鋼結(jié)構(gòu)案例分析(共19頁)

案例一：美國(měi ɡuó)亞特蘭大體育館 （佐治亞穹頂）

索穹頂(qiónɡ dǐnɡ)結(jié)構(gòu)

索穹頂(qiónɡ dǐnɡ)結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)80年代美國工程師蓋格

（Geiger）發(fā)展和推廣富勒（Fuller）張拉整體結(jié)構(gòu)思想后實(shí)現(xiàn)的

一種新型大跨結(jié)構(gòu)，是一種結(jié)構(gòu)效率極高的張力集成體系或全張力

體系。它采用高強(qiáng)鋼索作為主要受力構(gòu)件，配合使用軸心受壓桿

件，通過施加預(yù)應(yīng)力，巧妙地張拉成穹頂結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由徑向拉

索、環(huán)索、壓桿、內(nèi)拉環(huán)和外壓環(huán)組成，其平面可建成圓形、橢圓

形或其他形狀。整個(gè)結(jié)構(gòu)除少數(shù)幾根壓桿外都處于張力狀態(tài)，可充

分發(fā)揮鋼索的強(qiáng)度，這種結(jié)構(gòu)重量極輕，安裝方便，經(jīng)濟(jì)合理，具

有新穎的造型，被成功地應(yīng)用于一些大跨度和超大跨度的結(jié)構(gòu)。

1992年，美國工程師李維（）和對(duì)蓋格設(shè)計(jì)

的索穹頂結(jié)構(gòu)中索網(wǎng)平面內(nèi)剛度不足(bùzú)和易失穩(wěn)的特點(diǎn)進(jìn)行了

改進(jìn)，將輻射狀脊索改為聯(lián)方型，消除了結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的機(jī)構(gòu)，并

取消起穩(wěn)定作用的谷索，成功設(shè)計(jì)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(yùn)會(huì)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(lián)盟亞特蘭大大獵鷹隊(duì)的主場(chǎng)開放。該館因成為1996年

奧運(yùn)會(huì)主體育場(chǎng)館，是世界上最大的電纜支撐穹頂形體育館。

佐治亞穹頂，是目前(mùqián)世界上最大的索穹頂結(jié)構(gòu)，雙曲拋

物面型張拉整體索穹頂(qiónɡ dǐnɡ)結(jié)構(gòu)，由美國工程師列維等設(shè)

計(jì)，是1996年亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)主賽館的屋蓋結(jié)構(gòu)，其長軸為240

米，短軸為193米，為鉆石形狀，曾被評(píng)為全美最佳設(shè)計(jì)。整個(gè)結(jié)

構(gòu)由聯(lián)方型索網(wǎng)、三根環(huán)索、不連續(xù)撐桿及中央(zhōngyāng)桁架

組成。

佐治亞體育館的結(jié)構(gòu)是一個(gè)空間桁架，其底部弦桿由環(huán)形索代

替。這個(gè)屋頂為240m*193m的橢圓形，是同類索膜結(jié)構(gòu)中世界(shì

jiè)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(gè)屋頂由7.9m寬、1.5m厚的混凝土受壓環(huán)固定，共52根

支柱支撐著700m周長的混凝土受壓環(huán)，鋼焊接件被預(yù)埋進(jìn)受壓環(huán)

內(nèi)，以提供26個(gè)屋頂連接點(diǎn)。為了使屋頂?shù)臒崤蛎洸挥绊懴虏拷Y(jié)

構(gòu)，受壓環(huán)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(dòng)，并可將風(fēng)力和地震力均勻傳向基礎(chǔ)。

脊索及底部環(huán)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(huán)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(zhuǎn)。

外 景

膜頂施工(shī gōng)中俯瞰圖

亞特蘭大(yà tè lán dà)體育館（佐治亞穹頂）

Georgia Dome, Atlanta, Georgia

內(nèi) 景

亞特蘭大(yà tè lán dà)體育館（佐治亞穹頂）

Georgia Dome, Atlanta, Georgia

Levy體系(tǐxì)索穹頂與Geiger體系索穹頂?shù)膮^(qū)別與改進(jìn)：

對(duì)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(shè)置了中央

桁架(héngjià)以連接兩個(gè)半圓，上索網(wǎng)采用了三角形網(wǎng)格以適應(yīng)非

圓形的外形。

李維體系與蓋格體系的主要區(qū)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(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上僅有一根斜索相

