国家游泳中心结构设计.pdf

第3 6 卷增刊建筑结构 2 0 0 6 年6 月 国家游泳中心结构设计 傅学怡 顾磊 ( 中建国际( 深圳) 设计顾问有限公司体育事业部北京1 0 0 0 2 9 ) [ 提要]正在兴建的国家游泳中心“水立方”为2 0 0 8 年奥林匹克运动会的游泳、跳水、花样游泳、水球比 赛场地．赛后将继续提供重大水上比赛场地，同时为市民提供综合水上娱乐中心以及会议展览场地等国 家游泳中心屋盖和墙体采用了基于气泡理论的多面体空间刚架结构，为国内外首创其构成方式是将由多 面体细胞填充的巨大空间进行旋转和切割从而得到建筑的外轮廓和内部使用空间，切割产生的内外表面杆 件和内外表面之问保留的多而体棱线便形成了结构这种新型空问结构的受力特性介于网架和空腹阿槊之 间，结构设计面临着许多新课题介绍了国家游泳中心结构设计中的关键技术问题，包括多面体空问刚架 结构的几何构成与设计优化、风涸试验、结构总装整体分析、静力弹塑性分析( p u s h o v e ra n a l y s i s ) 、动力弹 塑性时程分析、节点设计与试验研究、钢管杆端加强设计、于结构试验等 【关■词】多面体空间刚架整体分析p u s h o v e r 节点设计 D e s i g no f N a t i o n a l A q u a t i c C e n t e r ／F u X u e y i ．G uL e i ( C h i n aC o n s t r u c t i o n ( S h e n z h e n ) D e s i g n I n t e r n a t i o n a lS p o r t s D i v i s i o n ，B e r i n g1 0 0 0 2 9 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：U n d e rc o n s t r u c t i o nn o w 。

B e r i n gO l y m p i cN a t i o n a lS w i m m i n gC e n t e r ( N S C ，a l s oc a l l e dW a t e r ·C u b e ) w i l l b et h e2 0 0 8O l y m p i cG a m e sv e n u ef o rs w i m m i n g ，d i v i n g ，s y n e h r o n i s e ds w i m n d n ga n dw a t e rp o l oe v e n t s ．A f t e rt h e G a m e s ，nw i l lc o n t i n u a l l yp r o v i d e1 8 增e s c a l em u l t i f u n c t i o n a la q u a t i cs p o r t sc e n t r ea n dr e c r e a t i o n ，s p o n sa n df i t n e s s s e r v i c e sf o r t h ep u b l i c ．A ／l e wp o l y h e d r o ns p a c es t e e lf r a m es t r u e t u r ew a ss u c c e s s f u l l yc r e a t e da n da d o p t e di nN S C ．T h e a c t u a lg e o m e t r yi sc r e a t i n ga na r r a yo fo p t i m i z e dW e a i r eP h e l a nf o a mt h a ti sm u c hb i g g e rt h a nt h eb u i l d i n g ，r o t a t i n gt h e a r r a ya b o u ta na x i s ，a n dt h e nt r i m m i n gt h ef o a mt h a tf a l l se i t h e ro u t s i d et h eb u i l d i n ge n v e l o p eo rw i t h i nt h eo c c u p i e d s p a c e s ．T h er e s u l t i n gs t r u c t u r ef o r m st h er o o fa n dw a l l so ft h eb u i l d i n g ．T h es t r u c t u r a lb e h a v i o ro ft h i sn e wt y p es p a c e s t n l c t u r ei sb e t w e e ns p a c et r u s sa n dv i e r e n d e e lt r a s s ．T h i sn o ws t r u c t u r ep r e s e n t sm a n yq u e s t i o n sd u r i n gs t r u c t u r a ld e — s i g n i n g ．T h es t r u c t u r a lk e yt e e h n o f o g yi si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gg e o m e t r yf o r m i n ga n dd e s i g no p t i m i z i n g ，l o a d sa n a l y — z i n ga n dc h o o s i n g ，w i n dt u n n e lt e s t ，i n t e g r a t e da n a l y z i n go f t h ew h o f os t r u c t u r e ，p u s h o v e ra n a l y z i n g ，p l a s t i ct i m e —h i s — t o r ya n a l y z i n g ，j o i n t sd e s i g n i n ga n dt e s t i n g ．c o v e r —p l a t ed e s i g n ，s u b 。

s t r u c t u r et e s t ． K e y w o r d s ：p o l y h e d r o ns p a c ef r a m e ；i n t e g r a t e ds t r u c t u r ea n a l y s i s ；p u s h o v e r ；j o i n td e s i g n 1 工程概况 国家游泳中心位于奥林匹克大道的西侧，占地 6 ．2 9 5 公顷，在国家主体育场以西约2 0 0 m 由中建 总公司牵头、联合中建国际( 深圳) 设计顾问有限 公司、澳大利亚P T w 建筑师事务所和悉尼A R U P 工 程顾问有限公司组成的设计联合体提交的“水立 方”方案在国际竞赛中胜出成为国家游泳中心的实 施方案水立方”建筑造型体现了与国家体育场 ( “鸟巢”) 的和谐共生，这一由设计联合体创意研 究致计实施的摹仿水泡组合形式的全新结构形式， 具有高度重复性又呈现出一种随机无序的总体感 觉，屋面和墙体内外统一采用E T F E 充气枕覆盖， 整体建筑形态简洁纯朴而又富于变化( 图1 ) 水 立方”的长宽高为1 7 7 m ×1 7 7 m ×3 1 m ，建筑总面积8 万m 2 ( 赛时) ，1 0 万m 2 ( 赛后) ，赛时座位1 70 0 0 座， 1 —4 4 图l“永立方”室内外效果圈 赛后永久座位60 0 0 座。

