建筑结构丨世界上跨度最大的索网体育馆屋面场馆——国家速滑馆

它拥有世界上跨度最大的索网体育馆屋面——双向正交马鞍形索网屋面，南北向跨度达198米；

它拥有天坛曲线幕墙，造型复杂；

它是2022年北京冬奥会的标志性场馆；

它就是国家速滑馆。

项目概况

国家速滑馆项目位于北京市朝阳区林萃桥东南侧，其用地西侧为林萃路，东侧为奥林西路，北侧临近北五环路。

业主单位：北京国家速滑馆经营有限责任公司；

设计单位：北京市建筑设计研究院有限公司；

施工单位：北京城建集团有限责任公司

国家速滑馆建设位置示意图

国家速滑馆是2022年北京冬奥会的标志性场馆，冬奥会期间国家速滑馆将承担速度滑冰项目的比赛和训练；冬奥会后，该馆将成为能够举办滑冰、冰球等国际赛事及大众进行冰上活动的多功能场馆。

国家速滑馆效果图

本工程主要由主场馆及外围地下车库组成，其中地下主体结构东西长290m，南北宽235m，地上主体南北长约240m，东西宽约178m。本工程结构连为一体，不设永久结构缝。

主体结构空间模型

七大亮点

亮点一：集约冰场空间

建筑空间、索网结构和节能策略融为一体

亮点二：轻质索网结构

单层正交马鞍形索网屋面

亮点三：曲面幕墙工艺

超白、彩釉、夹层、中空、小半径弯曲、钢化，世界领先的玻璃生产加工工艺

集结构、遮阳、照明和建筑效果一体化设计的冰丝带

亮点四：高效热回收

亮点五：低反射节能顶棚

亮点六：建筑一体化

太阳能光伏电力系统

亮点七：智慧场馆

•实时数字场馆监控展示及控制平台：支持赛时、赛后场景转换，支持系统扩展，支持移动终端交互访问。

•BIM实时数字场馆运维管理系统。BIM模型对场馆内土建及机电系统全覆盖，支持移动端访问。

•室内定位导航系统：支持手机智能引导座位服务；支持大规模用户并发访问。

结构体系

抗震设防相关参数为：抗震设防烈度为8度（0.2g），建筑抗震设防类别为重点设防类（乙类），建筑场地类别为III类，设计地震分组为第二组，特征周期为0.55s。

地上主体结构采用现浇钢筋混凝土框架结构。

结构典型剖面

钢结构屋顶支承在48根看台斜柱上，斜柱倾斜角度约20°，柱顶设置混凝土环梁。

看台斜柱与屋顶环梁的三维布置图

由于功能需要，东西两侧主入口大厅处，看台斜柱间距约64m，斜柱尺寸为2000×3150，其余间距约9~11m。尺寸为1000×（2000~3000），由南北两极向中间逐渐加大。斜柱顶标高随马鞍形屋盖形状变化，最高柱顶标高为17.330m，位于主入口大厅两侧，最低柱顶标高为6.237m，位于南北两极。斜柱柱顶最大跨度南北向约214.5m，东西向约141.5m。

外围护幕墙结构上端固定于顶部的巨型环桁架上，下端固定于混凝土主体结构首层顶板外圈悬挑梁端。首层顶板从32根外围巨型柱挑出悬挑梁支承拉索幕墙，最大悬挑长度约5m，外围巨型柱截面尺寸约为900×3100。

钢结构体系

国家速滑馆主场馆地上部分建筑高度为17~32m，平面尺寸为178mX240m。地下室、看台及支承屋顶部分为混凝土结构，屋顶和周边幕墙为钢结构。

整体模型

钢结构由马鞍形索网、环桁架、斜拉索及幕墙网壳组成。环桁架通过球铰支座固定于混凝土框架柱顶，马鞍形索网支承于环桁架内侧弦杆，斜拉索支承于环桁架外侧弦杆，幕墙网壳附着于环桁架、斜拉索及下部混凝土挑梁边缘。

钢结构模型分解图

屋盖结构采用马鞍形单层双向正交索网结构，平面为椭圆形。

马鞍形索网示意图

屋面索网长轴（南北向）为稳定索，跨度198m，拱度7m；短轴（东西向）为承重索，跨度124m，垂度8.25m；网格平面投影间距4m，周边固定于巨型环桁架内侧弦杆，屋面拉索采用1570级高钒封闭索，稳定索采用直径74mm的平行双索，承重索采用直径64mm的平行双索。

