让每一栋建筑成为庇护生命的“诺亚方舟”

■ 北京市建筑设计研究院有限公司九洲体育馆设计团队

10年前的5月13日，位于四川省绵阳市的九洲体育馆成为了“5·12”汶川特大地震受灾群众的临时安置场所，先后接纳了受灾群众10万余人次，仅2008年5月13日就接收来自北部及震中北川县近3万人，进出人数40万~50万。在随后万余次余震中，体育馆主体结构完好，在馆中避难的灾民毫发无损，九洲体育馆被誉为大地震中的“诺亚方舟”。

九洲体育馆由北京市建筑设计研究院有限公司（以下简称“北京建院”）设计，由北京建工集团施工，凝结了设计人员和建设者的智慧与汗水。笔者作为该工程的结构设计负责人，试对九洲体育馆的设计思路、设计体会进行总结、分析，以期为提升设计质量、提高建筑抗震性提供借鉴和参考。

设计背景

九洲体育馆面积约2.4万平方米，与奥运工程相比，规模很小，但因为是外地项目，所以按北京建院的质量管理规定确定为院级管理项目，由技委会讨论通过后确定结构方案。讨论绵阳九洲体育馆结构方案时，北京建院胡庆昌、程懋、柯长华、齐五辉四代总工程师（均为全国工程勘察设计大师）到会讨论、审查，并提出了宝贵的意见和建议。

图1 建筑效果图

九洲体育馆建筑屋面造型新颖独特，建筑师和甲方要求结构工程师依据中标方案的构思展现结构的力度美，须采用尽可能少的杆件以保证美观的结构形式。根据屋盖造型，采用四个落地拱架作为主要承重结构，拱架之间设置立体或平面桁架作为次要结构，配以支撑体系，形成完整的空间结构体系（图2）。其结构设计有以下难点：一是支座数量很少、支座间跨度大。二是荷载通过四个拱单向传力，空间作用不明显，如何保证体系的稳定性和完整性也是设计的难点。特别是建筑造型需要呈现两片树叶的效果，因此要求中拱之间的空间下凹，这对结构体系的稳定性更为不利（图3）。三是拱脚推力大，这是拱架基础设计的特点和难点。

同时，胡庆昌大师特别提醒并强调，该工程虽然面积不大，但是拱的跨度大（主拱跨度165米，是国内跨度最大的拱形体育馆）、中间支座少，设计难度较高，此类大跨拱结构一定要解决好大拱支座之间的大推力问题，最好的办法是在柱脚之间设置预应力拉杆，预先张拉，平衡掉巨大推力，我们招标的图纸就是采用了最直接也最稳妥的预应力拉杆方案，如图4所示。但后期因为建筑物东侧地下室需设置训练馆，若设置预应力混凝土拉杆会给建筑设计带来很大的困难；同时，施工工期很紧，预应力混凝土拉杆贯穿场地，会影响场地土回填，严重影响施工进度，因此只好放弃预应力拉杆方案。对此，胡庆昌大师建议，因为该项目拱架结构支座非常少，地震时支座随地基的变形有可能导致上部屋盖结构完全崩溃，要千万注意地震时的支座变形对结构的不利影响。原来采用的预应力拉杆不仅在静力状态下可以平衡拱脚推力，在地震时尤为重要。地震时预应力拉杆可约束支座的变形，使结构处于自平衡状态，即使地震时两侧地基有变形，结构也能处于安全状态。

当时四川震区普遍设防烈度偏低，绵阳地区设防烈度为6度，（汶川地震发生后，已作调整），而胡庆昌大师的提醒令设计团队惊醒，重新把抗震作为重中之重。同时，北京建院对此项目也非常重视，对这个只有2.4万平方米的项目提供了科研立项资助。

设计要点

设计标准

工程的结构设计基准期为50年，结构安全等级为一级，抗震设防烈度为6度，建筑抗震设防类别为乙类（因观众座位6050座），场地为II类。

结构体系和结构布置

屋顶结构由中拱、边拱、边拱和中拱之间的次桁架、中拱之间的次桁架以及支撑体系组成，尽量保证结构体系的完备性和整体性，体现在以下几方面：

1999年，Robert Greubel与Stephen Forsey开始携手研发新一代陀飞轮技术，务求提升机械表走时精确度。四年后，两人成立Greubel Forsey品牌，并推出首项创新时计30度双体陀飞轮(Double Tourbillon 30°)，清晰展示两位制表大师追求创新及优越性能的理想，引起表坛及腕表收藏界的骚动。 Robert Greubel与Stephen Forsey分别拥有近二十年研发复杂机械表的资历，传统制表工艺造诣深厚，两人在研发新一代高性能复杂时计技术的同时，亦不忘严守传动工艺美学精神。

（1）在三角形格构式拱架的构成上，每个面的杆件均布置为“米”字型，保证每个节点的空间几何稳定性；

（2）次桁架与中拱相连点在三个方向都有杆件支撑，保证次桁架联系部位能够可靠传力以及关键构件的稳定性和可靠性；

（3）设置比较完善的支撑体系，支撑体系由纵向支撑(桁架)、斜支撑、保证平面桁架下弦稳定的隅撑以及中拱与内部下凹桁架联系的支撑组成。特别是在中拱桁架之间因建筑造型需要下凹，这对空间体系的稳定性不利，为加强中拱之间的联系，在中拱与内部下凹桁架间布置了空间形式的支撑。屋盖结构各部分互相联系，相互支撑，形成稳定体系。

