国家体育场结构优化设计研究
建筑结构选型分析-国家体育场
建筑结构选型题目建筑结构分析姓名 X X X学号 XXXXXXXXXX专业班级土木工程XXX班分院土木建筑工程学院任课老师 X X X目录引言 (3)工程概况 (4)建筑方案结构形式 (5)结构设计要点 (5)地源热泵系统 (5)环形管网的沟槽连接方式及其水系统设计 (6)拱铰设计 (8)总结 (11)参考文献 (11)引言国家体育场的外观以建筑结构的形式直接表现,立面形式和建筑结构达到了完美的统一。
国家体育场呈双曲面马鞍造型，东西向结构高度为68m,南北向结构高度为41m，钢结构最大跨度长轴333m,短轴297m,由24榀门式桁架围绕体育场内部碗状看台旋转而成。
结构构件相互支撑,形成网格状构架,如同一个用树枝编织成的“鸟巢”。
其中蕴藏深厚的东方文化内涵：即秩序、内敛的东方美学思想，建筑设计将看似无序的框架纳入严谨的受力体系中,使秩序中存在着无限的变化。
工程概况国家体育场工程总占地面积21公顷，高度69米，场内观众坐席约为91000个。
结构分为基座、屋顶与包厢。
基座与体育场的几何体合二为一，行人走在平缓的格网状石板步道上，步道延续了体育场的结构肌理。
步道之间的空间为体育场来宾提供了服务设施：下沉的花园，石材铺装的广场，竹林、矿质般的山地景观，以及通向基座内部的开口。
从城市的地面上缓缓隆起，几乎在不易察觉中形成了体育场的基座。
体育场的外观就是纯粹的结构，立面与结构是统一的，将建筑物的立面，楼梯，碗状看台和屋顶融合为一个整体。
为了使屋顶防水，体育场结构间的空隙将被透光的膜填充。
国家体育场包厢位于体育场的四层，赛后通过改造，赛后包厢的数量为140个。
它不仅提供了一个亲临其境的最佳观赛场所，更为社会企业和各界名流搭建一个交际、公关、答谢客户的社交平台。
建筑方案结构形式国家体育场工程为特级体育建筑，主体结构设计使用年限100年，耐火等级为一级,抗震设防烈度8度,地下工程防水等级1级。
工程主体建筑呈空间马鞍椭圆形，南北长333米、东西宽294米的，高69米。
国家体育场的建筑_结构与体育功能设计特点
第14卷第2期2008年6月空 间 结 构SPA TIAL STRUCTU RESVol.14No.2J un.2008收稿日期:2007202201.基金项目:国家体育总局体育社会科学研究项目(738ss05001).作者简介:杨嘉丽(1957—),女,湖南宁乡人,副部长,中国建筑学会理事,主要从事体育建筑规划与管理工作.E 2mail :honestlycai @ 国家体育场的建筑、结构与体育功能设计特点杨嘉丽1,杨欢欢2,龙志飞2,王 丽2,蔡庆飞2,魏茂林2(1.北京奥组委工程和环境部,北京100083;2.中国矿业大学(北京)力建学院,北京100083)摘 要:国家体育场是2008年第二十九届北京奥运会的主体育场,奥运会期间承担开幕式、闭幕式和田径比赛,其设计体现了“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的理念.本文根据国家体育场建筑设计的指导思想和设计要求,从国家体育场的结构形式与力学特点归纳分析了国家体育场建筑设计、体育功能设计及结构设计特色,总结了国家体育场结构形式的技术挑战,为以后大型建筑的设计提供了有价值的参考.关键词:国家体育场;建筑设计;体育功能设计;结构设计中图分类号:TU245 文献标识码:A 文章编号:100626578(2008)022*******Design characteristic of architecture ,structureand sports f unction of N ational StadiumYAN G Jia 2li 1,YAN G Huan 2huan 2,L ON G Zhi 2fei 2,WAN G Li 2,CA I Qing 2fei 2,WEI Mao 2ling 2(1.T he Engineering and Envi ronment Part of Organiz ing Committee of B ei j ing Ol y m pic Games ,B ei j ing 100083,China;2.China Universit y of Mining and Technolog y ,B ei j ing 100083,China )Abstract :The National Stadium is t he host stadium of 29t h Beijing Olympic game in 2008,where t he open 2ing ceremony ,closing ceremony and t rack and field competition will be held during Olympic game.The de 2sign of National Stadium has embodied idea of ″green Olympic Games ,science and technology Olympic Games ,humanity Olympic Games ″.Based on t he struct ural form and mechanical behavior ,t his paper in 2t roduces