運(yùn)河亞運(yùn)公園乒乓球館設(shè)計(jì)及施工關(guān)鍵技術(shù)

謝忠良，徐 羿，龔 聰

（浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州310006）

1 概 況

杭州運(yùn)河亞運(yùn)公園體育館為一座多用途的體育館，設(shè)計(jì)總座位數(shù)為5954座，其中4517座為固定坐席，屬大型體育場館，是2022年第19屆亞運(yùn)會的乒乓球比賽場館。體育館地上3層，地下1層，建筑離地最高處為35 m。乒乓球館的設(shè)計(jì)靈感來源于良渚文化中玉琮的形態(tài)。利用玻璃、銅板（陽極氧化鋁板）、不銹鋼等材料的搭配，創(chuàng)造出一個(gè)輕盈、經(jīng)典的建筑。見圖1。

圖1 乒乓球館效果圖

2 主要技術(shù)參數(shù)

本工程設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級一級，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.10 g，設(shè)計(jì)地震分組第一組，場地類別Ⅲ類，建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類。本工程整體結(jié)構(gòu)由外圍護(hù)幕墻結(jié)構(gòu)，內(nèi)部混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋頂空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)組成。鋼結(jié)構(gòu)主要由屋面和墻面兩部分組成，其中屋面鋼結(jié)構(gòu)為正交正放四角錐雙層網(wǎng)架，網(wǎng)架支座跨度約90 m，網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)形式為“螺栓球+焊接球”混合節(jié)點(diǎn)；墻面鋼結(jié)構(gòu)主要分為入口門廳處的玻璃幕墻和另一側(cè)的疊合金屬幕墻。玻璃幕墻龍骨為彎扭斜交矩形鋼管網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；疊合金屬幕墻龍骨采用折線矩形鋼管框架結(jié)構(gòu)，連接節(jié)點(diǎn)為焊接剛性連接節(jié)點(diǎn)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，在內(nèi)外兩圈空腔的墻體部位，根據(jù)柱坐標(biāo)系按每10°各布置一個(gè)框架柱，內(nèi)外圈框架柱之間以及環(huán)向框架柱之間布置混凝土梁板結(jié)構(gòu)形成空間框架結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 乒乓球館三維計(jì)算模型

2.1 內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)

本工程為復(fù)雜的大型體育建筑，內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)包括室外平臺、觀眾看臺和各功能用房。地下室頂板結(jié)構(gòu)標(biāo)高為-0.150 m，中間比賽場地范圍結(jié)構(gòu)標(biāo)高為-0.200 m；東西兩側(cè)均設(shè)有大樓梯通往2層。2層四周一圈側(cè)廳標(biāo)高為5.800 m，外側(cè)為從1層升上來的幕墻結(jié)構(gòu)，內(nèi)部則是看臺結(jié)構(gòu)。為了支承2層的觀眾側(cè)廳和3層的休息平臺，從1層起設(shè)置斜柱，內(nèi)插型鋼。3層室外休息平臺與內(nèi)部看臺不相連。4層則是沿著場地一周設(shè)置的轉(zhuǎn)播室、燈光控制室等功能用房且環(huán)向連通。5層是支承屋頂鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的梁板結(jié)構(gòu)，柱頂標(biāo)高跟隨屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的變化而變化。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)

除鋼結(jié)構(gòu)屋蓋外，鋼結(jié)構(gòu)幕墻由于豎向跨度較大，建模計(jì)算時(shí)需同時(shí)考慮周圍一圈幕墻，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋主要是支承在下部混凝土框架柱上，見圖3；圖4所示的斜交網(wǎng)格幕墻根部支承在承臺地梁上；圖5所示的單層幕墻下端支承在3樓框架梁柱上，上端則與圖3中的屋蓋鋼結(jié)構(gòu)相連。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)沿造型幕墻方向最大懸挑約22 m。

圖3 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)和下部鋼筋混凝土柱

圖5 圍合金屬幕墻結(jié)構(gòu)