連，脊索沿徑向布置，斜索、立柱與其相應(yīng)(xiāngyīng)的脊索構(gòu)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(nèi)，而是構(gòu)成立體桁架。每個(gè)立柱頂?shù)墓?jié)點(diǎn)上有兩根斜索與相鄰內(nèi)

環(huán)立柱底的節(jié)點(diǎn)相連，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有四根脊索，脊索網(wǎng)的平面投影維

四邊形或三角形。

索穹頂(qiónɡ dǐnɡ)結(jié)構(gòu)示意圖

The Sketch of “Cable Dome”

經(jīng)過三角劃分的Levy體系索穹頂(qiónɡ dǐnɡ)，雖然增加了結(jié)

構(gòu)的復(fù)雜性，并使結(jié)構(gòu)對(duì)制造和施工誤差較為敏感，但由于結(jié)構(gòu)構(gòu)

成立體桁架形式，消除了結(jié)構(gòu)存在的機(jī)構(gòu)，幾何穩(wěn)定性明顯提高，

從而提高了結(jié)構(gòu)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(shè)，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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)成中間大開口的形狀。李維體系可用于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)。

施工工藝要點(diǎn)(yàodiǎn)及難點(diǎn)：

索穹頂結(jié)構(gòu)的技術(shù)要點(diǎn)主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)計(jì)算、節(jié)點(diǎn)(jié diǎn)

設(shè)計(jì)與制作、施工張拉三個(gè)方面。索穹頂?shù)氖┕み^程復(fù)雜，結(jié)構(gòu)構(gòu)

件受力變化大，結(jié)構(gòu)非線性程度大，同時(shí)結(jié)構(gòu)的剛體位移很大。

索穹頂結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)施工方法不同，有其自己獨(dú)特的施工方

法和施工要求。首先，結(jié)構(gòu)在未施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力之前，剛度、穩(wěn)

定性、幾何形狀以及檢點(diǎn)坐標(biāo)都不能滿足設(shè)計(jì)要求，在施加預(yù)應(yīng)力

的過程中，結(jié)構(gòu)的形狀和拓?fù)涫侵鸩嚼鄯e形成的，且隨著結(jié)構(gòu)各桿

件剛度的變化，預(yù)應(yīng)力和形狀也在不斷的重新分布。其次結(jié)構(gòu)在成

形的過程中，結(jié)構(gòu)或部分(bù fen)結(jié)構(gòu)發(fā)生大位移、大變形，剛體

運(yùn)動(dòng)和彈性變形共存，而且相互耦合。除此之外，索是一種高強(qiáng)

度、低回彈材料，即使是索下料長度比較小的誤差也可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)

預(yù)應(yīng)力分布相當(dāng)大的誤差，結(jié)構(gòu)的剛度以及形狀都將隨之發(fā)生顯著

的改變。

基于上述(shàngshù)分析，索穹頂結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)主要包含

以下四個(gè)方面：結(jié)構(gòu)施工偏差及構(gòu)件尺寸精度控制、結(jié)構(gòu)安裝成形

方法、預(yù)應(yīng)力張拉次序和方法、施工過程檢測(cè)控制。

在本工程(gōngchéng)中，穹頂(qiónɡ dǐnɡ)安裝對(duì)施工(shī

gōng)公司來說是個(gè)不同尋常的挑戰(zhàn)：穹頂采用橢圓形設(shè)計(jì)，因此

要求連續(xù)彎曲，彎曲總長度最高可達(dá)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(yīng)用于穹頂環(huán)形設(shè)計(jì)的理想材

料，且無需花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行彎曲便可輕松安裝到整個(gè)橢圓形體育

館上。長達(dá)2萬5千多英尺的世德合金電纜環(huán)繞半英里長的穹頂一

周，上下達(dá)27層樓高。

案例(àn lì)二：北京工業(yè)大學(xué)體育館（弦支穹頂結(jié)構(gòu)）

弦支穹頂(qiónɡ dǐnɡ)結(jié)構(gòu)(jiégòu)