t he characteris of architect ural design ,st ruct ual design and sport s f unction design of t he National Statium and sums up t he technology challenge of t he st ruct ural form.It will p rovide a valuable reference for large 2scale building design.K ey w ords :Natio nal Stadium ;architect ural design ;sport s f unction design ;st ruct ural design 2008年,第29届奥林匹克运动会将在中国北京举行.国家体育场将承担北京奥运会的开幕式、闭幕式和田径比赛.在奥运会期间它可以为运动员提供比赛、训练、热身等全部设施条件和相关服务.在奥运会结束后成为一处既能举办大规模国际体育活动又能满足群众健身娱乐活动的公共体育设施.国家体育场是北京奥林匹克公园内的标志性建筑,也是北京最大的、具有国际先进水平的多功能体育场.国家体育场将成为现代奥林匹克运动留给城市的宝贵遗产和城市建设的新亮点.奥运会期间,国家体育场容纳观众91,000人,其中临时坐席11,000个.奥运会后拆除临时坐席,观众容量为80,000人,可举办各种大型体育赛事和活动.1 国家体育场建筑设计1.1 建筑设计的指导思想和设计要求 北京2008年奥运会比赛场馆设施建设的总体思路是:着眼未来、统筹规划,结合城市的可持续发展,解放思想、与时俱进、勇于创新,按照国际惯例,第2期杨嘉丽,等:国家体育场的建筑、结构与体育功能设计特点25 高标准、高起点地完成奥运场馆设施的规划建设任务.国家体育场建设的必要性:(1)北京需要一个具有国际标准、能够用于举办奥运会的大型体育场;(2)新建国家体育场反映中国和北京的综合实力;(3)为北京市承办大型活动和促进群众健身娱乐提供公共体育设施.国家体育场建筑设计的指导思想是:(1)既要有利于奥运会体育比赛,又要充分考虑赛后利用,两者统筹兼顾,综合平衡;(2)坚持勤俭节约的原则,力戒奢华浪费,不搞重复建设;(3)创出体育建筑精品,充分体现可持续发展的理念,努力探索建筑艺术、人文艺术与环保的有机结合,为首都留下独特的奥运遗产.根据上述指导思想,对国家体育场提出了以下建筑设计要求:(1)满足举办2008年奥运会和残奥会的赛时使用要求,并充分考虑赛后利用;(2)体现“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的2008年北京奥运会的主题;(3)建筑设计功能布局和交通流线合理,能够满足举办各种大型体育赛事和文化娱乐活动的要求;(4)符合奥林匹克公园总体规划的要求,建筑形象要尊重地域文化,具有创造力,并体现现代建筑多功能的发展趋势;(5)建筑的结构设计应受力合理、简洁、安全,在技术上可实施性强;(6)可开启屋盖的设计应技术先进,方便实用,投资合理,运营成本低.由于经济、安全方面的原因,最初设计的国家体育场可开启屋盖在建设过程中进行了修改,取消了屋盖顶部的可开启部分;(7)临时坐席的设置布局合理,处理好赛时和赛后的关系;(8)各项经济技术指标及工程造价的估算正确合理.1.2 建筑形式———引人瞩目的“鸟巢”国家体育场的外观以建筑结构的形式直接表现,立面形式和建筑结构达到了完美的统一.结构的逐渐相互支撑形成网格状构架,如同一个用树枝编织成的“鸟巢”.其中蕴藏深厚的东方文化内涵:即秩序、内敛的东方美学思想.建筑设计将看似无序的框架纳入严谨的受力体系中,使秩序中存在着无限的变化(见图1).图1 国家体育场“鸟巢”Fig.1 National Stadium“birdπs nest”国家体育场具有独特的建筑形象主要是考虑了以下几个因素:(1)基座———坡地景观微微升起的地面,平缓而不易察觉,形成了体育场的基座.知的中国农历中的十二生肖,,又有助于确定方位和区分体育场的.(2)建筑材料有利于自然采光和通风体育场的“鸟巢”设计方案创造性地应用了建筑材料.体育场屋顶部分构架之间的空间将用一种半透明膜材料ETFE充气垫加以填充.其屋顶的气垫膜安装在构架的外部,保证屋顶达到防水要求,而且雨水还可以被收集起来再利用.由于用传统方式设计建设的体育场在比赛时场地上往往光线较强,对电视转播和体育比赛有影响.而国家体育场采用ETFE膜材料覆盖,使比赛场地既可以有自然光线又避免了因阳光直射而产生光带,解决了以往体育建筑中常常遇到的强烈光照给比赛和转播带来的一系列问题.同时,由于太阳光可以通过半透明的屋面照在体育场内的自然草坪上,有利草坪的生长和养护.此外,由于体育场的外立面采用了通透的建筑形式,基本上未设封闭实墙,因此可以保持赛时的自然通风.这是“鸟巢”方案设计的一个显著特点.(3)看台易于调整且富于变化国家体育场的设计充分考虑了奥运会赛后利用的转换.看台通过多种可变的方式来解决赛后观众数量减少的问题.其基本思路是:尽量避免采用复杂的技术手段,而是着眼于采用轻度调整方式.(4)充分考虑了中国古老的文化和哲学理念国家体育场建筑设计方案是瑞典赫尔佐格和德梅龙建筑师事务所与中国建筑设计研究院设计联合体的作品.