文/阳小泉，刘国银，隋庆海，赵雪峥
西安体育中央为2021年第14届全国运动会的主场馆，由运动场（标段1）和体育馆+拍浮馆（标段2）组成，项目选址在西安国际港务区，位于西安市未来城市发展的东北向主轴上，占地约74.9万m2，地理位置优胜，交通便利。中国建筑东北设计研究院有限公司卖力标段2（体育馆+拍浮馆）的设计。项目于2017年7月中标，2018年10月主体构造封顶，2020年5月投入利用。
▲ 西安奥体中央整体方案效果图
1项目概况
西安奥体中央体育馆是一个综合体育馆，建筑面积10.8万m2，坐席数18000座，看台高度26.40m，建筑高度41.360m（钢构造上弦最高点中央线），无地下室，地上四层，底层的外圈尺寸168m，屋盖外围尺寸约204.6m，属甲级大型体育建筑，可以知足16种(篮球、手球、排球、体操、羽毛球、乒乓球、拳击、网球、室内足球、摔跤、室内曲棍球、剑术、柔道、桌球、举重、冰球等)以上的国际单项赛事的比赛哀求。
▲ 体育馆效果图
体育馆一层周圈支配有商业和设备用房及上商业屋面的台阶，其与体育馆一层设有环形车道。商业用房的屋面为体育馆的入口平台，平台与体育馆间通过部分连桥连接，用于体育馆的职员疏散。
▲ 体育馆首层平面图
▲ 体育馆剖面图
2建筑创作理念
设计灵感来源于唐代建筑的“屋脊”，力争利用当代的建筑手腕展现地域文化特色。主体由16个菱形锥体组合而成，气势宏伟、独具特色，表示了体育建筑的力量感。锥体凌厉的脊线、简洁明快、动感十足，唤起了人们对大唐盛世的影象，表示了西安传统建筑文化特色，是彰显和宣扬西安体育文化最好的载体。表皮以“三角形”为基本单元进行划分，渐变的三角形外窗通过有序的组合形成艺术化表皮肌理，与厚重的锥体形成虚实比拟，丰富了立面的层次。
▲ 项目完成效果图
3构造设计概况
体育馆看台采取框架-剪力墙构造，钢屋盖平面呈圆形，采取肋环型四角椎双层网壳构造，屋盖单跨最大跨度136.6m，为超限大跨度空间构造。
本工程设计利用年限50年，安全等级为一级，抗震设防种别为乙类。抗震设防烈度为8度（0.2g）。地基根本设计等级为甲级。基本风压w0=0.35kN/m2(50年)，地面粗糙度种别为B类，详细风荷载取值由风洞实验确定。
3.1 混凝土构造设计
混凝土构造紧张由看台和功能用房组成，外边缘呈圆形，底层混凝土构造外径约168m；内边缘为倒角矩形，尺寸约46mx75m，内部紧张轴网呈放射状。混凝土部分地上四层（局部五层），无地下室，混凝土环梁最高点为31.7m，其上为钢屋盖构造，看台最高点26.46m。混凝土构造三维模型下图所示：
▲ 混凝土部分构造模型及剖面图
3.2 钢屋盖设计
钢屋盖呈中央对称状，直径约204.6m，由两侧34m短跨和中部136.6m大跨组成，两侧34m短跨为折板造型，沿环向形成16个尖角。建筑整体构成如下图所示。钢屋盖中部136.6m跨屋盖采取肋环形双层网壳，网壳高度5.2m，径向网格间距5.0m，环向间距按柱网平分并随半径的减小进行合并；两侧34m跨屋盖采取三层肋环型网壳构造，顶层网格随建筑造型翻折，中间层抽掉部分腹杆以放置风机。
钢屋盖由位于看台最外圈的混凝土框架柱和外立面钢斜柱支承。支承屋盖框架柱顶设置混凝土环梁，能有效减少竖向荷载下的柱底弯矩和屋盖跨中挠度，同时构造的抗扭刚度和整体性显著增强。钢斜柱围合的折面为幕墙，斜柱顶底均为铰接，位于悬挑梁上的斜柱顶竖向开释（下图节点2中居中杆件），悬挑梁只承担幕墙荷载。
▲ 钢构造屋盖局部示意图
4构造设计重难点问题
4.1 极短工期下多方案并行设计
本项目于2017年7月设计中标，主体构造于2018年10月竣工，设计、施工总工期1年3个月，为达到预定的工期目标，项目设计与施工险些同时进行。由于项目的主要性，建筑方案一贯在进行多方案优化及比选，构造必须同步进行打算，以评估根本及混凝土构造的变革量，为此项目进行了大量的构造建模及打算剖析事情。为应对繁复的修正及调度事情，构造设计之初即确定采取成熟的构造体系及技能，即下部采取框架剪力墙构造，上部屋盖采取钢网架构造，以加快项目建造速率。
▲ 项目中标建筑方案及对应构造模型
▲ 优化方案一及对应构造模型
▲ 优化方案二及对应构造模型
▲ 终极建筑方案及构造模型