考慮屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，并最大程度滿足建筑專業(yè)造型要求，經(jīng)多方案比選，屋蓋采用雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系，厚度為4.5～5.7 m不等。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)及難點(diǎn)

3.1 彎扭斜交網(wǎng)格的網(wǎng)格劃分

彎扭斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屬于自由形態(tài)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的一種［1］，其構(gòu)件截面大多采用矩形管。彎扭矩形管構(gòu)件的4個(gè)表面及4條棱邊線在空間連續(xù)變化。為了對彎扭斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何建模，首先要在控制曲面上先建立一個(gè)斜交曲線網(wǎng)格作為彎扭斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)截面的定位軸線系統(tǒng)。Rhino軟件、CATIA軟件、自由曲面網(wǎng)格劃分專用軟件ZD-mesher等幾何造型軟件都具有較好的曲面、曲線的幾何操作功能，為設(shè)計(jì)人員提供所需的技術(shù)支持［2］。曲面上網(wǎng)格的最優(yōu)控制指標(biāo)是根據(jù)造型設(shè)計(jì)要求所確定，通常情況下，曲面上一個(gè)良好的造型網(wǎng)格應(yīng)該滿足以下幾個(gè)基本控制條件，即曲線的光滑性、網(wǎng)格的大小及夾角的均勻性、良好的漸進(jìn)性和對復(fù)雜曲面的適應(yīng)性、可參數(shù)化調(diào)整等。按最優(yōu)控制目標(biāo)設(shè)定的函數(shù)模型進(jìn)行迭代計(jì)算，根據(jù)目標(biāo)條件判斷直到滿足精度要求，最后給出網(wǎng)格圖形［3］。

本工程的斜交網(wǎng)格用邊長及夾角大小作為主要的優(yōu)化控制指標(biāo)迭代生成，中間的網(wǎng)格用曲線的光順性作為主要的優(yōu)化控制指標(biāo)迭代生成，下部的網(wǎng)格用邊長及夾角大小和曲線光順性共同作為優(yōu)化控制指標(biāo)迭代生成。通過多次網(wǎng)格的優(yōu)化劃分最終達(dá)到受力合理并滿足建筑師的要求。

3.2 彎扭斜交網(wǎng)格與屋頂網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)變形協(xié)調(diào)

本工程斜交網(wǎng)格幕墻結(jié)構(gòu)的下端直接與基礎(chǔ)梁相連，計(jì)算模型中為固定約束；上端與屋蓋網(wǎng)架對應(yīng)節(jié)點(diǎn)僅進(jìn)行法向變形耦合連接，環(huán)向和豎直等其他方向均各自獨(dú)立變形，計(jì)算模型中采用一根兩端鉸接的桿單元進(jìn)行模擬。后側(cè)金屬幕墻結(jié)構(gòu)的下端擱置在框架梁柱上，上端與屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的連接方式與斜交網(wǎng)格幕墻結(jié)構(gòu)相同。幕墻與屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的連接采用圖6所示的連接節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)僅法向變形耦合的要求［4］，能較好地滿足計(jì)算假定。

圖6 幕墻與屋蓋鋼結(jié)構(gòu)之間的連接節(jié)點(diǎn)