“鸟巢”方案代表了一种新的建筑语言,参透了中国的哲学思想,从中国天、地、人合一的理念方面产生设计灵感和建筑创意.国家体育场采用的是“天空”和“大地”的象征形象,屋顶不仅仅是体育26 空 间 结 构第14卷场看台的覆盖物,同时也是宇宙的天穹.从外观上看,国家体育场这个巨型建筑物犹如树枝织成的“鸟巢”.基于这种创意,在屋盖钢结构设计时模糊了主次结构的外在差异.其色彩采用灰色矿质般的钢网以透明的膜材料覆盖,其中包含着一个土红色的碗状观众看台,恰似北京故宫青灰色的城墙内矗立着红墙垒筑的宏大宫殿,饱含着东方的含蓄美.中国古代造型艺术最大的特征是将丰富的表现和技术统一在单一的造型中.“鸟巢”虽是一个非常原始的造型观念,从纹样和器型都让人感觉是一个容器和小社会,但它却体现了与中国文化的关联,在严谨的秩序中存在着无限丰富且复杂的变化.(5)创造城市空间的新景观国家体育场作为2008北京奥运会开、闭幕式的场地及北京的标志性建筑,是北京城市景观的一个重点.它的建筑结构选型极其重要和需要富有特色,在建筑体量、空间尺度和体形等方面,要与众不同,引人瞩目.同时,体育场馆设施作为健身休闲建筑,是人们怀着愉快轻松心情而来的一处公共场所.要求为其服务的建筑和环境优美宜人,使人置身其中或进行活动时,有充分的闲情逸致来品味环境和建筑造型,获得一种建筑美学带来的精神享受.国家体育场选用“鸟巢”这一独特的建筑造型,为北京的城市空间创造了一个新的景观.2 国家体育场体育工艺功能设计特点体育工艺和功能设计是体育建筑设计的重要内容.根据2008年奥运会的比赛组织特点,国家体育场围绕田径和足球比赛项目进行了体育工艺和功能设计.其中田径比赛的工艺功能设计较有特色.首先根据运动项目竞赛组织特点,确定体育场内参赛运动员流程.田径比赛运动员参赛流程见图2.参赛运动员流程即体育比赛的主体———运动员,从到达比赛场馆开始,经历其体育比赛项目全过程后,到离开比赛场馆为止的活动路线.参赛运动员流程是比赛场馆设施体育工艺设计的核心内容,是体育建筑设计的重要基础.国家体育场田径比赛项目参赛运动员流程是根据奥运会竞赛日程,在编制《奥运工程设计大纲》阶段,由北京奥组委场馆规划和竞赛组织方面的有关人员共同研究确定的.然后根据田径比赛参赛运动员流程,完成使用功能建筑平面设计,结果见图3.图3中序号为2008年奥运会田径比赛参赛项目运动员流程节点,分述(1)环路交通控制点:对所有进入国家体育场环如下.第2期杨嘉丽,等:国家体育场的建筑、结构与体育功能设计特点27 路的车辆,包括运动员车辆进行检查的地点及运动员大巴入口.(2)运动员下车点:运动员从奥运村出发,乘专线大巴抵达国家体育场的下车地点.(3)运动员休息室:运动员在此进行身份认证.(4)技术信息中心:竞赛管理处和运动员相关信息的交流中心.(5)室内热身器械区:分别设置男、女运动员休息室(内均含更衣室、卫生间和淋浴)、按摩室、体育器材存放、力量训练、医疗室、恢复室、热身管理、运动队准备区.(6)室外热身场地:热身练习跑道设置9条直跑道和8条400m跑道以及障碍水池;跳远/三级跳、跳高、撑杆跳、投掷运动热身场:标枪、铁饼、链球、铅球热身场.通道1和2连接环路和热身场地,通道3连接第一检录处和第二检录处.(7)技术问询处:位于第一次检录处内,可以看到比赛场地,热身场地信息板和第一次检录信息.(8)第二检录处:田径运动员赛前等候区,有到达卫生间和室内热身以及比赛场地的通道.运动员通过路线3从第一检录处到达第二检录处.(9)室内热身场地:设置4条60m直道跑道,有通道与第二检录处相连接,并设有20个跳栏和起跑器.(10)比赛场地入口.(11)田径比赛场地:竞赛跑道设置9条直跑道、9条400m跑道,北部“D”区设置障碍水池.跳远/跳高比赛场地:设置2块跳远/三级跳场地(东)、2块跳高场地(南)、2块撑杆跳场地(北).投掷比赛场地:设置2块标枪场地(北和南)、2块铁饼场地(北和南)、1块链球场地(南)、4块铅球场地(北和南).(12)终点.(13)现场采访区:用于现场电视转播采访.比赛结束后在跑道终点附近外区域立即进行实时采访,需要以体育场为电视画面背景.(14)混合区:用于运动员离开终点后进入更衣室路线上的非现场采访.田径比赛的混合区设置极具特色.确切地说,它不是一个区域而是一条线路,田径比赛的混合区从比赛场地的跑道终点区开始,到运动员的赛后控制中心止,贯穿了体育场的室外比赛场和室内竞赛功能用房.采用通道的形式布置.(15)赛后控制中心:运动员接收比赛成绩和取包的区域,男女分设.运动员在此等候进行兴奋剂检查的通知,并需容纳领队、教练等随队官员.(16)医疗中心:运动员医疗中心包括候检、病房、重病监护、外科(骨科治疗室)、医生办公室、医疗代表、护士室、卫生间、药械室、男女更衣室、清洁间、走廊、氧气储藏.(17)采访室:运动员进入新闻发布厅之前暂时等候的房间.(18)国际田径联合会官员赛事管理用房:包括仲裁委员会、竞赛部、统计处、技术代表、国际技术官员、竞走裁判、田径委员会主任、田径委员会竞赛部办公室、申诉部、技术录像室.(19)颁奖仪式等待侯室:参加颁奖仪式人员等候及存放奖牌、国旗和鲜花的区域.颁奖仪式等待室内包括贵宾等候、嘉宾等候、运动员等候、礼仪人员、奖牌存放、旗帜存放、鲜花存放等.(20)颁奖台.(21)兴奋剂检测站、取血样、尿检室、储藏室.(22)全能运动员休息室:参加十项全能和七项全能比赛运动员的休息室,包括更衣和淋浴设施.(23)赛后放松区.