某球场膜结构建筑的总体设计

某球场膜结构建筑的总体设计

近期，深圳远信膜结构公司刚刚完成了某球场膜结构建筑的施工，下面就谈谈其总体设计过程。该球场膜结构建筑的顶棚设计为异形空间网格钢结构，主叶骨与所有次叶骨均参与受力而形成很好的空间整体，充分发挥所有杆件的贡献；边榀主钢管内灌混凝土，形成配重抵消部分负风压。并通过正确理解结构的空间几何构造，大胆将桅杆立于摇摆柱之上并铰接连接，简化了球场膜结构的构成，改善了建筑外观。具体设计如下：

一、异形空间网格钢结构设计

球场膜结构的顶棚方案来自于“棕榈叶”骨架的交叉拼合，在探讨这一建筑外表骨架与结构受力骨架之间的逻辑关系时，考虑了仅主叶骨受力，主叶骨与少量次叶骨受力，主、次叶骨全部受力等3种方案，球场膜结构设计方案中未参与受力的次叶骨则考虑采用小直径圆铝管，以减轻自重。通过分析对比，发现若仅考虑外围主叶骨参与受力，则其管径很大，既不美观也不合理；若考虑主叶骨与少量次叶骨受力，则管径仍偏大，且次叶骨大小不一显得凌乱，还是不理想；而所有主次叶骨受力，则可形成良好的空间整体，充分发挥所有杆件的贡献，可以使球场膜结构的建筑效果达到最佳。

经上述对比，球场膜结构的顶棚结构择优选定全部叶骨共同参与受力的方案，形成异形曲折拱面的单层网格空间结构。主管为φ402×10～16，次管为φ245×8～12、φ325×12，主、次管之间采用刚接。边跨最大悬挑部分为7.5m，其主管靠端部1、3跨度处设拉索，同时在主管跨中区段灌注自密实混凝土，形成配重以抵抗边跨悬挑端的负风压。

二、预应力拉索的设计

出于球场膜结构建筑的功能需要，在空间跨度和净空高度上都对顶棚钢结构提出了较高的要求。为了改善顶棚受力、实现其大跨度，在1、3跨度处对主管设置斜拉索（前索），上端与桅杆顶连接；桅杆顶背再设平衡索（背索），下端与支墩顶支座连接；桅杆、顶棚骨架和拉索共同形成一个“自平衡”体系。以尽量提高对主管跨中弯矩的改善程度为目标，通过大量的试算对比，并综合考虑球场膜结构建筑的美观、桅杆稳定等因素，确定前索的布置方式。

索体采用锌-5%铝-混合稀土合金镀层钢丝束，直径φ20、φ40。电算分析时，背索作为“主动索”、前索作为“被动索”，对背索施加预应力。在全面考虑了温差效应等各工况组合后，可以确保在10年一遇的负风压下，球场膜结构的每根桅杆均有3根不共面的拉索不出现松弛，使拉索与桅杆形成稳定体系。

三、桅杆和摇摆柱的关系

在球场膜结构设计方案的初期，我们停留在二维平面角度看待该处结构的几何构造，认为若桅杆立在摇摆柱之上，其结构立面就是一个几何可变体系，是“机构”，不稳定、不成立。因此，当时认为桅杆与摇摆柱应相互独立，分别与大地相连，这样的结构才稳定。

为了优化该处效果，我们深入研究了这部分子结构，从三维空间的角度来看待，经过拆分结构帮助理解，下半部是由摇摆柱与背部的2根主管组成，这几根不共面的杆件一端与大地相连、另一端交于一点，故构成了一个空间静定的三棱锥；而上半部则是由1根桅杆与若干根不共面的拉索组成稳定的空间结构。把上下两部分组合起来也就形成了稳定的结构，又或者可以理解为桅杆下端立在三棱锥顶部与立在大地上是等效的。于是我们就敢于把桅杆立在摇摆柱顶部、仅摇摆柱底端与大地相连。

四、圆拱柱的设计

客户对面向道路一侧的球场膜结构支撑体系的外观效果要求很高，故我们对该侧支撑柱方案进行了探讨与比选，认为：竖直柱偏于密集、呆板，且侧向稳定不足；W柱欠美观、与建筑风格不匹配、也不利于球场内外的联通；而圆拱柱相互交叠，有韵律的弧拱起伏外形，暗合了顶棚的拱面形态，且开阔的圆拱形成了视线透出窗口，也强化了球场内外的互通，同时纵向交叠的圆拱柱序列，在结构上也形成了良好的纵向抗侧力体系，因此最终为此球场膜结构建筑选定了圆拱柱方案。

五、结构分析与优化

球场膜结构主体结构采用3D3S11.0进行整体建模分析，考虑恒活荷载、风荷载、温度作用、地震作用的同时，也考虑膜的预拉力。分析过程中特别关注基本周期，主管次管的内力（主要是弯矩、剪力），圆拱柱的内力（弯矩、轴力），拉索的拉力（以及是否松弛），钢骨架的跨中竖向变形（向下、向上）等。另外，还进行了空间结构的整体稳定性分析，以恒+活基本组合作为变量，经弹性屈曲分析所得的整体稳定系数约为7.16（一阶，拱柱屈曲）、7.65（二阶，桅杆屈曲），可见球场膜结构的整体稳定性可以满足相关要求。

六、设计小结

此球场膜结构的设计方案有着“仿生”形体的先天优势，再经合理解构与适当优化，得到具有良好“形效”的空间结构。10.2 顶棚采用空间网格钢结构，主叶骨与所有次叶骨均参与受力，形成很好的空间整体，充分发挥所有杆件的贡献，没有一根多余的杆件；另外，在边榀主钢管内局部灌注混凝土，形成配重抵消部分负风压。另外， 通过正确理解结构的空间几何构造，大胆地将桅杆立于摇摆柱之上并铰接连接，简化了结构构成，改善了球场膜结构建筑的外观效果。