3.3 彎扭斜交網(wǎng)格在軟件中的計(jì)算及加工模擬

利用目前涵蓋機(jī)械產(chǎn)業(yè)場景的計(jì)算機(jī)輔助4C系統(tǒng)，對彎扭斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)從虛擬到現(xiàn)實(shí)的過程進(jìn)行模擬。采用CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)研究參數(shù)化設(shè)計(jì)中的幾何方法后，根據(jù)建筑的基本幾何控制系統(tǒng)，對彎扭斜交網(wǎng)格進(jìn)行CAD建模。本工程采用幾何造型軟件進(jìn)行參數(shù)化建模得到NURBS曲面、NURBS實(shí)體模型。銜接CAE計(jì)算機(jī)輔助工程軟件，利用Rhino模型中彎扭斜交網(wǎng)格的定位軸線（單線模型），將Rhino數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為CAD格式，導(dǎo)入鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件3D3S、MST等軟件，設(shè)定相關(guān)幾何、物理參數(shù)后，按單層網(wǎng)殼進(jìn)行力學(xué)分析。本工程還應(yīng)用CAPP計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)，借助于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和支撐環(huán)境，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算、邏輯判斷和推理等功能來制定零件機(jī)械加工工藝過程。對彎扭構(gòu)件中扭轉(zhuǎn)程度較小的構(gòu)件可以采用“數(shù)控—激光加熱—拉彎工藝”在矩形鋼管上直接加工。對彎扭構(gòu)件中扭轉(zhuǎn)程度大的構(gòu)件，則需要用彎扭板件焊接組成。利用計(jì)算機(jī)輔助制造CAM自動完成離散產(chǎn)品的加工、裝配、檢測和包裝等制造過程。CAD模型與CAM模型用相同的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行對接。最后將Rhino數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為CAD格式，導(dǎo)入鋼結(jié)構(gòu)出圖軟件Tekla，設(shè)定相關(guān)參數(shù)后，得到鋼結(jié)構(gòu)施工詳圖，或提取圖紙表達(dá)數(shù)據(jù)，通過自主編制的自動化數(shù)據(jù)處理和傳遞程序，傳遞給施工圖出圖軟件進(jìn)行深化出圖。

3.4 超限情況

本工程上部屋蓋鋼結(jié)構(gòu)不超限，內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、尺寸突變（立面收進(jìn)）、局部不規(guī)則（局部斜柱）等4項(xiàng)超限內(nèi)容。本工程乒乓球館屋蓋鋼結(jié)構(gòu)和幕墻共同受力，故需整體建模計(jì)算。建筑平面接近橢圓形，最大長度為127 m，短向約為122 m。乒乓球館的抗震性能目標(biāo)為多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震下的結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)分別達(dá)到1、3、4水準(zhǔn)，即性能目標(biāo)采用C級。

根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范規(guī)程對于建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的要求，針對本項(xiàng)目的不規(guī)則項(xiàng)，結(jié)合相關(guān)超限工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，主要采取如下針對性措施：

1）支承屋蓋和幕墻鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)體系，同時(shí)環(huán)向連通，具有較好的抗側(cè)剛度和抗扭剛度。出看臺支承屋蓋的柱子采用雙排柱框架，同時(shí)在中間設(shè)置夾層連梁；2）建立主體屋蓋鋼結(jié)構(gòu)和幕墻鋼結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算模型，分析互相之間的受力影響。采用屋蓋鋼結(jié)構(gòu)單獨(dú)模型、鋼結(jié)構(gòu)和內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)的整體模型分別計(jì)算，取不利計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)；3）屋蓋鋼結(jié)構(gòu)與下部支承柱，幕墻下端與混凝土、上端與鋼屋蓋，相互之間的連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與計(jì)算模型相符；4）進(jìn)行溫度作用計(jì)算時(shí)，最大升溫工況和最大降溫工況的溫度作用標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)氣候條件及屋蓋鋼結(jié)構(gòu)合攏溫度確定；5）從嚴(yán)控制屋蓋鋼結(jié)構(gòu)支座及其相連構(gòu)件的長細(xì)比和應(yīng)力比；6）嚴(yán)格控制支承屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的混凝土框架柱軸壓比；7）關(guān)鍵構(gòu)件滿足性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。

對于上部屋蓋鋼結(jié)構(gòu)、外圍幕墻鋼結(jié)構(gòu)和內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)同時(shí)建模計(jì)算的整體模型，分別用YJK和Midas Gen軟件進(jìn)行計(jì)算。另外，在YJK軟件中還建立了僅內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，在該模型中，上部屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的支座力按照柱頂反力施加。經(jīng)過計(jì)算分析，結(jié)果表明三種模型的周期、基底剪力及最大層間位移角的結(jié)果基本相近。