(24)通向运动员集散区的楼梯.(25)运动员集散区:结束比赛的运动员集结后等待乘专线离开国家体育场的区域.(26)运动员上车点.(27)运动员专线大巴出口.从序号23至27为赛后流程,运动员可以通过路线2回到热身区放松,放松后既可以通过楼梯或者核心筒12,又可以乘坐约每15分钟一辆的大巴回到运动员集散区.3 国家体育场结构设计3.1 结构形式特点介绍 国家体育场被称为“第四代体育建筑”作品.“鸟巢”不仅见证了人类21世纪对建筑与人居环境的不懈追求,也见证了中国这个东方文明古国不断走向开放的历史进程.国家体育场建筑体形新颖明快,结构选型简洁大胆,结构形式的几何特征在这里得到了淋漓尽致的运用.屋盖上采用的透明和白色的膜材料在阳光和灯光不同光线的作用下,屋盖桁架呈现出不同的虚实效果对比强烈.国家体育场整座建筑物没有任何装饰,但完全由结构组成的造型却极富艺术感染力.国家体育场作为综合性公共建筑,其设计耐久年限为一级,结构设计使用年限为100年.28 空 间 结 构第14卷国家体育场呈双曲面马鞍造型.东西向结构高度为68m,南北向结构高度为41m.钢结构最大跨度长轴333m,短轴297m,由24榀门式桁架围绕体育场内部碗状看台旋转而成.结构构件相互支撑,形成网格状构架,组成体育场整个的“鸟巢”造型.其大跨度钢结构采用由大量特殊材质焊接而成的薄壁箱形构件,屋盖次结构的布置疏密均匀,形成“鸟巢”的建筑美学效果.体育场看台采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系,与钢结构在结构体系上完全脱开.没有任何遮挡的碗形观众看台,呈均匀而连续的环形,可以使观众获得最佳观看效果,体验热烈的比赛和演出气氛.国家体育场的结构选型主要考虑了以下几个因素:(1)与建筑形式完美结合国家体育场强调“外观即结构”这一概念,这座体育场就像鸟巢一样形式与结构高度统一.正如鸟儿不会刻意地去粉饰自己的巢穴一样,国家体育场的建筑形式和网格状的结构完美地结合在一起,很清晰、自然,也很纯净.国家体育场看似杂乱无章的结构,实际上主要受力体系的主结构非常清晰合理.通透的建筑围护结构设计典型地借鉴了中国南方园林中花窗的手法,使得建筑物的室内室外形成自然的流通.此外,由于体育场外墙是镂空的交织结构,使得人流、交通组织沿着建筑物的立面内侧安排,人们可以从体育场外看到活动的人群点缀于建筑物表层之间.(2)满足建筑设计表现方式的需要国家体育场如同一个巨大的容器,不论是近看还是远观,都将给人留下独特而深刻的印象.它不仅完全符合奥运会主体育场在赛时使用功能上的要求,又不同于一般体育建筑采用大跨度和数码屏幕为主体的设计表现手法.国家体育场的空间效果既呈现出前所未有的独创性,又不失简洁和典雅.体育场外观为纯粹的结构形式,使建筑立面与结构形成了完美的统一.空间钢结构的组件相互支撑,形成网架状构架,其立面、阶梯及屋顶组成了一个有机的整体.体育场看台结构呈没有任何遮挡的完整的“碗型”.这种均匀而连续的环形型式,有利于观众将注意力集中在场内的体育赛事上.所形成的舒适的环境、极佳的视野和良好的氛围,易于调动起观众们的兴奋情绪,激发运动员的优异表现.3.2 结构形式的力学特点国家体育场基础结构采用钢筋混凝土钻孔灌注桩基础后压浆技术.持力层为卵石、圆砾层,单桩承载力7200kN～10900kN.桩径为800mm与1000mm两种,桩长31m～36m,承台高度4.0mm～6.0mm,最大沉降量为30mm.国家体育场大跨度结构采用交叉平面桁架体系.屋盖支撑在24根桁架柱之上,柱距为37.958m.主桁架围绕屋盖洞口环梁呈放射形布置,由于主桁架与内环相切,其中一些主桁架在平面外微弯,22榀主桁架直通或接近直通.为了避免出现过于复杂的节点,4榀主桁架在环梁附近截断,24根桁架柱与主桁架、立面次结构共同形成抗侧力体系.屋盖内环开洞的轮廓由2段椭圆弧与2段圆弧构成.椭圆的长轴和短轴分别为190.344m与124.103m.从平面椭圆的24个等分点做直线与屋盖内环相切,得到48榀交叉布置主结构的平面定位轴线.顶面次结构与立面次结构均位于屋盖结构的外表面.为了使国家体育场大跨度钢结构经济合理,优材优用,绝大多数的钢构件均为钢板焊接而成的箱形构件,在设计中进行以下具有鲜明特点的分析论证:(1)大跨度结构火灾危险性分析.国家体育场具有高大的空间,钢结构外罩的屋顶采用膜结构.火灾对结构的可能威胁主要来自看台区域的座椅,并且对靠近高层看台部分钢结构屋盖下弦有直接的影响.根据消防设计分析评估报告,通过分析研究可以获得在防火时或构件不受保护时结构的实际温度,采用极限温度法对构件和结构的安全性进行评估.(2)构件计算长度研究.《钢结构设计规范》对管桁架结构的计算长度没有专门的规定,通常参照对一般平面桁架结构计算长度的规定.对于国家体育场这一大型复杂结构,为了确定结构构件的计算长度,直接采用了整体计算模型进行非线性分析,计算时分别考虑了竖向荷载和水平地震作用.(3)屋盖结构整体稳定性分析.为了保证国家体育场结构的整体稳定性,对整体计算模型进行了荷载-位移全过程几何非线性分析,确定了整体结构的稳定极限承载力.(4)建造过程施工模拟分析.安装顺序对大跨度结构用钢量的影响很大.在安装过程中,如果屋顶次结构与主结构同时安装,次结构构件的内力将会明显增大,导致次结构构件截面壁厚增大,结构总用钢量增加;因此,对国家体育场大跨度钢结构的建造过程进行了详细的施工模拟分析,得到了合理优化建造过程的施工方案.