环桁架采用立体桁架结构形式，东西向最大外轮廓尺寸为153m，南北向最大外轮廓尺寸为226m。环桁架下弦采用固定铰支座支承于混凝土劲性柱顶，东西向最大跨度为148m，南北向最大跨度为215m。

环桁架平面

环桁架模型试验现场图

环桁架最高点位于东西两侧，桁架中心线高度约10m，宽度约11.5m；环桁架最低点位于南北两侧，桁架中心线高度约5.2m，宽度约14m。环桁架东西中间部位为64m的大跨度区域，其他部位支座间距约11m。构件采用圆钢管，最大钢管规格为P1600×60，材质为Q460GJC。

斜拉索采用1570级高钒封闭索，索径为48，56mm两种。拉索上端拉接于环桁架中间弦杆处，下端拉接于混凝土悬挑梁边缘。东西两侧最高点区域拉索长约20.7m，与水平面夹角约64°，最低区域索长约7.3m，与水平面夹角约47°，索间距4m。

幕墙结构采用网格结构体系。幕墙网格分为内外两层，内层为幕墙钢结构的竖龙骨，外层为近似水平的圆管梁，两层构件通过牛腿刚接，间距640mm。网格竖龙骨上部两个支撑点与环桁架连接，中间2个反弯弯曲处与拉索铰接，下端与混凝土挑梁端部铰接；南北两侧无拉索区域，上部3~4个点固定在环桁架上，下部与混凝土连接；22道近似水平布置的横梁用于支承幕墙外侧直径350mm的玻璃管“丝带”，相邻横梁间距约2m。

幕墙网格示意图

基础设计

主场馆各柱荷载差异大，故看台区域采用桩筏基础。基础桩采用机械钻孔灌注桩，桩径1000mm，采用后压浆（侧压浆+端压浆）技术。

主场馆其余部位采用平板式筏型基础，板厚600mm，地基持力层为粉质黏土、黏质粉土③层。比赛场地FOP区域采用400mm厚抗水板，上覆400mm厚钢渣回填料，地基持力层为砂质粉土、黏质粉土②层。纯地下室范围采用平板式筏型基础，板厚600mm。采用天然地基，地基持力层为粉质黏土、黏质粉土③层。图5为结构基础平面布置。

结构基础布置平面

混凝土主体结构设计难点及超限加强措施

对于主体结构来说，存在如下超限情况：

1）扭转不规则-考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2，最大达到1.47；

2）楼板不连续-首层顶板开洞，有效宽度小于50%；

3）局部不规则-本工程支承屋盖的巨型柱均为斜柱。根据本工程的特点和难点，针对不同部位构件的重要性，采取相应的加强措施。

对于主体结构，采取如下加强措施：

1）针对本工程的超限情况，制定性能目标，如表1所示；

2）提高关键部位的抗震等级：支承钢结构屋盖的斜柱和柱顶梁抗震等级提高至特一级；3）关键构件和支座进行细部有限元分析；

4）对结构进行大震动力弹塑性时程分析，评估结构在罕遇地震下的性能；

4）采用传感器等监测手段，对结构进行施工及使用阶段的健康监测。

钢结构设计

形态分析

形态分析是索网结构设计中的首要工作，也是这类结构分析计算中的核心问题。通过寻找结构满足建筑要求的合理几何构形以及相应的初始预张力分布，可以建立满足平衡条件和具有稳定性的结构初始态，作为后续荷载态和施工过程分析计算的基础。

对于本项目索网形态分析，除了寻找屋面索网自身的合理形态及预应力，还需考虑环桁架和斜拉索形成的弹性边界对索网形态的影响。分析中主要遵从下列原则：

1）除索网自重外，形态分析时还考虑一定的初始恒荷载，荷载大小与屋面做法重量匹配；

2）仅对屋面索网进行形态分析时，其初始态和零状态的位形均与建筑几何一致，即索网在预应力、自重和初始恒荷载共同作用下不产生变形；

3）考虑弹性边界影响时，对索网边界及预应力进行修正，使此时的索网初始态位形和预应力分布与刚性边界条件保持一致。

在建筑师给定马鞍面最高和最低点标高条件下，通过索网形态优化分析，确定了屋顶马鞍面中点位置，使得环桁架水平变形最小，构件内力更均匀，达到最优的马鞍面形态。

马鞍面各控制点位置示意图

稳定分析

稳定性是钢结构工程一个突出且不可回避的问题，避免失稳破坏是钢结构设计中需要解决的重要难题。环桁架、屋面索网及斜拉索在施工过程及使用阶段的稳定性对整体结构的安全非常重要。