国家游泳中心将提供2 0 0 8 年奥林匹克运动会的游泳、跳水、花样游泳、水球 比赛场地赛后，将继续提供重大水上比赛场地， 同时为市民提供综合水上娱乐中心以及会议展览场 地等 2 多面体空间刚架结构的几何构成与设计优化 2 ．1 气泡理论 “水立方”多面体空间刚架结构几何构成的理论 基础是“气泡理论”( f o a mp h y s i c s ) 十九世纪末期， L o r dK e l v i n 提出了如下问题：“如果我们将三维空间 细分为若干个小部分，每个部分体积相等但要保证接 触表面积最小，这些细小的部分应该是什么形状? ” 1 9 9 3 年，爱尔兰教授W e a i r e 和P h e l a n 提出了一种解 决方案( 图2 ) ，构造模型中采用两种不同的单元体， 一种为1 4 面体，另一个为1 2 面体到目前为止， W e a i r e —P h e l a n 多面体组合仍被认为是K e l v i n 阅题的 最理想的解答 a ) I ：I f l i 律( b ) } 凹面体f c ) 蔫赤自i ( d ) 阵列 图2W e a i r e —P h e l a n 多面体组合 2 ．2 结构的生成 “水立方”结构几何形体的基本模型是基于优化改 良的多面体组合建立起来的。

实际的几何形体是这样 形成的：首先生成一个比“水立方”建筑大的改良的 多面体阵列，再把这个阵列围绕( 0 ，0 ，O ) 一( 1 ， 1 ，1 ) 矢量轴旋转6 0 在多面体阵列中切出 1 7 6 ．5 3 8 9 mx1 7 6 ．5 3 8 9 m ×2 9 ．3 7 8 9 m 立方体的建筑外形， 然后在立方体内挖去比赛厅、热身厅、嬉水厅等内部 使用空问，这样便切出了屋盖和墙体的结构多面体 单元在两个切割平匿上切出的边线就分别构成7 廛盖 结构的．t 弦、下弦杆件和墙体结构内外表面弦杆，两 个切割平面之间的多面体棱边便为结构的腹杆 2 ．3 设计优化 在应力优化设计过程中，墙体和屋盖杆件的应力 水平分剐采用了不同的控静』标准，墙体杆件的应力水 平控制在钢材设计强度的0 ．7 5 ，屋盖杆件的应力水 平则控制在钢材设计强度的0 ．9 如此处理相对增大了 墙体的刚度，抗震设计中容易实现“强墙弱盖”综 舍钢结构规范和抗震规范的要求，本工程圆管的外径 r 曲混凝土计算模型 与壁厚之比均控制在5 0 以下，矩形管的板件宽厚比 均控制在3 0 以下，杆件截面优化选用紧凑截面，新 型多面体空间刚架结构的受力特点之一就是杆件两端 弯矩大，弯曲应力远大于轴向应力，因此选用紧凑截 面可充分发挥截面的塑性性能，考虑全截面塑性。

由 多面体构成的三堆空间切割生成的未经任何修改的 “纯净”结构，在屋盖和墙体相交的节点区域附加部 分腹杆，适当构成汇交力系，合理“杂交”使整体 结构受力均匀，是这一新型空间结构优化的另一重要 内容，在分析技巧上还运用r 铰接处理节点设计 中，采取了强节点、弱构件的优化构造 3 结构总装整体分新 工程计算分析经历了下部钢筋混凝土结构与上部 钢结构分别建模分析和上部钢结构与下部钢筋混凝土 结构总装整体分析两个阶段下部钢筋混凝土结构单 独分析中将上部钢结构静、活荷载、风荷载折算成均 布线荷载加在下部与钢结构连接的边界构件上上部 钢结构单独分析中，混凝土支承结构分别视为剐接、 铰接固定支座 混凝土结构单独分析的计算模型为大底盘多塔、 弹性楼板结构的第一周期0 ．3 9 s ，振型表现为x 向 整体平动，同时支承钢结构的平台框架局部攫荡结 构Y 向平动为主的振型周期为0 ．3 4 s ，同时叠加了X 向平动和扭转以及支承平台框架的局部震荡在结构 的振型中，支承平台框架的局部震荡非常丰富，支承 平台的最大水平位移角偏大( 1 ／8 0 0 ) 这是因为在 地震工况的计算中，计A 了上部钢结构的质量却丢掉 了其刚度，造成了混凝土支承平台结构的地震响应 ( 振型、位移、内力等。