第2期杨嘉丽,等:国家体育场的建筑、结构与体育功能设计特点29 (5)加肋焊接薄壁箱形构件应用研究.国家体育场屋面次结构的外形尺寸为□1000×1000,立面次结构为□1200×1200.在修改初步设计中,考虑了在箱型构件内部设置横向和纵向加劲肋的方法.由于设置纵向加劲肋可以使板件的宽厚比减小,使板件的局部稳定性大大改善,从而增加截面的有效宽度,使得材料利用率大大提高.设置加劲肋对于延迟薄壁箱形构件发生局部屈曲、提高构件承载力、减小用钢量具有很大的作用.设置加劲肋后,薄壁箱形构件轴心受压承载力提高,在达到极限承载力后还可以维持一定的承载能力,但延性有所减弱.3.3 结构形式的技术挑战和创新(1)首次采用CA TIA软件解决复杂空间结构建模问题.国家体育场屋盖结构造型主要从体育场的规模、对观众席防雨遮盖的效果、满足观众席视线要求和建筑美学的角度出发,几何构型方法新颖独特,建筑与结构高度一致,存在大量空间扭曲构件.在设计中采用了航空、汽车制造工业得到应用的三维建模CA TIA软件,以解决复杂建筑的空间建模问题,形成“鸟巢”的建筑美学效果.(2)采用国产优质高强、高性能钢板.在国家体育场结构设计中,为了有效控制成本,缩短订货周期,全部采用国产钢材.对于厚钢板选用了国产Q345G J和高强度Q460钢材.高强度的Q460钢材是迄今为止国内建筑工程中所采用的强度级别最高的厚钢板,钢板的性能要求均大大超过现有国内外相关技术标准的范围.(3)首次提出下风振系数的概念.为了保证国家体育场钢结构的施工安全和正常使用,将传统的屋盖结构单一风振系数的定义方法进行了改进,分别给出上风振系数与下风振系的定义,在设计中考虑风荷载效应的影响.(4)提出大跨度结构温度场计算方法.北京地区的气候类型属典型的温带大陆性气候,季节气温变化很大.由于“鸟巢”结构的钢构件直接暴露于室外,在冬季时可以认为钢构件的温度与室外气温相同.夏季时室外气温最高,同时太阳照射强度也最大,太阳照射将引起构件温度显著升高.由于屋架上、下弦膜材之间的空气流动性较差,屋架内部温度明显高于室外气温,形成“温箱”效应.另外,结构在迎光面与背光面的温差,以及屋面、立面钢构件的温差将形成梯度较大的温度场分布.国家体育场大跨度钢结构的平面尺度很大,温度变化将在结构中将引起很大的内力和变形.将国家体育场南半部外表面按其照度不同分为11个区域,研究太阳辐射照度引起结构温升的影响.而在箱形构件的侧面、背面与体育场北半部的构件主要考虑日光漫反射的影响.(5)特殊节点的设计方法研究.国家体育场屋盖结构的几何构型非常复杂,在结构设计中,着重研究一些特殊节点的设计施工方案,如:屋盖箱形截面桁架的节点设计方法、桁架柱复杂节点设计方法和异型柱脚设计方法等.合理解决特殊节点的设计问题,是保证结构安全性、提高材料利用率、有效减小用钢量的关键问题之一.国家体育场其大跨度结构设计与优化工作受到广泛的关注.由于国家体育场大跨度结构的特殊重要性与复杂性,在设计中大量采用新技术、新材料、新工艺,进行了许多技术创新,通过采取综合的技术措施,全面考虑超大跨度复杂钢结构的设计、加工、安装的关键问题,在保证结构的功能性、安全性、耐久性的同时,取得了良好的技术经济效果.4 结 论本文对国家体育场的建筑形式、体育工艺功能、结构形式三方面做了系统分析.(1)国家体育场作为2008北京奥运会开、闭幕式的场地及北京的标志性建筑,蕴藏着深厚的东方文化内涵,被誉为“第四代体育馆”.(2)体育工艺和功能设计是体育建筑设计的重要内容.根据2008年奥运会的比赛组织特点,国家体育场围绕田径和足球比赛项目进行了体育工艺和功能设计.本文着重介绍了比较有特色的田径比赛的工艺功能设计.(3)国家体育场建筑体形新颖明快,结构选型简洁大胆,结构形式的几何特征在这里得到了淋漓尽致的运用.参考文献[1]北京2008年奥林匹克运动会申办委员会.北京2008年奥林匹克运动会申办报告(中英文版)[M].北京:奥林匹克出版社,2001.Beijing2008Olympic G ames Candidature committee.Beijing2008Olympic G ames Candidature files(Chinese and English Version)[M].Beijing:OlympicPress,2001.[2]北京市建筑设计研究院.奥林匹克与体育建筑[M].天津:天津大学出版社,2002.Beijing Institute of Architectural Design.Olympic and Sport Building[M].Tianjin:Tianjin University Press,2002.(下转第23页)。
本文简要介绍了在国家体育场钢结构设计中采用的结构体系
为了考察加肋薄壁箱形构件的抗震性能， 对其在轴心受压情况进行了非线性有限元 分析。在计算模型中采用构件的一阶整体 失稳模态模拟初始缺陷，假定构件的横向 初始变形量最大值为杆长的1／1000。
当构件的应力大于钢材的屈服强度时，将进入塑 性状态，强化模量为初始弹性模量的0．6％。箱 形构件口1000×1000×8 ×8 ，计算长度 L=20．0m，采用Q345钢材，分为无纵向加劲肋、 带有一道纵向加劲肋和两道加劲肋及2000mm间 距横向加劲肋三种情况。
(二)预应力计算
