謝忠良，徐 羿，龔 聰

（浙江省建筑設計研究院，浙江 杭州310006）

1 概 況

杭州運河亞運公園體育館為一座多用途的體育館，設計總座位數(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。乒乓球館的設計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 主要技術參數(shù)

本工程設計使用年限為50年，建筑結構安全等級一級，抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度值0.10 g，設計地震分組第一組，場地類別Ⅲ類，建筑抗震設防類別為重點設防類。本工程整體結構由外圍護幕墻結構，內(nèi)部混凝土框架結構，屋頂空間網(wǎng)格結構組成。鋼結構主要由屋面和墻面兩部分組成，其中屋面鋼結構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)點形式為“螺栓球+焊接球”混合節(jié)點；墻面鋼結構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)格結構；疊合金屬幕墻龍骨采用折線矩形鋼管框架結構，連接節(jié)點為焊接剛性連接節(jié)點。內(nèi)部結構為鋼筋混凝土框架結構，在內(nèi)外兩圈空腔的墻體部位，根據(jù)柱坐標系按每10°各布置一個框架柱，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構形成空間框架結構，見圖2。

圖2 乒乓球館三維計算模型

2.1 內(nèi)部混凝土結構

本工程為復雜的大型體育建筑，內(nèi)部混凝土結構包括室外平臺、觀眾看臺和各功能用房。地下室頂板結構標高為-0.150 m，中間比賽場地范圍結構標高為-0.200 m；東西兩側(cè)均設有大樓梯通往2層。2層四周一圈側(cè)廳標高為5.800 m，外側(cè)為從1層升上來的幕墻結構，內(nèi)部則是看臺結構。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層是支承屋頂鋼結構屋蓋的梁板結構，柱頂標高跟隨屋蓋鋼結構的變化而變化。

2.2 鋼結構

除鋼結構屋蓋外，鋼結構幕墻由于豎向跨度較大，建模計算時需同時考慮周圍一圈幕墻，鋼結構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中的屋蓋鋼結構相連。屋蓋鋼結構沿造型幕墻方向最大懸挑約22 m。

圖3 屋蓋鋼結構和下部鋼筋混凝土柱

圖5 圍合金屬幕墻結構

考慮屋蓋鋼結構的經(jīng)濟性，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)架結構體系，厚度為4.5～5.7 m不等。

3 設計要點及難點

3.1 彎扭斜交網(wǎng)格的網(wǎng)格劃分

彎扭斜交網(wǎng)格結構屬于自由形態(tài)空間網(wǎng)格結構中的一種［1］，其構件截面大多采用矩形管。彎扭矩形管構件的4個表面及4條棱邊線在空間連續(xù)變化。為了對彎扭斜交網(wǎng)格結構進行幾何建模，首先要在控制曲面上先建立一個斜交曲線網(wǎng)格作為彎扭斜交網(wǎng)格結構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，為設計人員提供所需的技術支持［2］。曲面上網(wǎng)格的最優(yōu)控制指標是根據(jù)造型設計要求所確定，通常情況下，曲面上一個良好的造型網(wǎng)格應該滿足以下幾個基本控制條件，即曲線的光滑性、網(wǎng)格的大小及夾角的均勻性、良好的漸進性和對復雜曲面的適應性、可參數(shù)化調(diào)整等。按最優(yōu)控制目標設定的函數(shù)模型進行迭代計算，根據(jù)目標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)化控制指標迭代生成。通過多次網(wǎng)格的優(yōu)化劃分最終達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)格結構的節(jié)點變形協(xié)調(diào)

