国家体育场大跨度结构设计中的关键技术.pdf

第3 6 卷增刊建筑结构 2 0 0 6 年6 月 国家体育场大跨度结构设计中的关键技术 范重 ( 中国建筑设计研究院北京1 0 0 0 4 4 ) [ 提要] 国家体育场是北京2 0 0 8 年北京奥运会的主体育场，承担第2 9 届奥运会开、闭幕式与⋯径比赛，其 大跨度“鸟巢”的结构设计与优化工作受到广泛关注由于国家体育场大跨度结构特殊的重要性与巨大的 复杂性，在设计中采用大量的新技术、新材料、新工艺，进行了许多技术创新，在保证结构安全性与耐久性 的同时，对结构体系、构件与节点构造等进行了卓有成效的优化，取得了良好的综台技术经济效果对在 设计中采用的戈键技术进行简要介绍 [ 关键词]大跨度结构薄壁箱形构件复杂节点高强钢材设计与优化计算长度稳定性风振系数 温度场罕遇地震火灾危险性舒适性施工模拟试验研究安全监测预应力技术 K e yT e c h n i q l i e So fL a r g e - s p a nS t r u c t u r eD e s i g nf o rB e l l i n gN a t i o n a lS t a d i u m ／F a nZ h o n g ( C h i n aA r c h i t e c t u r e D e s i g n ＆R e s e a r c hG r o u p ，B e r i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：A st h em a i nv e n u ef o rB e r i n g2 0 0 8O l y m p i cG a m e s ，t h eN a t i o n a lS t a d i u mw i l l h o s tt h eG a m e s ’o p e n i n g a n dc l o s i n gc e r e m o n yB 8w e l la st r a c ka n df i e l de v e n t s ．I t sl a r g e 。

s p a n “b i r d ’8n e s t ”s t r u c t u r ed e s i g na n do p t i m i z a t i o n h a sa t t r a c t e dw i d ea t t e n t i o n ．D u et ot h ep a r t i c u l a rs i g n i f i c a n c ea n dc o m p l e x i t yo ft h el a r g e ’s p a ns t r u c t u r ef o rN a t i o n a l S t a d i u m ，m a n yn e wt e c h n i q u e s n e wm a t e r i a l sa n dn e wp r o c e s s e s8 I eb e i n ge m p l o y e di nt h ed e s i g na n dp l e n t yo f t e c h - n i c a li n n o v a t i o n sa r eb e i n gm a d e ．W h i l ee n s u r i n gs a f e t ya n dd u r a b i l i t yo ft h es t r u c t u r e ，e f f e c t i v em e a s u I t sa r et a k e nt o o p t i m i z et h es t r u c t u r a ls y s t e m ．t h ee l e m e n t sa n dt b ec o n n e c t i o nd e t a i l s ，a c h i e v i n gc o m b i n e dt e c h n i c a la n de c o n o m i cr e _ s u i t ．T h i sp a p e rg a v eab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ek e yt e c h n i q u e se m p l o y e di nt h ed e s i g n ． K e y w o r d s ：l a r g e ‘s p a ns t r u c t u r e ；i n - w a l lb o xs e c t i o n s ；c o m p l i c a t e dc o n n e c t i o n s ；h i g h 。

s t r e n g t hs t e e l ；d e s i g na n d o p t i m i z a t i o n ；e f f e c t i v el e n g t h is t a b i l i t y io e h ' i e i e n to fw i n di n d u c e dv i b r a t i o n ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；r a r ee a r t h q u a k e s ； f i r er i s k ；c o m f o r t a b i l i t y ；c o n s t r u c t i o ns i m u l a t i o n ；t e a ta n dr e s e a r c h ；s a f e t ym o n i t o r i n g ；p m t r e s s e d 1 概况 国家体育场位于北京市成府路南侧，奥林匹克公 园中心区内，是2 0 0 8 年北京第2 9 届奥运会的主体育 场，承担奥运会开、闭幕式与田径比赛国家体育场 建筑顶面呈鞍形，长轴为3 3 2 ．3 r a ，短轴为2 9 6 ．4 m ， 最高点高度为6 8 ．5 m ，最低点高度为4 01 m ，固定座 席可容纳8 万人，活动座席可容纳11 万人，总建筑 面积约为2 5 ．8 万m 2 。

建筑的设计使用年限为1 0 0 年， 抗震设防烈度8 度，抗震设防分类乙类，其“鸟巢” 结构将成为北京市的重要标志性建筑瑞士赫尔佐格 德梅隆设计公司、中国建筑1 敬计研究院与奥雅纳工程 顾问公司组成的没计联合体承担国家体育场设计 工作 国家体育场结构基础采用后压浆钢筋混凝土钻孔 灌注桩基础，持力层承载力为卵石、圆砾层桩径为 8 0 0 m m 与10 0 0 m m 两种，桩长3 1 —3 6 m ，单桩承载力 单桩承载力72 0 0 ～1 09 0 0 k N ，承台高度4 ．0 —6 ．0 m ， 最大沉降量约为3 0 m 国家体育场太跨度屋盖支撑在 1 - 3 4 2 4 根桁架柱之上，柱距为3 8 ，0 m 大跨度屋盖中间开 洞长度为1 8 53 m ，宽度为1 2 7 ．5 m 大跨度屋盖结构 采用交叉平面桁架体系，由于主桁架与内环相切，其 中一些主桁架在平面外微弯，2 4 根桁架柱与主桁架 + 立面次结构共同形成抗侧力体系由于国家体育场 大跨度钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件， 交叉布置的主结构与屋面及立面的次结构一起形成了 “鸟巢”的特殊建筑造型主场看台部分采用钢筋混 凝土框架一剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全 脱开。