采用通用大型有限元分析软件Ansys，主要 采用Beam4和Linkl0两种单元，Beam4为梁 单元，用模拟主桁架杆件，Linkl0为只拉不 压单元，用来模拟预应力索。
计算结果
当设置采用预应力索后，主桁架下弦构件 的拉力降低幅度较大，主桁架上弦的压力 也有所增大，上、下弦构件内力增长幅值 大致相同。施加预应力前后，主桁架腹杆 的内力变化不大，主桁架的挠度减小。由 于结构整体空间作用的影响，仅在部分主 桁架施加预应力对于整个结构的影响较小， 施加预应力后最大挠度仅减小0．047m。
(三)采用预应力方案的综合评价
布置预应力索的主桁架结构刚度较大，内力也相 应增大，而其它未布置预应力索的主桁架的内力 将有所下降。通过对构件截面优化调整，这一趋 势会更加明显，在桁架之间形成主次关系，内力 向部分布置了预应力索的桁架转移，锚具的可靠 性对结构的安全性至关重要。由于锚固节点尺寸 较大，对建筑外观效果有一定影响。
将各构件的计算应力比与目标应力比限值范围进 行比较，若构件计算应力比介于目标应力比限值 范围内，则该构件截面保持不变，否则需要对构 件进行截面调整。调整构件截面后再次进行整体 计算与截面校核，直至所有构件计算应力度均符 合设计要求。
体育馆结构稳定性分析与结构优化
体育馆结构稳定性分析与结构优化体育馆是承载大型体育比赛和娱乐活动的重要场所，其结构稳定性对于保证人员安全至关重要。
本文将对体育馆结构的稳定性进行分析，并提出优化结构的建议。
一、体育馆结构的基本情况体育馆结构通常由主体结构和次要结构组成。
主体结构包括框架结构、支承结构和屋面结构等。
次要结构包括墙体、楼板和走道等。
在进行稳定性分析前，我们需要了解体育馆的结构参数，包括材料的强度和刚度、结构连接方式以及结构的几何尺寸等。
二、体育馆结构的稳定性分析1.垂直方向的稳定性体育馆在垂直方向上面对的主要稳定性问题是抗震和抗风。
在抗震设计中，我们需要考虑地震力对结构的影响，采取适当的加强措施，如设置钢筋混凝土柱、增加剪力墙等。
在抗风设计中，我们需要考虑风载对结构的影响，采取相应的减风措施，如增设抗风墙、采用空气动力减震装置等。
2.水平方向的稳定性体育馆在水平方向上面对的主要稳定性问题是屋面结构的承载能力和稳定性。
在设计屋面结构时，需要选择适当的材料和断面，合理计算和安排结构的支撑体系，如设计合理的桁架结构、设置支撑柱等。
此外，还需要对屋面承载的气压进行计算和分析，确保结构在风荷载作用下的稳定性。
三、体育馆结构的优化建议为了提高体育馆结构的稳定性和安全性，我们可以从以下几个方面进行结构优化。
1.选用适当的材料和断面在设计体育馆的结构时，应选用高强度、高刚度的材料，并选择结构断面具有良好的抗弯扭刚度和抗剪刚度。
2.增加结构的支撑体系为了增强体育馆结构的稳定性，可以增加支撑体系，如设置支撑柱、拉杆等。
这样可以有效地分担结构受力，提高整体的抗侧扭刚度和抗弯刚度。
3.合理设置剪力墙和抗风墙剪力墙和抗风墙是提高体育馆结构稳定性的重要手段。
通过合理设置和布置剪力墙和抗风墙，可以提高结构抗震和抗风的能力，减小结构的变形和振动。
4.采用空气动力减震装置空气动力减震装置是一种可以减小风荷载对结构影响的装置。
通过合理设置和使用空气动力减震装置，可以有效地减小结构的风振响应，提高结构的稳定性。
体育馆结构稳定性分析与抗震设计
体育馆结构稳定性分析与抗震设计体育馆作为一个大型室内体育活动场所，其结构的稳定性和抗震设计对于保障人员安全至关重要。
本文将对体育馆结构的稳定性进行分析，并针对抗震设计提出一些建议。
一、体育馆结构分析体育馆结构通常采用框架结构或拱形结构。
这些结构都具有一定的稳定性，但在面对自然灾害如地震时，仍然存在一定的风险。
因此，对体育馆的结构进行稳定性分析是十分必要的。
1. 结构强度分析：通过对体育馆结构的材料、截面尺寸和连接方式等进行分析，确定其承载能力是否满足设计要求。
强度分析需结合相关标准和规范进行，确保结构能够承受预计荷载。
2. 弹性变形分析：体育馆结构在荷载作用下会发生一定程度的变形，因此需要进行弹性变形分析。
通过有限元模拟等方法，了解结构在荷载作用下的变形情况，确保变形不会超过设计要求。
3. 稳定性分析：稳定性分析主要研究结构在荷载作用下是否出现失稳破坏的情况。
体育馆结构可能存在的稳定性问题包括整体失稳、局部失稳、侧向稳定性等。
通过结构力学理论和数值分析等方法，评估结构的稳定性，提出相应的处理方案。
二、抗震设计地震是体育馆面临的最大威胁之一，良好的抗震设计能够有效降低地震对体育馆结构的破坏程度，并确保人员的安全。
1. 地震荷载计算：根据体育馆所处地区的地震烈度和设计参数，计算地震作用下的荷载大小。
地震荷载计算需要遵守相关地震设计规范，确保荷载计算的准确性。
2. 结构抗震设计：结构抗震设计是指在满足结构强度要求的基础上，通过采用抗震构造措施来提高结构的抗震能力。
这些抗震构造措施包括增加剪力墙、设置抗震支撑、加固连接节点等。
设计人员应根据体育馆的特点和地震条件，综合考虑各项因素，进行合理的抗震设计。
3. 抗震材料选择：抗震材料的选择直接关系到结构的抗震性能。
高强度混凝土、抗震钢材等被广泛应用于体育馆结构中，能够提高结构的抗震能力。
4. 疏散通道设计：体育馆在地震发生时，疏散通道是人员迅速安全疏散的关键通道。
体育馆结构稳定性分析与结构优化
体育馆结构稳定性分析与结构优化体育馆是承载大规模运动活动的场所，其结构稳定性至关重要。