为提升全运会后的项目运营效率，业主方须要在屋盖中部预留较大的悬挂荷载：中部抖屏预留60t，场芯中部按照2.0kN/m2荷载预留，这些荷载均远超常规大跨屋盖的荷载需求，给构造设计带来了较大的寻衅，但由于构造设计初就确定采取网架构造，也为悬挂荷载预留带来了较大的便利。
4.2 预制净水混凝土看台板简化建模研究
本项目工期紧，且为了相应国家推广预制装置建筑的政策，斜向看台上方看台板均采取预制装置式看台板。看台板之间及看台板与现浇看台梁之间均由钢销连接。
▲ 预制看台板连接布局及现场效果
在预制看台板构造建模剖析时，如果按照看台板形状及实际连接布局建模，建模事情量大且海内一样平常软件较难准确仿照其受力；如果将预制看台板按照斜板建模，则显然浮夸了斜向看台部分的刚度，使得地震浸染下构件内力偏大。为此首先研究看台板的简化建模方法，以便提高设计效率，然后在整体模型中建立简化的看台板模型，以剖析预制看台板对整体构造的影响。
采取SAP2000软件剖析体育馆1层看台范例子构造。根据预制看台板建模方法的不同，共剖析了4组模型，每组模型中预制看台板建模方法如表1所示。
▲ 看台子构造简化三维模型
预制看台板对构造刚度的贡献紧张表示在水平荷载浸染下框架柱的剪力分配。为此剖析了两种工况：工况一为构造受垂直看台板方向荷载浸染；工况二为构造受平行看台板方向荷载浸染。紧张比较4组模型框架柱分担剪力的差别。构造受力简图及看台柱编号如下图所示。
▲ 构造受力简图及看台柱编号（垂直看台方向）
工况一、工况二浸染下，前3排看台柱及平台段分担的剪力如表2、表3所示。由表可知，在垂直看台板方向荷载浸染（工况一）下，看台柱分配剪力差别很小，故可以忽略预制看台板的刚度影响；在平行看台板方向荷载浸染（工况二）下，4组模型看台柱分配的剪力差别较大，与模型2（准确模型）比较，模型1（连续折板模型）建模相对繁芜，看台柱分配剪力与模型2差别在10%以内；模型3（开洞模型）建模大略，但由于忽略了预制看台板的刚度，使得斜向看台部分分配的地震浸染偏小，只有模型2的50%；模型4（刚度折减的斜板）不但建模方便，而且打算结果与模型2偏差在5%以内。故可采取模型4中刚度折减的斜板仿照预制看台板。
4.3 斜向看台对整体构造受力的影响
斜向看台对整体构造的影响紧张表示在两个方面：1）斜向看台低处为短柱，其刚度较大，分担的地震剪力较正常楼层柱多，在大震工况下，其可能先于长柱开裂后刚度降落，从而将一部分剪力转移给长柱；2）预制混凝土看台板对整体构造的影响。
▲ 施工过程中斜向看台
采取SAP2000软件剖析了三组整体模型，构造参数见表4，以比较当预制看台板采取开洞+等效荷载的建模办法（整体模型1）时，短柱刚度（整体模型2）和预制看台板刚度（整体模型3）对斜向看台框架内力的影响。整体模型3中预制看台板的建模方法采取上节模型4的看台板建模方法。
比较地震浸染下斜向看台柱的剪力，斜向看台柱根据高度分为2排，每排根据方向分为X向和Y向2组，统共分成4组，构件分组如下图所示。
▲ 框架柱分组示意
比较整体模型1和2，短柱刚度折减后，其分担的剪力约减少20%~30%，此部分剪力由本层的长柱及剪力墙分担，由于每层的长柱及剪力墙较多，故不考虑短柱刚度减小引起的其他构件的内力增大。
比较整体模型1和3，当地震浸染与预制看台板垂直时（如X向地震时， Y向看台柱剪力），与地震浸染方向垂直的看台柱的内力差异均在5%以内，可以忽略；当地震浸染与预制看台板平行时（如X向地震时， X向看台柱），考虑预制看台板刚度后，平行地震浸染方向的看台柱剪力将增大，个中第一排柱最大增大约23%，第二排柱最大增大约7%。由于预制看台板均沿环向铺设，此规律也可表示为：考虑预制看台板刚度后，斜向看台的框架柱径向剪力基本不变，环向剪力将增加。
通过以上剖析可知，只管预制看台板之间只采取钢销连接，刚度较弱，但如果忽略其对整体构造的影响即采取开洞+等效荷载的建模办法时，水平荷载浸染下其环向内力将偏小，构造将偏于不屈安。
4.4 超长环形看台的温度应力剖析
环形构造在温度浸染下因此圆心为不动点发生伸缩变形的，其温度浸染效应更靠近长度为其直径的矩形建筑，环形周长并非紧张成分。下文剖析环形构造与矩形构造温度浸染的差别。