考虑突发、意外事件的防连续倒塌分析

虽然绵阳为6度区，但对于这类大型重要结构的设计，仍须考虑各种突发、意外情况下结构的安全性，做到结构关键部位出现意外时，不会出现连续垮塌。重点考虑以下两种工况：

（1）中拱或边拱的拱脚发生支座位移，对结构承载力的影响；

（2）边拱筒体上的支座由于混凝土的开裂、裂缝，造成其水平刚度退化或失效，变成仅竖向约束的支座，研究这种边界条件变化对结构承载力的影响。

以上两个方面的计算确保了在支座发生变化时，不会导致结构垮塌破坏。另一方面，也从概念上保证了在地震发生时，拱脚产生位移或混凝土筒体开裂、刚度退化造成的屋顶支座条件发生变化时，屋顶不会发生连续垮塌事故。

中拱和边拱拱脚支座基础设计

该工程空间拱架跨度大，支座间距离达165米。基础形式为重力式抗推基础（见图5、图6）。针对本工程支座少的情况，基础设计进行了多方面核算，留有一定的安全储备，确保万无一失。

基础设计进行了如下设计计算：（1）岩体承载力抗推、抗压验算；（2）对仅利用基底摩擦力来抵抗水平推力进行了验算，验算结果显示仅靠摩擦力也可抵抗水平推力；（3）为防止推力过大导致岩石面滑裂，采用圆弧滑动面法对岩体地基稳定性进行了验算。该工程对支座变形进行了观测。

结构用钢量

在支座数量很少、支座间跨度大的不利条件下，区分主次体系结构重要性，对不同的部位控制不同的应力比，经优化设计用钢量为1200吨，按罩棚面积折算单位面积用钢量92千克/平方米。采用Q345B钢材。

精心设计和优良的施工建造共同保证了九洲体育馆“大震不倒”。（图7）该项目设计荣获2007年第五届全国优秀结构设计二等奖、2008年全国优秀结构设计行业二等奖。施工荣获2006年钢结构协会“金钢奖”。

设计体会

（1）对于空间结构要从结构布置上保证体系的稳定性和完整性，并优化经济指标。应区分主次体系结构重要性，对不同的部位控制不同的应力比，以达到既安全又经济的效果。

（2）拱形结构的基础主要承担上部结构传来的推力，并且还须保证拱脚不产生侧移，是拱形结构设计成败的关键。应多方案比较，采取稳妥、可靠的方案。如拱脚基础无可靠保证，须增加验算拱在基础侧移下的内力和稳定。

（3）屋盖支座形式和约束的要求对空间结构受力的合理性、安全性和经济指标十分重要，应反复优化比较。对于支座数目少、支座反力大的大跨空间结构，基础设计中应具有一定的安全储备，以防止支座失效导致连续垮塌。

（4）对于经历地震作用的空间结构应对关键部位进行认真仔细检测，以避免关键部位出现损伤，以应对可能遭受的反复余震的考验。

图7 九洲体育馆成为汶川地震中的临时避难所

同时，作为结构工程师, 职业生涯始终要与地震“斗争”，此次项目设计实践更令笔者深感责任重大，对每一个工程都不可放松：

首先，对于每一栋建筑的抗震都需要高度重视。因为地震发生具有偶然性，因此对设防烈度低地区的建筑设计也不可忽视抗震问题，数十年来，很多6度地震区发生了较大的地震，甚至特大地震，例如1976年的唐山地震和2008年的汶川地震，唐山地震达到了10度~11度，汶川地震中很多地区也都大大超过了6度。

其次，严格管理勘察、设计和施工各个环节。严守土木工程的实施规程、严格把控建设过程的各个环节，是目前行业对付地震最为有效的武器。

九洲体育馆设计过程中的各个环节，由北京建院的四位大师、原总工程师把关，对关键环节预先把控，保证了设计的高质量完成，使建筑避免了大震破坏，九洲体育馆的“大震不倒”是北京院多年技术积淀、知识传递的成果，也是严守设计规程、严把质量关的成果。

除了九洲体育馆，很多规范设计、规范施工的建筑物也都表现良好，达到了规范的抗震目标。例如，中建西南设计院设计的200多所“普及九年义务教育”学校，其中不少是在强震区，在地震中无一倒塌。这也再次说明了严格管理建设过程各个环节是建筑物“大震不倒”的保证。

汶川地震造成的巨大破坏以及人员伤亡引发了业内的广泛反思。建筑废墟可以在短时间重建，城市面貌可以焕然一新，但地震造成的惨重人员伤亡是不可逆转的，幸存者的心灵创伤是短时间难以修复的。愿业内同仁勇担责任，以专业、负责、高质量的设计守护每一个家庭的幸福、每一座城市的安全，把每一栋建筑建成大地震中的“诺亚方舟”。（本文由周笋执笔）