本文将对体育馆结构的稳定性进行分析，并提出结构优化的建议。
一、体育馆结构分析1. 承载力分析：体育馆结构需要能够承担运动活动、观众人数以及自身重量等载荷。
通过计算结构元件的受力情况，确定其承载能力是否满足要求。
2. 应力分析：体育馆结构在受到载荷作用时，会产生应力。
应力分析可以评估结构元件的受力情况，确定是否存在应力集中区域，从而设计合适的支撑结构。
3. 剪力与弯矩分析：在运动活动中，体育馆结构可能受到剪力和弯矩的作用。
通过分析剪力和弯矩的大小和位置，确定钢梁、柱等构件的尺寸和材料。
4. 动力分析：体育馆在发生地震或强风等外力作用时，需要保证结构的抗震和抗风能力。
采用动力学分析方法，模拟外力作用下结构的响应，确保结构的稳定性。
二、体育馆结构优化1. 材料优化：选择合适的材料，使得结构具有更好的强度和刚度。
常用的材料包括钢结构、混凝土等。
通过计算和对比，选择合适的材料，提高结构的稳定性。
2. 结构布局优化：合理的结构布局可以减小结构的应力集中，提高整体稳定性。
通过优化柱网格间距、梁的跨度等参数，使得应力传递更加均匀，增强结构的抗震能力。
3. 支撑结构设计优化：加强结构的支撑系统，可以增强结构的稳定性。
采用合适的支撑结构，例如剪力墙、框架等，可以增加结构的刚度和抗震能力。
4. 结构连接件优化：结构连接件的质量和设计也对体育馆结构的稳定性至关重要。
优化和加强连接件的设计，确保其具有足够的强度和抗震性能。
5. 结构模拟与仿真优化：通过使用结构分析软件进行模拟和仿真优化，可以更准确地评估结构的稳定性，并找出可能存在的问题和改进的空间。
结论：体育馆结构的稳定性分析与结构优化是确保体育馆安全可靠运营的关键。
通过对结构的承载力、应力、剪力、弯矩和动力等方面进行分析，并进行结构优化，可以提高体育馆结构的稳定性和安全性。
在设计和建造体育馆时，应遵循相关规范和标准，确保结构的合理性和可靠性，为运动员和观众提供一个安全舒适的运动场所。
某体育馆的结构分析及优化
某体育馆的结构分析及优化[摘要] 根据第九届北京高校建筑结构设计联赛(大跨组赛题)设计题目——北京建筑工程学院体育馆设计展开研究。
结合建筑特点选取了结构形式——钢桁架,进行了结构布置,采用sap2000对体育馆进行建模分析,同时采用3d3s进行了结构优化,得到了合理的结构方案,研究成果可供中小型体育馆项目参考。
[关键词] 体育馆结构分析优化1 引言根据第九届北京高校建筑结构设计联赛(大跨组赛题)设计题目——北京建筑工程学院体育馆设计展开研究。
体育馆工程总用地面积:11643.8平方米;建筑面积:10280平方米(地上面积约8000平方米);体育馆长100m,宽70～85m,建筑控高:30米。
建筑方案充分体现北京建筑工程学院辉煌的校史,蓬勃向上的发展前景,务实创新的学风,而且表达出“建工人”对于学校美好未来的寄语。
该建筑贯彻了“绿色建筑”的设计原则,并且满足了全校师生举行大型室内集会、展示的建筑功能。
本文重点对该建筑开展结构分析及优化,得到合理的结构设计方案,为类似工程提供借鉴。
2 结构分析2.1结构布置。
综合考虑建筑方案的特点及结构受力荷载,采用钢管桁架结构。
桁架跨度65~80m,间距6m。
桁架截面宽度2.5m,高度3.5m,取节间长度3.5m,腹杆与弦杆的夹角30°～60°。
为提高结构的整体性,增大刚度,在纵向设置四道联系桁架,两道位于柱顶,两道位于跨中;在两端及中部设置连接相邻两榀桁架上下弦节点的“X”形支撑。
2.2模型及荷载2.2.1模型。
将结构中的桁架拱、格构柱、纵向桁架、“X”形支撑按杆单元进行建模。
2.2.2荷载及其组合。
(1)永久荷载。
承重结构的自重(包括杆件及节点的自重)、屋面板及檩条的自重、马道、吊挂灯具及其他设备的自重。
按从属面积折算荷载。
(2)可变荷载。
活荷载:该屋面为不上人屋面,荷载标准值取0.5kN/m2,施加给上弦杆的活载标准值:0.5×4.5=2.25KN/m。
体育馆结构稳定性分析与结构优化
体育馆结构稳定性分析与结构优化体育馆作为大型公共建筑的代表，是承载大量人员和设备、举办各种体育赛事和文化活动的重要场所。
在设计和建造体育馆时，结构的稳定性是一个至关重要的考虑因素。
本文将对体育馆结构的稳定性进行分析，并提出一些结构优化的建议。
一、体育馆结构稳定性分析1. 荷载分析：体育馆在使用过程中，常常要承受大量人员、设备以及随着赛事举办而引起的动态荷载。
结构的稳定性需要进行荷载分析，包括垂直荷载、水平荷载以及额外的动态荷载。
2. 强度计算：为了确保体育馆的结构稳定，需要对建筑材料的强度进行计算和验证。
这包括对混凝土、钢材等结构材料的标准强度进行检验，以保证结构在荷载作用下的正常使用。
3. 抗震性分析：体育馆作为公共建筑，需要具备较强的抗震性能。
地震是一种常见的自然灾害，对体育馆结构的破坏性很大。
因此，在设计过程中，需要进行抗震性能的分析和验证，以确保结构在地震情况下的安全性。
4. 结构变形分析：体育馆在使用过程中，由于温度、湿度、荷载等因素的影响，会引起结构的变形。
为了确保结构的稳定性，需要进行结构变形的有限元分析和位移控制的计算，以保证结构的正常使用。
二、结构优化建议1. 采用合理的结构形式：在设计体育馆结构时，应该根据实际情况选择合适的结构形式。
常见的体育馆结构形式有框架结构、拱形结构、悬索结构等。