典型的弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系由上部單層網(wǎng)殼、下部的豎向撐桿、徑向

拉桿或者拉索和環(huán)向拉索組成，其中各環(huán)撐桿的上端與單層網(wǎng)殼對(duì)

應(yīng)的各環(huán)節(jié)點(diǎn)鉸接，撐桿下端(xià duān)由徑向拉索與單層網(wǎng)殼

的下一環(huán)節(jié)點(diǎn)連接，同一環(huán)的撐桿下端由環(huán)向拉索連接在一起，使

整個(gè)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)完整的體系，結(jié)構(gòu)的傳力路徑也比較明確。在正

常使用荷載作用下，內(nèi)力通過上端的單層網(wǎng)殼傳到下端的撐桿上，

再通過撐桿傳給索，索受力后，產(chǎn)生對(duì)支座的反向推力，使整個(gè)結(jié)

構(gòu)對(duì)下端約束環(huán)梁的橫向推力大大減小。與此同時(shí)，由于撐桿的作

用，大大減小了上部單層網(wǎng)殼各環(huán)節(jié)點(diǎn)的豎向位移和變形。

基本信息：

北京工業(yè)大學(xué)位于北京市朝陽區(qū)東南區(qū)，毗鄰東四環(huán)路，交通

便利。體育館位于北京工業(yè)大學(xué)東南區(qū)，總建筑面積約34383平方

米，賽時(shí)座席約15000個(gè)。體育館已于2007年9月30日竣工。

北京工業(yè)大學(xué)體育館平面(píngmiàn)示意圖

北京工業(yè)大學(xué)體育館是2008年奧運(yùn)會(huì)羽毛球、藝術(shù)體操比賽

館。建筑物平面設(shè)計(jì)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(dì shànɡ)4

層；熱身館地上1層，場(chǎng)館上部屋蓋為鋼結(jié)構(gòu)體系。±0.000相當(dāng)

于絕對(duì)標(biāo)高35.050m。

北京工業(yè)大學(xué)體育館還創(chuàng)造(chuàngzào)了世界建筑史上的一

個(gè)記錄——世界上跨度最大的預(yù)應(yīng)力弦支穹頂，最大跨度達(dá)93m。

北京工業(yè)大學(xué)破面示意圖

一、設(shè)計(jì)(shèjì)特點(diǎn)(tèdiǎn)

1、預(yù)應(yīng)力張弦穹頂(qiónɡ dǐnɡ)結(jié)構(gòu)

北京工業(yè)大學(xué)體育館上部是一個(gè)球冠頂面的單層網(wǎng)殼，由很多

鋼管組成，下部用鋼索撐起來，因?yàn)檎麄€(gè)場(chǎng)館的跨度有93米。在

羽毛球館單層網(wǎng)殼下面，使用高強(qiáng)度的鋼索進(jìn)行張拉將網(wǎng)殼支撐

住。在體育館穹頂結(jié)構(gòu)中，連接(liánjiē)五道環(huán)索的，是編織成

漁網(wǎng)般的鋼管。而在這編織結(jié)構(gòu)中，有102個(gè)萬向可伸縮節(jié)點(diǎn)。所

謂萬向可伸縮節(jié)點(diǎn)，就是將環(huán)索和“漁網(wǎng)”交叉點(diǎn)的“死扣”改成

“活扣”。

而“活扣”的作法，就是將固定節(jié)點(diǎn)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(guān)節(jié)。兩個(gè)

一套，受力性能更好，對(duì)建筑來講更安全。

2、精密巧妙的擋風(fēng)設(shè)計(jì)

