鋼結構案例分析

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案例一：美國亞特蘭大體育館 （佐治亞穹頂）

索穹頂結構

索穹頂結構是20世紀80年代美國工程師蓋格（Geiger）發展和推廣

富勒（Fuller）張拉整體結構思想后實現的一種新型大跨結構，是一

種結構效率極高的張力集成體系或全張力體系。它采用高強鋼索作為

主要受力構件，配合使用軸心受壓桿件，通過施加預應力，巧妙地張

拉成穹頂結構。該結構由徑向拉索、環索、壓桿、內拉環和外壓環組

成，其平面可建成圓形、橢圓形或其他形狀。整個結構除少數幾根壓

桿外都處于張力狀態，可充分發揮鋼索的強度，這種結構重量極輕，

安裝方便，經濟合理，具有新穎的造型，被成功地應用于一些大跨度

和超大跨度的結構。

1992年，美國工程師李維（M.P.Levy）和對蓋格設計的索

穹頂結構中索網平面內剛度不足和易失穩的特點進行了改進，將輻射

狀脊索改為聯方型，消除了結構內部存在的機構，并取消起穩定作用

的谷索，成功設計了佐治亞穹頂（Georgia Dome）（1992年建成，橢

圓形平面，240.79m*192.02m），成為1996年亞特蘭大奧運會的主

體育館屋蓋，用鋼量不到30kg/m2。

佐治亞穹頂體育館位于亞特蘭大的中心地帶，1992年作為美國

橄欖球聯盟亞特蘭大大獵鷹隊的主場開放。該館因成為1996年奧運

會主體育場館，是世界上最大的電纜支撐穹頂形體育館。

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佐治亞穹頂，是目前世界上最大的索穹頂結構，雙曲拋物面型張

拉整體索穹頂結構，由美國工程師列維等設計，是1996年亞特蘭大

奧運會主賽館的屋蓋結構，其長軸為240米，短軸為193米，為鉆石

形狀，曾被評為全美最佳設計。整個結構由聯方型索網、三根環索、

不連續撐桿及中央桁架組成。

佐治亞體育館的結構是一個空間桁架，其底部弦桿由環形索代

替。這個屋頂為240m*193m的橢圓形，是同類索膜結構中世界上最大

的。它由涂有聚四氟乙烯的玻璃纖維膜覆蓋。屋面呈鉆石狀，看上去

象水晶一般。

整個屋頂由7.9m寬、1.5m厚的混凝土受壓環固定，共52根支

柱支撐著700m周長的混凝土受壓環，鋼焊接件被預埋進受壓環內，

以提供26個屋頂連接點。為了使屋頂的熱膨脹不影響下部結構，受

壓環座落在“特氟隆”承壓墊上。這樣，外力作用下承壓墊只能徑向

移動，并可將風力和地震力均勻傳向基礎。

脊索及底部環索上的連接件均為焊接件。這些接頭溝通過鋼板與

其他桿件連接。飛桿的底部與斜索和環索固定，飛桿的連接件做成鉸

接件，以使其易于安裝并在不均勻承重情況下允許接頭旋轉。

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外 景

膜頂施工中俯瞰圖

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亞特蘭大體育館（佐治亞穹頂）

Georgia Dome, Atlanta, Georgia

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內 景

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亞特蘭大體育館（佐治亞穹頂）

Georgia Dome, Atlanta, Georgia

Levy體系索穹頂與Geiger體系索穹頂的區別與改進：

對Geiger索穹頂輻射狀布置的脊索改為葵花型（三角化型）布

置，使屋面單元呈菱形的雙曲拋物面形狀，另外，中間設置了中央桁

架以連接兩個半圓，上索網采用了三角形網格以適應非圓形的外形。

李維體系與蓋格體系的主要區別在于脊索和斜索的布置。蓋格體系的

脊索、斜索和立柱均在同一平面內，每個節點上僅有一根斜索相連，

脊索沿徑向布置，斜索、立柱與其相應的脊索構成一豎向平面三角形；

李維體系的脊索、斜索和立柱不在同一平面內，而是構成立體桁架。

每個立柱頂的節點上有兩根斜索與相鄰內環立柱底的節點相連，每個

節點有四根脊索，脊索網的平面投影維四邊形或三角形。

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索穹頂結構示意圖

The Sketch of “Cable Dome”

