MIDAS GEN在空间结构建模中的应用——以广州天河体育中心全民健身综合场网球馆投标方案为例

周小军（广州市城市规划勘测设计研究院，广东　广州　510060）



MIDAS GEN在空间结构建模中的应用
——以广州天河体育中心全民健身综合场网球馆投标方案为例

周小军（广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州510060）

本文介绍了广州天河体育中心全民健身综合场网球馆投标方案的设计特点，着重介绍了场馆外壳三维空间结构的建模过程，总结出一些设计经验，对类似三维空间结构的设计有一定的借鉴作用。

MIDAS；空间异形结构；应用

1　工程简介

天河体育中心全民健身综合场工程位于广州市天河区天河体育中心内，总建筑面积（即单体建筑面积）为7508.63m2，其中地下室的建筑面积为1290m2。主要建设内容为综合运动场主体工程、网球场、室外工程以及其他附属工程，设观众席3500个（固定座椅2500个，临时看台座椅1000个）。综合运动场主体工程包括运动员活动区域（600m2），赛事管理及记者工作区（460m2），赛事运行区域（900m2），贵宾区（650m2），库房、卫生间、走道及其他区域（4707.93m2），看台（190.7m2）。该场馆将建成全民健身综合场，并承担广州女子网球公开赛的中心场地使用。

2　结构体系及特点

建筑师在构思方案过程中，以广州市花木棉为灵感，将网球场形体以花瓣形式展现（图1）。结构师在参与方案设计过程中，考虑将外部钢结构壳体与内部混凝土看台部分脱离，自成结构体系。花瓣形壳体在起着装饰作用同时，亦用作场馆围护及看台顶部遮挡，将建筑形态之美由力学的工程设计表达出来。本文主要对该花瓣形空间结构的建模计算进行探讨。

图1　建筑效果图

不同于传统结构的梁柱体系，本工程的花瓣形外壳体是由光滑圆润的异型曲面组成的空间结构。这些异型曲面是建筑师根据大自然中的奇景妙象所触发的灵感创造而成，无法用二维建筑图表达清楚，也往往无法应用数学函数公式赋形，必须要采用三维建筑模型等比例表达。

对于结构专业而言，理想的空间异型曲面是由光滑的空间弧面和弧线组成，最具效果的解决办法是采用贴合曲面的弧形钢管和弧面面板。然而空间异型曲面往往每一个点的曲率半径都不相同，无法用数学函数描述，这就使得建模计算及后续施工不具备可行性。为了解决这个问题，一般做法是将原生态的光滑曲面分解为经济合理的小平面，空间弧线则分解为相应折线。这样，光滑的初始曲面就转化成形状相近的空间网格，空间三维曲面模型转换成空间二维线条模型，从而为力学模型的建立确定了基础，也是后续施工的依据。

3　结构分析及设计

因本工程是空间异型结构，不具备传统意义上的“层”概念，故无法采用SATWE软件进行分析。而MIDAS/GEN在空间有限元建模分析方面有较大优势，所以本工程采用MIDAS/ GEN进行力学分析。

建筑专业常用Rhino做建筑曲面造型，在此基础上，结构专业亦可以充分与建筑专业对接，应用Rhino建立空间结构模型线框图，将Rhino的NURBE-样条B曲线单元等分结构单元，然后将所有曲线导出为直线，用于结构软件的辅助建模。

MIDAS有限元有限元分析模型如图2所示，钢构件采用考虑剪切变形影响的Timoshenko梁单元模拟：结构主体框架采用400×800×12方钢管，主体腹杆采用300×300×6方钢管，花瓣形构件之间的系杆140×5圆钢管；构件之间添加虚面，用于施加各种荷载。

图2　MIDAS有限元模型

工程结构的安全等级为一级，结构重要性系数为1.1。综合考虑结构的安全与经济，确定构件应力比的控制原则为：主要构件的应力比不大于0.85，次要构件的应力比不大于0.90。主要构件即指主体框架极其腹杆，其余均按次要构件考虑。

结构的动力特性（频率和振型）是进行地震反应分析的基础。在MIDAS软件中，提供了两种进行模态分析的方法：特征值向量法和多重Ritz向量法。采用特征值向量法可以精确获得结构的自振频率和振型，而多重Ritz向量法是基于荷载相关的Ritz向量近似求得结构的自振频率和振型。尽管前者是精确的，后者是近似的，但在振型分解反应谱分析中，由于计算结果受荷载分布形式的影响很大，此时若采用多重Ritz法求得的结果代替特征值向量法，可以大大提高振型分解反应谱法的收敛速度和计算精度。

由初步动力分析结果（图3）可知，本结构整体刚度较差，第1阶振动模态即为角部的局部振动，且结构质量参与系数合计为14.3%（X向平动）、11.9%（Y向平动），远未达到《建筑抗震设计规范》要求的90%。

经过与建筑师讨论方案，在结构角部增加腹杆，增强角部刚度，强迫结构薄弱部位转移；并增设环向桁架，增强结构整体性。调整后的有限元模型如图4。进行动力分析，第1、2阶振动模态振型如图5～6所示。程序输出结果表明X向平动质量参与系数合计91.1%，Y向平动质量参与系数合计93.5%；满足规范要求，方案可行。

4　结语

图3　第1阶振动模态

图4　调整后的有限元模型

图5　调整后模型第1阶振动模态

图6　调整后模型第2阶振动模态

广州天河体育中心全民健身综合场项目网球场钢结构外壳属于空间三维结构，不同于常规的结构形式。结构专业在建筑方案初期即已介入，给与建筑师合理的结构方案建议。本文简述了建筑模型向结构有限元模型的转化过程，对整体结构进行初步分析和设计，对建筑方案存在的问题采取了合理的解决措施，保证结构整体安全可靠，满足国家先行规范要求。

［1］建筑荷载设计规范（GB50009-2001）（2006年版），中国建筑工业出版社，2006.

［2］钢结构设计规范（GB50017-2003），中国建筑工业出版社，2003.

［3］建筑抗震设计规范（GB50011-2001）（2008年版），中国建筑工业出版社，2008.

所获荣誉及奖励：

2011年度广东省优秀工程勘察设计工程设计类三等奖；

2012年度广州市优秀工程勘察设计工程设计类三等奖；

2014年度广州市优秀工程勘察设计工程设计类二等奖；

2015年度广东省优秀工程勘察设计工程设计类三等奖。

周小军（1982-），男，国家一级注册结构工程师，硕士，主要从事建筑结构设计工作。

TU352.1+1

A

2095-2066（2016）11-0087-02

2016-3-8