根据不同的场地条件和使用需求，选择适合的结构形式，以确保结构的稳定性和经济性。
2. 使用高强度材料：为了增强体育馆结构的抗震性和整体稳定性，应选择高强度的建筑材料，如高强度混凝土、高强度钢材等。
这样可以提高结构的整体承载能力，减小结构的变形和破坏程度。
3. 采用合理的支撑结构：在设计体育馆结构时，合理的支撑结构能够提高结构的整体稳定性。
可以考虑采用悬索、斜拉等支撑形式，以增加结构的刚度和抗震性能。
4. 考虑动态荷载影响：体育馆在使用过程中，会承受各种不同的动态荷载，如人员运动、舞台搭建等。
在结构设计中，需要合理预测和模拟这些动态荷载，以确保结构的安全性和稳定性。
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国 家 体 育 场 结 构 优 化 设 计 研 究
文 ／董 聪 收 稿 日期 曾 国华 李 绂 作 者 单 位 ．清 华 大 学 土 木 系 ２ ０ ／１ ／ ０ ０３ １ ２
摘 要 ：本 文介 绍 了国 家体 育场 主体 钢 结构 的 初步 设计 方 案 设 计 了一 种 造型 与其 和 谐 的移 动屋 盖 本 文对 国家 体 育场 结构 进 行 的初步 优 化设 计显 示 ， 化后 的 国 优 家体 育场 结构 ，不仅 重量 可 降低 ６ ％ 左 右 ．而且 静 动力 特 性也 将得 到 一定 程度 Ｏ
结 构是典 型 的空间结 构 受力体 系。发级 框架并 不是 单纯 意义上 的装 饰性结 共 目 构 成 外 部 结 构 的 整 体 空 间 受 力 体 系
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移动 屋 盖 的 建 筑 及 结构 初 步 设 计 ： 先 动 屋 盖 的 设计 风 格 应 当 和 固定 首 移 屋盖 及 整 个 主 体 结 构 的设 计 风 格 相协 调 ， 并成 为其 一 个 有 机 的 组成 部 分 ： 其次 动 屋 盖 的 结构 分 割 应 充 分 考虑 停 放 和 锁 定 装 置 的合 理 设 计 ， 移 以确 保结 构 安 全 和 滑 动机 构 的可 靠 运 行 国 家体 育 场 主体 结 构 设 计 的 特点 之 一 ． 是 将 有序 的 内 核 隐藏 在 无 序 的 外 就 表下 面 以 尽 可 能 的实 现 各 个 方 向 的相 同 陛。我 们 在 移动 屋 盖 的 设 计 中 同 样遵 循 了这 一 原 则： 动 屋 盖 的 承 力体 系 同样 分 为 主 框 架和 次 级 框 架 。 移 主 框架 由两 组 斜 交 、 放 的 方 钢 管 拱群 组 成 受 本 身 和次 级 框 架 的 重 量及 斜 承 由次 级 框 架 传 来 的外 荷 载 次级 框 架 主 要 是辅 助 主 框 架 受 力和 减 少 单 片膜 材 的铺 设 面 积 。 国家 体 育 场 主体 结 构 和 移 动屋 盖 结 构 均 将 建筑 的 结 构 骨架 暴 露 在 外 并 用 ＥＦ 枕 式 气 囊 填 充 结构 框 架 之 间 的 表 面 空 隙 因 此 它 们 的 ＴＥ 设 计 风 格 是 协 调 统一 的 。 我 们 的设 计 方 案 中 移 动屋 盖 的驱 动 轮 和 从动 在 轮 是 按 沿 行 车 轨 道 方 向 均 匀 分 布 的 。驱 动 轮 在 移 动 屋 盖 闭 合 时 的停 放 位
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从董 聪 教授 ，从 事大 型空 间结 构 的优 化设 计研 究殛工 程应用 工作 。
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恰当 的诖释 其 中 目 定 屋 盖 和 围 护 结 构 连 威 本主义 情怀 作７充 分
国家体 言场 由内部 的混凝 土看 台和外 部的 大跨度 钢结构 屋盖 爱目护 结构 组
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中分 离 出 来单 独 进 行 分 析 。 假设 移 动 屋 盖 的驱 动 轮 和 从 动轮 均 设 在 移 动边
分析 ． 以考 察 该 方 案 是 否 可 行 。 步 设 计 时 ． 们 将移 动 屋 盖 从 整 体 结构 初 我 ｛ 直 边 ） ． 动 轮 和从 动 轮 位 置 处 设 为铰 接 点 两 上 驱
而 梁 则 为 平
结 构相 互之 问相对 独立 。外部 结构采 用两级 受 力体系 面 其 中长轴 向 ｛ 动屋 盖开 闭方 向） 移 主框 架梁 为上 凸 型
车 辐条 的２ 对 立体框 架组 威 立 体框 架的屋 面部 分形成 一个典 型 的马鞍形 ４ 短 轴 向王框 架粱为 下口 型 最 大跨度 ２ １ 整个 王框架 结构 的梁柱 构件 均 ９ ｍ。 为桁架 式构 件 其 中弦杆 日截面 外皮 尺寸 为 １ ５ × １ ５ ｍ ｍ
的改 善 。
ＳＴＲＵＣ ＴＵ ＲＡ Ｌ ｏ ＰＴｌ ｌ ＡＴｌ Ｎ ＥＳ ｌ Ｎ Ｍ Ｚ Ｏ Ｄ Ｇ ＳＴＵＤＹ ｏ Ｆ ＮＡＴｌ ＮＡ Ｌ ＳＴ Ｄ ｌ Ｎ ＢＥｌ ｌ Ｏ Ａ ＵＭ ｌ Ｊ ＮＧ
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