明確提出：需進行鋼結構健康監測，用現場實際數據印證理論計算的準確性。

健康監測結果表明：搖擺柱和V柱，支撐屋蓋的BRB構件達到理想的兩端鉸接的二力桿，計算假定和實際受力一致。徑向梁、內置壓環梁、柱頂圈梁等部件的應力監測值基本符合理論計算值。各索索力實測值與理論值的偏差約為-5.72%～12.69%。

3.3 準確預估屋蓋附屬設施設備荷載

屋蓋鋼結構將搭載馬道、大屏、燈具、橋架等大量的附屬設備，其荷載值預估過小影響結構安全，預估過大則造成設計浪費，是影響屋蓋結構體系理論計算的重要因素。

以馬道為例，馬道需要較大的荷載能力才能滿足功能和安全需求，過低的荷載預留可能發生危險[13]。浦東足球場屋蓋建筑效果簡潔通透，要求附屬設施整合到一圈馬道中。但一圈馬道對設備的容納度有限，造成荷載過于密集，不利于整體結構安全。最終落地的馬道方案在建筑效果、功能需求及結構安全之間取得平衡，馬道形式為：采用一條主馬道(內圈，可上人)，于南北大屏后對稱布置共四條徑向馬道；屋蓋四角設置輔助馬道（外圈，不上人），此處檢修采用吊掛式。

根據功能需求，組織各專業協同作戰，跨前一步，在方案階段梳理未來可能安裝的各類附屬設備，深入調研市場，收集相應產品的規格參數，形成相對準確的預估荷載參數，并同步作為二次招標中的技術參數，確保采購的設備滿足荷載條件，規避了前期荷載預估不足的設計問題。

4 設計進度管理措施

4.1 建立設計專項工作小組機制

項目部各職能部門中，設計管理部承擔著設計質量管控的初審環節，但涉及到功能需求或者施工配合，還需各參建單位的集體參與和共同努力。為形成一個集中、高效的溝通會審機制，成立屋蓋鋼結構設計專項工作小組，由建設單位、項目管理單位、鋼結構專家團隊，共同擔任工作小組管理層，由設計單位、施工單位（總包及鋼結構專業分包）、施工監理等技術負責人擔任組員，見圖3。

圖3 設計工作小組架構圖

工作小組機制為各參建單位形成一個高效的溝通平臺，優化原有的長鏈條溝通流程，突破重難點問題無人決策的無效會議模式，大大縮短溝通時間，快速推動下一步工作開展，見圖4。

圖4 設計工作流程對比圖

4.2 創造有利條件，聚焦重點問題

風洞試驗結果作為屋蓋鋼結構設計參數，其準確性至關重要。為保障試驗順利推進，積極收集周邊地形信息，將周邊場地標高和500 m范圍內的建筑物標高、輪廓、結構形式等相關信息排摸清楚，為風洞試驗提供現場實際邊界條件數據，創造有利條件。

超限評審能否一次性順利通過將直接影響初步設計批復節點。超限評審所需資料中涉及到大量的抗震模擬計算，協調設計單位將人力、設備投入達到最大化，提前組織業內專家開展預評審工作，進一步完善設計細節，最終一次性順利通過抗震及超限技術評審。

5 結 語

本文依托上海浦東足球場項目，探討創新大跨度屋蓋鋼結構體系設計管理，梳理設計管理重難點工作，提出如下管控措施：

（1）設計質量管控措施：依據屋蓋鋼結構設計特點，建立二次深化設計質量管控流程。通過理論計算分析、檢測試驗驗證、健康監測反饋的質量管控思路，突破理論計算局限性。根據功能需求，準確預估屋蓋附屬設施設備荷載

（2）設計進度管控措施：成立屋蓋鋼結構設計專項工作小組，形成一個集中、高效的溝通會審機制。創造有利條件，聚焦重點問題，提速設計進程。實踐證明，上述措施有助于形成系統化的管理思路和可復制的管理流程，為類似項目的設計管理提供借鑒作用。