經過三角劃分的Levy體系索穹頂，雖然增加了結構的復雜性，

并使結構對制造和施工誤差較為敏感，但由于結構構成立體桁架形

式，消除了結構存在的機構，幾何穩定性明顯提高，從而提高了結構

抵抗非均布荷載作用的能力。與Geiger體系索穹頂相比，Levy體系

索穹頂上部的薄膜更易于鋪設，屋面更易升高，并能更好地解決屋面

自由外排水問題。Levy體系索穹頂可適用于多種平面形式，所以說

Levy體系索穹頂是一種更具生命力的結構形式。除了已建成的圓形和

橢圓形（接近正方形或矩形）外，還可設計成中間大開口的形狀。李

維體系可用于大跨度屋蓋結構。

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施工工藝要點及難點：

索穹頂結構的技術要點主要表現在結構計算、節點設計與制作、

施工張拉三個方面。索穹頂的施工過程復雜，結構構件受力變化大，

結構非線性程度大，同時結構的剛體位移很大。

索穹頂結構與傳統結構施工方法不同，有其自己獨特的施工方法

和施工要求。首先，結構在未施加適當的預應力之前，剛度、穩定性、

幾何形狀以及檢點坐標都不能滿足設計要求，在施加預應力的過程

中，結構的形狀和拓撲是逐步累積形成的，且隨著結構各桿件剛度的

變化，預應力和形狀也在不斷的重新分布。其次結構在成形的過程中，

結構或部分結構發生大位移、大變形，剛體運動和彈性變形共存，而

且相互耦合。除此之外，索是一種高強度、低回彈材料，即使是索下

料長度比較小的誤差也可能導致結構預應力分布相當大的誤差，結構

的剛度以及形狀都將隨之發生顯著的改變。

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基于上述分析，索穹頂結構施工關鍵技術主要包含以下四個方

面：結構施工偏差及構件尺寸精度控制、結構安裝成形方法、預應力

張拉次序和方法、施工過程檢測控制。

在本工程中，穹頂安裝對施工公司來說是個不同尋常的挑戰：穹

頂采用橢圓形設計，因此要求連續彎曲，彎曲總長度最高可達到250

英尺。之前曾多次采用加鋁的單芯電力線纜，但采用世德合金鎧裝電

纜還是第一次。世德合金型鎧裝電纜重量輕、韌性好，是應用于穹頂

環形設計的理想材料，且無需花費大量時間進行彎曲便可輕松安裝到

整個橢圓形體育館上。長達2萬5千多英尺的世德合金電纜環繞半英

里長的穹頂一周，上下達27層樓高。

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案例二：北京工業大學體育館（弦支穹頂結構）

弦支穹頂結構

典型的弦支穹頂結構體系由上部單層網殼、下部的豎向撐桿、徑向拉

桿或者拉索和環向拉索組成，其中各環撐桿的上端與單層網殼對應的

各環節點鉸接，撐桿下端由徑向拉索與單層網殼的下一環節點連接，

同一環的撐桿下端由環向拉索連接在一起，使整個結構形成一個完整

的體系，結構的傳力路徑也比較明確。在正常使用荷載作用下，內力

通過上端的單層網殼傳到下端的撐桿上，再通過撐桿傳給索，索受力

后，產生對支座的反向推力，使整個結構對下端約束環梁的橫向推力

大大減小。與此同時，由于撐桿的作用，大大減小了上部單層網殼各

環節點的豎向位移和變形。

基本信息：

北京工業大學位于北京市朝陽區東南區，毗鄰東四環路，交通便

利。體育館位于北京工業大學東南區，總建筑面積約34383平方米，

賽時座席約15000個。體育館已于2007年9月30日竣工。

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北京工業大學體育館平面示意圖

北京工業大學體育館是2008年奧運會羽毛球、藝術體操比賽館。

建筑物平面設計為橢圓形，分為比賽館和熱身館兩部分，該工程總建

筑面積為24383m2。體育館局部地下1層，地上4層；熱身館地上1