国家体育场大跨度结构是目前世界上跨度最大的 体育建筑之一，造型非常独特，构件尺寸巨大，存在 大量空问扭曲构件，很多方面均超过现有技术规范的 涵盖范围，其设计、加工制作及安装的复杂性前所未 有，具有极大的挑战性在设计中大量采用新技术、 新材料、新工艺，进行了许多研究工作与技术创新， 填补了多项国内宰自，很多成果达到国际先进水平 国家体育场太跨度结构如图1 所示 ( a ) 鸟巢夜景( b ) 主结构布置 图1国家体育场大跨度结构 国家体育场的修改初步设计工作已于2 0 0 4 年1 1 月2 2 日通过，北京市2 0 0 8 工程建设指挥部办公室主 持召开的初步设计审查会原初步设计巾钢结构部分 以奥雅纳为主，中国建筑设计研究院作为协助方在 修改初步设计t p ，中国建筑设计研究院负责结构建 模、主要计算分析、初步设计报告编制及全部初步设 汁图纸国家体育场钢结构施工图设计于2 0 0 5 年4 月3 0 目完成．由中国建筑设计研究院独立完成设计 上作，并通过了北京审建筑设计研究院的施工图审 查在国家体育场大跨度结构初步设计与其后的施工 图设计中，大量采用新技术、新材料、新工艺，进行 了许多技术创新，其中的主要关键技术如下： 1 ) 彳E 国内建筑行业首次采用C A T I A 软件，成功 的解决了复杂空间结构、扭曲构件与特殊节点的建模 问题；2 ) 大量采用隔产高强、高性能钢材；3 ) 首 次提出下风振系数的概念与计算方法，采用时域法与 频域法计算风振系数；4 ) 在A N S Y S 软件平台上开发 了大跨度结构设计与优化功能；5 ) 采用动力弹塑性 法与静力弹塑性法进行罕遇地震分析；6 ) 大跨度结 构火灾危险性分析；7 ) 提出合理确定方管桁架构件 计算长度方法；8 ) 结构整体稳定性分析；9 ) 提出 大跨度结构温度场计算的方法，合理确定钢结构在太 阳辐射作用下的温升值与合拢温度；t o ) 大跨度结构 建造过程模拟计算；1 1 ) 提出焊接薄壁箱形构件的设 计方法并运用于屋盖主结构与次结构构件设计；1 2 ) 加肋焊接薄壁箱形构件应用研究；1 3 ) 提出空间扭曲 构件设计方法，完成扭曲构件单向拉伸、纯弯与柱顶 桁架试验研究；1 4 ) 提出扭曲构件的空间坐标表示法 并用于施工图设计；1 5 ) 提出箱形截面桁架单K 节 点与双弦杆双K 节点的设计方法，完成主桁架节点有 限元分析与试验研究；1 6 ) 提出桁架柱复杂节点的设 计方法，完成桁架柱节点有限元分析与试验研究； 1 7 ) 首次采用大型多面体铸钢节点；1 8 ) 建立异型柱 脚成套设计方法，完成柱脚锚固性能试验研究；1 9 ) 通过局部模型分析．对立面大楼梯舒适性与人流拥塞 时的安全性进行研究；2 0 ) 提出重钢结构长效防腐的 底漆、面漆太阳反射吸收系数等性能指标；2 1 ) 施工 过程结构安全监测研究；2 2 ) 屋盖结构采用预应力技 术可行性研究。

2 首次采用C A T I A 软件对复杂空间结构建模 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 用了航李、汽车制造工业得到应用的三维建模C A T I A 软件，以解决复杂建筑的空间建模问题 国家体育场屋盖结构坐标原点位于体育场中心， 椭圆的长轴与短轴分别为3 1 3 m 和2 6 6 m ，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1 9 0 ．3 4 4 m 与1 2 4 ．1 0 3 m 从平而椭圆的 2 4 个等分点做直线与屋盖内环相切，得到4 8 榀交叉 布置主结构的平面定位轴线 顶面次结构与立而次结构均位于屋盖结构的外表 面屋盖次结构的布置尽量做到疏密均匀，形成“鸟 巢”的建筑美学效果 C A T l A 软件功能强大，对使用的要求很高，建模 工作由建筑师与结构工程师共同完成这是C A T l A 软件首次在我国建筑工程中应用成功地解决了复杂空 闻结掏、扭曲构件与特殊节点建模问题 3采用国产优质高强、高性能钢板 在国家体育场结构设计中，为了有效地控制成 本，缩短订赁周期，全部采用国产钢材。

对于厚钢板 选用了国产Q 3 4 5 G J 钢材Y B 4 1 0 4 —2 0 0 0 是在非等效 采用H 本J I S G 3 1 3。