剖析三组框架构造在温度浸染下的应力情形，模型参数如表5所示，三组模型的柱网均在10m×10m旁边，梁柱截面及板厚等其他参数均相同。降温工况下，环形构造最大拉应力发生在内圈（下图），矩形构造最大拉应力发生在中部，框架1、框架2和框架3对应的最大楼板拉应力分别为4.1MPa、9.9MPa和3.7MPa。
▲ 环形开洞建筑温度应力云图/ MPa
▲ 矩形构造温度浸染应力云图/ MPa
比较三组模型应力可知，环形建筑的最大温度应力是长度即是其周长的矩形建筑的0.41倍，只比长度为其直径的矩形建筑大9%。以是环形构造采取外圈直径长度来初步估计其温度浸染下的应力更合理。
西安奥体中央体育馆混凝土构造最大周长约530m，温度应力影响成分较多，全面剖析温度浸染下楼板的应力状态，考虑了三个成分：1）混凝土徐变；2）混凝土紧缩；3）根本刚度的影响。打算时，比较了两个打算模型，模型1基底完备嵌固；模型2为考虑根本水平刚度，其他成分两模型完备相同。降温浸染下，2层楼板温度应力如下图所示。由图可知：1）降温浸染下，由于外圈长度大于内圈，外圈向内圈紧缩变形受到内圈的约束，从而使得环向楼板受拉，径向受压；反之，升温时径向受拉，环向受压；2）考虑根本水平刚度，楼板应力比支座按完备嵌固模型减小20%旁边，由于温度应力水平整体较小，设计时不考虑根本的水平刚度对温度应力的有利浸染。
（a）X向（模型1）
（b）X向（模型2）
（c）Y向（模型1）
（d）Y向（模型2）
▲ 降温工况下2层楼板温度应力云图/MPa
▲ 项目施工过程照片
▲ 项目竣工照片
▲ 竣工图4
项目信息
项目类型：超大型体育馆
培植单位：西安国际港务区体育奇迹做事中央；
项目地点：陕西省西安市
总建筑面积：11.29万m2
设计韶光：2017.07-2018.06
项目状态：已投入利用
建筑方案及施工图设计：中国建筑东北设计研究院有限公司
建筑设计：任炳文 邵明东 李曙光
构造设计：隋庆海 刘国银 阳小泉 赵雪峥 王艳军 任宇航 孙典龙 曾祥新
作者简介：
隋庆海，1964年生，中国建筑东北设计研究院有限公司专业总工程师，辽宁省工程设计大师、广东省超限专家审查委员会专家,被中国建筑集团有限公司聘为中国建筑大师（勘察设计）。主持设计了深圳宝安国际机场B航站楼改扩建，郑州新郑国际机场T1航站楼改扩建，郑州新郑国际机场T2航站楼及交通中央（GTC）等大型交通类建筑；深圳大运中央体育馆，西安奥体中央体育馆和拍浮跳水馆等承担国际赛事的体育建筑；喷鼻香港中文大学（深圳）校区一期工程，中山大学（深圳）校区I标段等教诲建筑设计以及深圳北站汇隆商务中央、深圳前海信息枢纽等高层建筑，获詹天佑奖一项，行业及省部级奖多少项，出版《建筑钢构造设计疑难问题解析与工程案例程实践》专著，揭橥论文约二十篇，申请专利多项。
刘国银，1992年毕业于哈尔滨建筑工程学院工民建专业，教授级高等工程师、一级注册构造工程师，现任中国建筑东北设计研究院有限公司副总工程师。卖力完成深圳国际会展中央、张掖大剧院、深圳北站汇隆商务中央、西安奥体中央体育馆和拍浮馆、中山大学深圳校区、前湾信息枢纽大厦、深圳自然博物馆、深圳音乐学院等几十余项重大工程项目的构造设计，参编专著1部，揭橥论文十余篇。
阳小泉，2015年毕业于东南大学土木工程专业，现任中国建筑东北设计研究院有限公司深圳设计院主任工程师，参与设计了深圳自然博物馆、西安奥体中央体育馆和拍浮馆、深圳理工大学、珠海横琴总部大厦、深圳汇隆商务中央等重大工程项目构造设计，获行业及省部级奖十余项，参编专著1部，揭橥论文5篇。
赵雪峥，2002年毕业于西安建筑科技大学建筑工程专业，现任中国建筑东北设计研究院有限公司深圳设计院副总工程师，参与设计了郑州新郑国际机场航站楼改扩建工程、郑州新郑国际机场T2航站楼、郑州新郑国际机场二期培植项目综合交通换乘中央（GTC）、深圳天下大学生涯动会体育中央主体育馆、喷鼻香港中文大学（深圳）一期项目、西安奥体中央体育馆、深圳理工大学、深圳汇隆商务中央等重大工程项目构造设计，获行业及省部级奖二十余项，揭橥论文3篇。
任务编辑：李会珍
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