層，場館上部屋蓋為鋼結構體系。±0.000相當于絕對標高35.050m。

北京工業大學體育館還創造了世界建筑史上的一個記錄——世

界上跨度最大的預應力弦支穹頂，最大跨度達93m。

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北京工業大學破面示意圖

一、設計特點

1、預應力張弦穹頂結構

北京工業大學體育館上部是一個球冠頂面的單層網殼，由很多鋼

管組成，下部用鋼索撐起來，因為整個場館的跨度有93米。在羽毛

球館單層網殼下面，使用高強度的鋼索進行張拉將網殼支撐住。在體

育館穹頂結構中，連接五道環索的，是編織成漁網般的鋼管。而在這

編織結構中，有102個萬向可伸縮節點。所謂萬向可伸縮節點，就是

將環索和“漁網”交叉點的“死扣”改成“活扣”。

而“活扣”的作法，就是將固定節點分成兩半，頂部固定的部分

開凹槽，而底部的一部分則做成半球狀，類似于人的關節。兩個一套，

受力性能更好，對建筑來講更安全。

2、精密巧妙的擋風設計

北京工業大學體育館采用了觀眾席席下送風的空調設計，也就是

看臺內增設空調送風管道，讓涼風從觀眾的坐椅下面吹出來。每兩個

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座位下面有三個直徑各13厘米的送風口，整個體育館中，這樣的送

風口共有9100多個。這樣將一個出風口“分解”成了9100多個出風

口，風速當然就比較小，另外，將出風口設計在觀眾席下，回風口設

計在兩層觀眾席之間，還可以避免渦旋氣流的產生，不會對運動員比

賽造成影響。

3、綠色環保理念

北京工業大學校園中已經實現了雨水收集利用，而體育館的人行

廣場采用彩色透水混凝土，部分燈具采用高效發光二極管照明，體育

館冬季采用地熱供暖方式，夏季采用水源熱泵系統制冷，這些都能夠

達到節能環保的效果。

同時，館內具有完善的廢棄物處理系統。在體育館的兩個端頭各

設置一個垃圾處理間，卡車可以方便到達，便于垃圾的收集和轉運。

在體育館的每個衛生間旁邊斗設置有清潔設備儲藏間和清潔人員休

息間，便于清潔人員的工作。

二、施工技術特點

為貫徹三大理念中的“綠色奧運”理念，體育館對建筑主體加以

節能規范化設計，提高維護結構的保溫、隔熱通風性能，能縮短能源

系統的運行時間，減少能耗。具體體現在以下措施：

1、嚴格控制體育館各部分的傳熱系數，非透明屋頂的K值控制在

0.7W/(m2·K)以下，透明非透明屋頂和玻璃幕墻的K值控制在

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2.0W/(m2·K) 2.0以下。外墻K值控制在0.8W/(m2·K)以下，窗戶

K值控制在2.5W/(m2·K) 以下。

2、在玻璃幕墻和大面積的窗戶上設置可調節式的外遮陽。

3、自然采光，窗地面積比嚴格控制在規范的要求范圍內。

4、由于體育建筑本身的特點，有部分房間難以達到自然采光的要

求，本設計對其采用了一些強化和調控措施。

5、自然通風，由于體育館的功能特點，通風的房間都是單側自然

通風，所以通風房間的進深和層高比控制在2.5以內。

6、本工程形狀復雜，弧線眾多，無標準間，標高變化大。混凝土

結構內邊緣由半徑46.5m的圓形構成，外緣是由多段圓弧曲線構成的

近似橢圓的形狀。由于本工程結構形狀特殊，曲線眾多，使得平面位

置控制、鋼結構節點三維空間位置控制成為測量放線工作中的難點。

施 工 圖

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外 觀 圖

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內 部 圖

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