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

圖6 幕墻與屋蓋鋼結構之間的連接節(jié)點

3.3 彎扭斜交網(wǎng)格在軟件中的計算及加工模擬

利用目前涵蓋機械產(chǎn)業(yè)場景的計算機輔助4C系統(tǒng)，對彎扭斜交網(wǎng)格結構從虛擬到現(xiàn)實的過程進行模擬。采用CAD計算機輔助設計研究參數(shù)化設計中的幾何方法后，根據(jù)建筑的基本幾何控制系統(tǒng)，對彎扭斜交網(wǎng)格進行CAD建模。本工程采用幾何造型軟件進行參數(shù)化建模得到NURBS曲面、NURBS實體模型。銜接CAE計算機輔助工程軟件，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，導入鋼結構設計軟件3D3S、MST等軟件，設定相關幾何、物理參數(shù)后，按單層網(wǎng)殼進行力學分析。本工程還應用CAPP計算機輔助工藝設計，借助于計算機軟硬件技術和支撐環(huán)境，利用計算機進行數(shù)值計算、邏輯判斷和推理等功能來制定零件機械加工工藝過程。對彎扭構件中扭轉(zhuǎn)程度較小的構件可以采用“數(shù)控—激光加熱—拉彎工藝”在矩形鋼管上直接加工。對彎扭構件中扭轉(zhuǎn)程度大的構件，則需要用彎扭板件焊接組成。利用計算機輔助制造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)格式進行對接。最后將Rhino數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為CAD格式，導入鋼結構出圖軟件Tekla，設定相關參數(shù)后，得到鋼結構施工詳圖，或提取圖紙表達數(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行深化出圖。

3.4 超限情況

本工程上部屋蓋鋼結構不超限，內(nèi)部混凝土結構存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、尺寸突變（立面收進）、局部不規(guī)則（局部斜柱）等4項超限內(nèi)容。本工程乒乓球館屋蓋鋼結構和幕墻共同受力，故需整體建模計算。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為多遇地震、設防地震、罕遇地震下的結構抗震性能水準分別達到1、3、4水準，即性能目標采用C級。

根據(jù)國家相關規(guī)范規(guī)程對于建筑結構抗震設計的要求，針對本項目的不規(guī)則項，結合相關超限工程的設計經(jīng)驗，主要采取如下針對性措施：

1）支承屋蓋和幕墻鋼結構的內(nèi)部混凝土結構采用框架結構體系，同時環(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，同時在中間設置夾層連梁；2）建立主體屋蓋鋼結構和幕墻鋼結構的整體計算模型，分析互相之間的受力影響。采用屋蓋鋼結構單獨模型、鋼結構和內(nèi)部混凝土結構的整體模型分別計算，取不利計算結果進行包絡設計；3）屋蓋鋼結構與下部支承柱，幕墻下端與混凝土、上端與鋼屋蓋，相互之間的連接節(jié)點構造與計算模型相符；4）進行溫度作用計算時，最大升溫工況和最大降溫工況的溫度作用標準值，根據(jù)氣候條件及屋蓋鋼結構合攏溫度確定；5）從嚴控制屋蓋鋼結構支座及其相連構件的長細比和應力比；6）嚴格控制支承屋蓋鋼結構的混凝土框架柱軸壓比；7）關鍵構件滿足性能設計目標。

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

4 斜交網(wǎng)格的拼裝制作

本工程斜交網(wǎng)格標準單元較少，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造特點，施焊難度大；空間三維拼裝定位的方法需采用相對坐標［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?，F(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。根據(jù)平面投影設立胎架模板，相貫線節(jié)點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嚴格控制，其水平度不得大于1 mm，措施使用前應提交驗收合格方可使用。

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

4）次桿件嵌補安裝。主弦桿定位后，進行中間次弦桿定位嵌補，嵌補時應嚴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件連接緊固，網(wǎng)格分塊拼裝完成，進行整體焊接。

5 施工流程及施工方案

根據(jù)乒乓球館的工程特點以及現(xiàn)場實際條件，并借鑒以往類似工程施工經(jīng)驗，綜合考慮屋面網(wǎng)架施工，采用搭設臨時格構支撐架，屋面網(wǎng)架分為15個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，其中大部分構件為彎扭構件，結構分成若干個吊裝單元，在地面胎架上拼裝，400 t履帶吊站在外圍進行吊裝。為了保證結構施工安全，進行了施工過程模擬的驗算，分析結構變形和桿件的應力比，為安全施工提供數(shù)據(jù)參考。

6 結 語

本文主要介紹了2022年杭州亞運會乒乓球比賽場館的鋼結構設計及施工的情況。通過對優(yōu)化控制目標的設定進行迭代計算，給出斜交網(wǎng)格的合理劃分。并設置鏈桿構件將斜交網(wǎng)格上端與屋蓋網(wǎng)架對應節(jié)點進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立變形，滿足節(jié)點變形協(xié)調(diào)的要求。采用4C系統(tǒng)進行建模計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構、外圍幕墻鋼結構和內(nèi)部混凝土結構同時建模計算的整體模型進行計算分析，得到基本接近的結果并進行包絡設計。施工過程中采用相對坐標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行施工安裝。