4 斜交網(wǎng)格的拼裝制作

本工程斜交網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)單元較少，對成型有特殊工藝要求，箱體的翼板更多呈現(xiàn)的是彎曲，腹板呈現(xiàn)的多為扭曲；主體管件焊縫、內(nèi)隔板焊縫要求為全熔透剖口焊，存在薄壁和小夾角構(gòu)造特點(diǎn)，施焊難度大；空間三維拼裝定位的方法需采用相對坐標(biāo)［5］。

典型網(wǎng)格單元的拼裝一般按照如下過程：

1）分片單元地面測量放線。現(xiàn)場分片網(wǎng)格拼裝前先將拼裝場地整平、硬化。根據(jù)分片網(wǎng)格的平面投影，放樣各網(wǎng)格桿件邊線位置。

2）拼裝胎架搭設(shè)。根據(jù)平面投影設(shè)立胎架模板，相貫線節(jié)點(diǎn)處采用工字鋼牛腿作為支撐，拼裝措施立柱牛腿上的水平度應(yīng)嚴(yán)格控制，其水平度不得大于1 mm，措施使用前應(yīng)提交驗(yàn)收合格方可使用。

3）主構(gòu)件安裝。首先吊裝分片單元兩側(cè)的主桿件，桿件安裝定位時(shí)必須嚴(yán)格要求對準(zhǔn)接口方向，須定準(zhǔn)平臺上的中心線以及中心線水平度，超差必須進(jìn)行調(diào)整，然后采取措施進(jìn)行臨時(shí)固定，防止弦桿轉(zhuǎn)動偏向。

4）次桿件嵌補(bǔ)安裝。主弦桿定位后，進(jìn)行中間次弦桿定位嵌補(bǔ)，嵌補(bǔ)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制與弦桿的組裝間隙和相對位置，定位組裝后，即采用連接夾板將構(gòu)件連接緊固，網(wǎng)格分塊拼裝完成，進(jìn)行整體焊接。

5 施工流程及施工方案

根據(jù)乒乓球館的工程特點(diǎn)以及現(xiàn)場實(shí)際條件，并借鑒以往類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮屋面網(wǎng)架施工，采用搭設(shè)臨時(shí)格構(gòu)支撐架，屋面網(wǎng)架分為15個(gè)吊裝單元塊在地面胎架上拼裝，采用400 t履帶吊站在外圍進(jìn)行吊裝；玻璃幕墻斜交網(wǎng)格矩形鋼管桿件的最大截面尺寸為350 mm×1200 mm×50 mm，其中大部分構(gòu)件為彎扭構(gòu)件，結(jié)構(gòu)分成若干個(gè)吊裝單元，在地面胎架上拼裝，400 t履帶吊站在外圍進(jìn)行吊裝。為了保證結(jié)構(gòu)施工安全，進(jìn)行了施工過程模擬的驗(yàn)算，分析結(jié)構(gòu)變形和桿件的應(yīng)力比，為安全施工提供數(shù)據(jù)參考。

6 結(jié) 語

本文主要介紹了2022年杭州亞運(yùn)會乒乓球比賽場館的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工的情況。通過對優(yōu)化控制目標(biāo)的設(shè)定進(jìn)行迭代計(jì)算，給出斜交網(wǎng)格的合理劃分。并設(shè)置鏈桿構(gòu)件將斜交網(wǎng)格上端與屋蓋網(wǎng)架對應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行僅法向變形耦合的連接，環(huán)向和豎直等其他方向均各自獨(dú)立變形，滿足節(jié)點(diǎn)變形協(xié)調(diào)的要求。采用4C系統(tǒng)進(jìn)行建模計(jì)算及后期加工的模擬。通過多款不同軟件對于上部屋蓋鋼結(jié)構(gòu)、外圍幕墻鋼結(jié)構(gòu)和內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)同時(shí)建模計(jì)算的整體模型進(jìn)行計(jì)算分析，得到基本接近的結(jié)果并進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。施工過程中采用相對坐標(biāo)下的空間三維拼裝定位法，屋頂網(wǎng)架及斜交網(wǎng)格均采用分塊吊裝的方式進(jìn)行施工安裝。