弦支穹顶结构

北京工业大学体育馆创造了世界建筑史上的一个纪录——世界上跨度最大的预应力弦支穹顶结构，最大跨度达93米。随着北京奥运会羽毛球、艺术体操比赛陆续在这里举行，将会有更多的人关注这座建筑的独特魅力。怀着对这座建筑特殊钢结构的探究心情，我们走进了这座建筑，访问了负责该项目预应力弦支穹顶结构施工技术的北京市建筑工程研究院副总工秦杰博士。

北京工业大学体育馆建筑总面积24383平方米，屋盖最大跨度93米，矢高9.3米，其结构形式为下部钢筋混凝土框架结构，上部采用新型空间结构体系——弦支穹顶结构。如果用单层网壳支撑如此大的跨度，势必要增大构件的截面尺寸，进而会导致建筑整体结构笨重，用钢量增大。目前采用的弦支穹顶结构上部是一个球冠顶面的单层网壳，下部是径向高强度钢拉杆和环向高强度钢索，借助垂直的竖向撑杆支撑网壳。这种新型结构形式，结构新颖，构思巧妙，受力合理。也正是弦支穹顶结构这种“刚柔并济、柔中带刚”的特性，才使得体育馆呈现出一种轻盈飘逸的形态，使人们自然联想到羽毛球、艺术体操的项目所表达的清灵飘逸。

仿真计算与施工监测

确保安全施工和结构质量

虽然体育馆已经竣工，但秦杰依然保留着他们最初制作的弦支穹顶结构模型，因为这个工程项目的施工确实让他们呕心沥血。他谈到，大跨度预应力钢结构是由高强度、抗腐蚀、抗疲劳钢索与各种形式的空间钢结构组合而成的一种新型结构形式。对于直径93米的世界最大跨度弦支穹顶结构，其最外圈环向索预应力张拉值达到250吨，钢结构施工的难度实属世界罕见，其中预应力拉索施工是这个工程的最大特色和难点。

由于北京工业大学体育馆工程的特殊性，在施工前工程师们必须进行大量的深化设计和

仿真计算等准备工作。在施加预应力完成前结构尚未成形，弦支穹顶的结构整体钢度较差，因此必须应用有限元计算理论，使用有限元计算软件ANSYS进行弦支穹顶结构的施工仿真计算，并采用APDL语言编写仿真计算程序，以期能很好地模拟该结构形式的施工过程，

保证结构施工过程及结构使用期的安全性。

另外，在未施加预应力之前，结构还不具有稳定的钢度。为达到结构受力均匀的目的，并且满足设计要求，使得同一圈的各段环向拉索都能够施加上相同的预应力，必须在张拉过程中进行施工监测。本工程主要有索力监测和起拱值监测两部分。其中索力监测点布置分别是张拉端的油压传感器、径向钢拉杆和撑杆，三种监测索力的方法同时使用。

施工阶段挑战极限

由于屋盖跨度较大，没有现成的工程经验可以借鉴，所以施工难度较大，施工过程异常艰难。面对这样的挑战，工程师与所有技术人员同心协力，共渡工程难关。首先是如何在张拉后保持撑杆的垂直。他们凭借雄厚的计算优势，在仿真模拟中对受力进行精确的分析，并用以指导工程施工；二是由于建筑跨度大，单根索预应力张拉值最大要达到250吨（世界最大双向张弦结构的国家体育馆单根拉索预应力张拉值为120吨），故施工风险很大。工程师们根据张拉情况配备了液压千斤顶等先进设备，同时由机械工程师对配套的张拉设备进行了专门设计；三是柔性形态的控制，由于结构最终经张拉起拱脱离支撑胎架，施工安全性就会受到挑战。工程师们又专门布置了50多个监测点，对拉索、撑杆和钢结构应力进行监控，并对结构变形进行监控，以确保施工安全性和结构质量。