北京工業(yè)大學(xué)體育館采用了觀眾席席下送風(fēng)的空調(diào)設(shè)計(jì)，也就

是看臺(tái)內(nèi)增設(shè)空調(diào)送風(fēng)管道，讓涼風(fēng)從觀眾的坐椅下面吹出來。每

兩個(gè)座位下面有三個(gè)直徑各13厘米的送風(fēng)口，整個(gè)體育館中，這

樣的送風(fēng)口共有9100多個(gè)。這樣將一個(gè)出風(fēng)口“分解”成了9100

多個(gè)出風(fēng)口，風(fēng)速當(dāng)然就比較小，另外，將出風(fēng)口設(shè)計(jì)在觀眾席

下，回風(fēng)口設(shè)計(jì)在兩層觀眾席之間，還可以避免渦旋氣流的產(chǎn)生，

不會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員比賽造成影響。

3、綠色(lǜ sè)環(huán)保理念

北京工業(yè)大學(xué)校園中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了雨水收集利用(lìyòng)，而體

育館的人行廣場(chǎng)采用彩色透水混凝土，部分燈具采用高效發(fā)光二極

管照明，體育館冬季采用地?zé)峁┡绞剑募静捎盟礋岜孟到y(tǒng)制

冷，這些都能夠達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。

同時(shí)，館內(nèi)具有完善的廢棄物處理系統(tǒng)。在體育館的兩個(gè)端頭

各設(shè)置一個(gè)垃圾處理間，卡車可以方便到達(dá)，便于垃圾的收集和轉(zhuǎn)

運(yùn)。在體育館的每個(gè)衛(wèi)生間旁邊斗設(shè)置有清潔設(shè)備(shèbèi)儲(chǔ)藏間

和清潔人員休息間，便于清潔人員的工作。

二、施工(shī gōng)技術(shù)特點(diǎn)

為貫徹三大理念中的“綠色奧運(yùn)”理念，體育館對(duì)建筑主體加

以節(jié)能規(guī)范化設(shè)計(jì)，提高維護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫、隔熱通風(fēng)性能，能縮短

能源系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，減少能耗。具體體現(xiàn)在以下措施：

1、嚴(yán)格控制體育館各部分的傳熱系數(shù)，非透明屋頂?shù)?/span>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

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(shè)置可調(diào)節(jié)(tiáojié)式的外

遮陽。

3、自然采光，窗地面積比嚴(yán)格控制在規(guī)范(guīfàn)的要求范圍

內(nèi)。

4、由于體育建筑本身的特點(diǎn)，有部分房間難以達(dá)到自然采光的

要求(yāoqiú)，本設(shè)計(jì)對(duì)其采用了一些強(qiáng)化和調(diào)控措施。

5、自然通風(fēng)，由于(yóuyú)體育館的功能特點(diǎn)，通風(fēng)的房間都

是單側(cè)自然通風(fēng)，所以通風(fēng)房間的進(jìn)深和層高比控制在2.5以內(nèi)。

6、本工程形狀復(fù)雜，弧線眾多，無標(biāo)準(zhǔn)間，標(biāo)高變化大。混凝

土結(jié)構(gòu)內(nèi)邊緣由半徑46.5m的圓形構(gòu)成，外緣是由多段圓弧曲線構(gòu)

成的近似橢圓的形狀。由于本工程結(jié)構(gòu)形狀特殊，曲線眾多，使得

平面位置控制、鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)三維空間位置控制成為測(cè)量放線工作中

的難點(diǎn)。施 工 圖

外 觀 圖

內(nèi) 部 圖

內(nèi)容摘要

（1）案例一：美國亞特蘭大體育館 （佐治亞穹頂）

索穹頂結(jié)構(gòu)

索穹頂結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)80年代美國工程師蓋格（Geiger）發(fā)展和推廣富

勒（Fuller）張拉整體結(jié)構(gòu)思想后實(shí)現(xiàn)的一種新型大跨結(jié)構(gòu)，是一種結(jié)

構(gòu)效率極高的張力集成體系或全張力體系

（2）案例一：美國亞特蘭大體育館 （佐治亞穹頂）

索穹頂結(jié)構(gòu)

索穹頂結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)80年代美國工程師蓋格（Geiger）發(fā)展和推廣富

勒（Fuller）張拉整體結(jié)構(gòu)思想后實(shí)現(xiàn)的一種新型大跨結(jié)構(gòu)，是一種結(jié)

構(gòu)效率極高的張力集成體系或全張力體系