本项目施工阶段的稳定分析考虑环桁架的材料非线性和几何非线性，支座为滑动状态，初始态荷载为自重+预应力+屋面恒荷载。斜拉索被动张拉，在达到50%初始荷载时斜拉索开始逐渐张紧。

幕墙索张紧后，结构的刚度大幅增加，在达到2.5倍初始荷载值时，结构开始出现塑性变形，达到5.34倍时，结构计算不收敛。

施工过程承载力曲线

整体结构使用阶段的稳定性仅考虑活荷载的倍数，位移量为支座锁死后的环桁架变形增加量。最大稳定系数为18.2倍。

使用阶段承载力曲线

节点设计

环桁架主要采用相贯焊接的连接形式，拉索与环桁架之间通过耳板连接，屋面稳定索与承重索之间通过索夹连接。这些位置的节点构造复杂，且在整体结构中最为重要。设计中采用有限元方法进行分析，根据有限元分析的结果对加劲肋的位置、数量、板厚、形状等因素进行了细致的研究和优化。其中，环桁架相贯节点及支座节点主要采用多尺度分析的方式，

某支座处节点优化后的轴测图

拉索耳板节点和屋面索索夹节点按照拉索破断力设计，分析时考虑接触非线性、材料非线性和几何非线性。

拉索索夹几何模型

施工进程

施工过程研究

预应力结构的施工过程与索网成形形态及最终受力状态直接相关，因此结构设计时，必须考虑施工过程对结构的影响。

本项目支承钢结构的混凝土框架柱受到建筑使用功能限制，柱截面尺寸不能太大。施工过程释放环桁架支座的水平约束、支座设置为滑动状态，利用环桁架自平衡消化索网张拉及一部分恒荷载产生的水平力，以减小环桁架传递给混凝土柱顶水平力。

综合考虑混凝土框架柱的水平承载力和钢结构的经济性，通过控制支座在整个施工过程中的滑动、锁定状态，来调整环桁架与混凝土结构分担的水平力，使环桁架和混凝土结构可以同时发挥最大作用。

综合以上各因素，混凝土支承结构施工完成后，根据设计，钢结构主要施工环节如下：

1）环桁架安装，此时环桁架支座为滑动状态；

2）屋面索网组网、张拉；

3）索网区域配重吊装，配重的重量与屋面做法重量相同；

4）环桁架支座锁定；

5）屋面施工，同步等质量替换配重；

6）吊顶、马道及幕墙结构施工。

最新进展

现阶段处于混凝土结构收尾阶段，支撑环桁架的劲性混凝土框架柱施工已部分完工。目前同步进行的是环桁架拼装工作。

施工现场图

BIM应用

国家速滑馆项目设计阶段BIM的主要应用有：

1.三维可视化。为设计师提供更直观的全专业三维空间关系表达。

2.建模过程中对设计图纸进行查漏补缺、土建预留洞口的校准核查。

3.对机电专业管综路由进行优化排布，解决全专业碰撞问题。

建筑、结构专业整体模型

B2层建筑、结构专业模型

B1层建筑、结构专业模型

地上建筑、结构专业模型

结论

国家速滑馆是集大跨单层索网、巨型斜柱于一体的复杂结构。其钢结构由屋面马鞍形索网、巨型环桁架、斜拉索、幕墙网壳等体系组成，结构跨度大、体系复杂，设计难度大。通过采用“先分再合、先主要再全面、线性和非线性结合”的方式，进行结构分析和设计，可以全面考虑复杂结构关系和多耦合因素，提高结构的安全性、经济性，并节约设计周期。结构在施工过程和使用阶段均具有较高的承载力，满足结构安全要求。

内容来自北京市建筑设计研究院有限公司，《转自：建筑结构-公众号》2018年第20期（北京院专辑）将刊登《国家速滑馆钢结构设计》和《国家速滑馆主体结构设计》两篇文章，敬请关注！