在实际施工过程中，秦杰和他的团队还遇到了许多意想不到的困难，其中最严峻的挑战是关于撑杆下节点应力损失的问题。预应力张拉过程中，监测结果显示环向拉索受力不均，经分析是由于撑杆的下节点应力损失太大造成的，这种现象在国内外研究中是从未出现过的，更是没有施工经验可供借鉴。而且当时施工期已进入农历腊月，工人们都着急回家过年。如

果不尽快解决问题，体育馆在春节前便无法实现主体结构完工的目标。

为争取时间，秦杰和工程师们长期坚守在工地，结合工程实际情况，夜以继日地研究制定了超张拉、放张等多项新技术措施。他们一边运用国际通用有限元计算软件ANSYS，对结构重新进行分析计算，调整模型结构；一边指导技术工人进行现场监测、调试。经过大家的连续奋战和不懈努力，他们终于实现了预应力安全施工和质量的万无一失，进而为整个项目如期竣工赢得了宝贵的时间。

健康监控奠基建筑生命

随着建筑跨度的不断增大，体育场馆和桥梁等大型公共建筑的安全问题已成为人们关注的焦点，因此必须对体育场馆的安全监控与应急系统进行科学建设和合理设置，最大限度地降低场馆危险事件的发生。利用现代信息技术，构建现代化、数字化、网络化和高科技化的安全监控与应急系统，提升安全信息资源采集和处理的效率和能力，这是提高和保障的大型公共建筑安全的必由之路。

在北京2008奥运会场馆建设中，我国已经对奥运场馆设定了先进的健康监控系统。秦杰谈到：“日常生活中人们都会定期做健康体检。对于大型公共建筑，我们更应该监控工程结构的质量和荷载状况，了解建筑的健康状况及生命状态。”北京工业大学体育馆建设项目，从施工开始业主方就设置了健康监控系统，对建筑重要部位的结构应力进行监测，他们也将持续监控建筑结构，采集数据进行智能分析处理，以期准确判断建筑健康状况。

对建筑的使用过程进行监控，是最佳建筑健康监控方案。一方面，它能够确保施工过程中的安全性能，监控到结构的各个参数变化情况，例如结构的强度、钢度、位移、振动、预应力损失以及某些地方是否出现裂缝等。另一方面，当遇到地震、大风等突发荷载或长期使用后出现的建筑结构变化情况，就可以通过健康监控系统获取最有价值的特征参数，经过分析、识别并采取相应的措施，就可以将结构重新调整到良好的状态。

一位工程师的期许

随着奥运场馆的相继竣工，人们不仅震惊于各个建筑形态的独具匠心与多姿多彩，也更加关注大跨度预应力钢结构的独特建设手段。目前我国的钢结构施工技术已日趋成熟，这种新兴的结构形式必将成为体育场馆、机场建筑、会展中心、大型机库等大型建筑的首选结构形式。

秦杰参与了北京奥运会7个场馆的预应力分项施工。他介绍到：“经过奥运场馆的建设，北京建筑工程研究院已经成功应用了大跨度预应力钢结构、超高斜柱模板施工及支撑等17项技术，其中5项技术解决了工程建设中的关键性难题，两项创世界之最。”

虽然他们成绩卓著，但秦杰还是意味深长地谈到，在我们的工作中其实仍然存在一些技术难题，比如施工状态的效果与预期结构的差异、完成的结构与设计结构的差异、结构施工的难关攻克等问题。另外他还特别指出，一座建筑精品的诞生，必然是优秀建筑设计与优秀结构形式的完美融合。这些年来，中国大地上不断涌现出造型怪异的建筑形象，我们赞赏这些建筑的创新性和独特性，但我们也期望这类建筑不要太多，也不要过多地被仿造。因为一种建筑形象的出现，在一定程度上已经决定了结构形式的实现手段，而且越是怪异的建筑形象，其结构形式选择余地就越小，材料用量也必然增大。这种情况是与我国所提倡的绿色奥运、节能建筑等原则相悖的。

注视着秦杰书架上形态各异的科技奖杯，看着他认真的表情，我不得不对工程师们严谨的工作态度和强烈的社会责任感油生敬意。