运河亚运公园乒乓球馆设计及施工关键技术

谢忠良，徐 羿，龚 聪

（浙江省建筑设计研究院，浙江 杭州310006）

1 概 况

杭州运河亚运公园体育馆为一座多用途的体育馆，设计总座位数为5954座，其中4517座为固定坐席，属大型体育场馆，是2022年第19届亚运会的乒乓球比赛场馆。体育馆地上3层，地下1层，建筑离地最高处为35 m。乒乓球馆的设计灵感来源于良渚文化中玉琮的形态。利用玻璃、铜板（阳极氧化铝板）、不锈钢等材料的搭配，创造出一个轻盈、经典的建筑。见图1。

图1 乒乓球馆效果图

2 主要技术参数

本工程设计使用年限为50年，建筑结构安全等级一级，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值0.10 g，设计地震分组第一组，场地类别Ⅲ类，建筑抗震设防类别为重点设防类。本工程整体结构由外围护幕墙结构，内部混凝土框架结构，屋顶空间网格结构组成。钢结构主要由屋面和墙面两部分组成，其中屋面钢结构为正交正放四角锥双层网架，网架支座跨度约90 m，网架节点形式为“螺栓球+焊接球”混合节点；墙面钢结构主要分为入口门厅处的玻璃幕墙和另一侧的叠合金属幕墙。玻璃幕墙龙骨为弯扭斜交矩形钢管网格结构；叠合金属幕墙龙骨采用折线矩形钢管框架结构，连接节点为焊接刚性连接节点。内部结构为钢筋混凝土框架结构，在内外两圈空腔的墙体部位，根据柱坐标系按每10°各布置一个框架柱，内外圈框架柱之间以及环向框架柱之间布置混凝土梁板结构形成空间框架结构，见图2。

图2 乒乓球馆三维计算模型

2.1 内部混凝土结构

本工程为复杂的大型体育建筑，内部混凝土结构包括室外平台、观众看台和各功能用房。地下室顶板结构标高为-0.150 m，中间比赛场地范围结构标高为-0.200 m；东西两侧均设有大楼梯通往2层。2层四周一圈侧厅标高为5.800 m，外侧为从1层升上来的幕墙结构，内部则是看台结构。为了支承2层的观众侧厅和3层的休息平台，从1层起设置斜柱，内插型钢。3层室外休息平台与内部看台不相连。4层则是沿着场地一周设置的转播室、灯光控制室等功能用房且环向连通。5层是支承屋顶钢结构屋盖的梁板结构，柱顶标高跟随屋盖钢结构的变化而变化。

2.2 钢结构

除钢结构屋盖外，钢结构幕墙由于竖向跨度较大，建模计算时需同时考虑周围一圈幕墙，钢结构屋盖主要是支承在下部混凝土框架柱上，见图3；图4所示的斜交网格幕墙根部支承在承台地梁上；图5所示的单层幕墙下端支承在3楼框架梁柱上，上端则与图3中的屋盖钢结构相连。屋盖钢结构沿造型幕墙方向最大悬挑约22 m。

图3 屋盖钢结构和下部钢筋混凝土柱

图5 围合金属幕墙结构

考虑屋盖钢结构的经济性，并最大程度满足建筑专业造型要求，经多方案比选，屋盖采用双层网架结构体系，厚度为4.5～5.7 m不等。

3 设计要点及难点

3.1 弯扭斜交网格的网格划分

弯扭斜交网格结构属于自由形态空间网格结构中的一种［1］，其构件截面大多采用矩形管。弯扭矩形管构件的4个表面及4条棱边线在空间连续变化。为了对弯扭斜交网格结构进行几何建模，首先要在控制曲面上先建立一个斜交曲线网格作为弯扭斜交网格结构截面的定位轴线系统。Rhino软件、CATIA软件、自由曲面网格划分专用软件ZD-mesher等几何造型软件都具有较好的曲面、曲线的几何操作功能，为设计人员提供所需的技术支持［2］。曲面上网格的最优控制指标是根据造型设计要求所确定，通常情况下，曲面上一个良好的造型网格应该满足以下几个基本控制条件，即曲线的光滑性、网格的大小及夹角的均匀性、良好的渐进性和对复杂曲面的适应性、可参数化调整等。按最优控制目标设定的函数模型进行迭代计算，根据目标条件判断直到满足精度要求，最后给出网格图形［3］。

本工程的斜交网格用边长及夹角大小作为主要的优化控制指标迭代生成，中间的网格用曲线的光顺性作为主要的优化控制指标迭代生成，下部的网格用边长及夹角大小和曲线光顺性共同作为优化控制指标迭代生成。通过多次网格的优化划分最终达到受力合理并满足建筑师的要求。

3.2 弯扭斜交网格与屋顶网格结构的节点变形协调

本工程斜交网格幕墙结构的下端直接与基础梁相连，计算模型中为固定约束；上端与屋盖网架对应节点仅进行法向变形耦合连接，环向和竖直等其他方向均各自独立变形，计算模型中采用一根两端铰接的杆单元进行模拟。后侧金属幕墙结构的下端搁置在框架梁柱上，上端与屋盖钢结构的连接方式与斜交网格幕墙结构相同。幕墙与屋盖钢结构的连接采用图6所示的连接节点，以实现仅法向变形耦合的要求［4］，能较好地满足计算假定。

图6 幕墙与屋盖钢结构之间的连接节点

3.3 弯扭斜交网格在软件中的计算及加工模拟

利用目前涵盖机械产业场景的计算机辅助4C系统，对弯扭斜交网格结构从虚拟到现实的过程进行模拟。采用CAD计算机辅助设计研究参数化设计中的几何方法后，根据建筑的基本几何控制系统，对弯扭斜交网格进行CAD建模。本工程采用几何造型软件进行参数化建模得到NURBS曲面、NURBS实体模型。衔接CAE计算机辅助工程软件，利用Rhino模型中弯扭斜交网格的定位轴线（单线模型），将Rhino数据文件转换为CAD格式，导入钢结构设计软件3D3S、MST等软件，设定相关几何、物理参数后，按单层网壳进行力学分析。本工程还应用CAPP计算机辅助工艺设计，借助于计算机软硬件技术和支撑环境，利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等功能来制定零件机械加工工艺过程。对弯扭构件中扭转程度较小的构件可以采用“数控—激光加热—拉弯工艺”在矩形钢管上直接加工。对弯扭构件中扭转程度大的构件，则需要用弯扭板件焊接组成。利用计算机辅助制造CAM自动完成离散产品的加工、装配、检测和包装等制造过程。CAD模型与CAM模型用相同的数据格式进行对接。最后将Rhino数据文件转换为CAD格式，导入钢结构出图软件Tekla，设定相关参数后，得到钢结构施工详图，或提取图纸表达数据，通过自主编制的自动化数据处理和传递程序，传递给施工图出图软件进行深化出图。

3.4 超限情况

本工程上部屋盖钢结构不超限，内部混凝土结构存在扭转不规则、楼板不连续、尺寸突变（立面收进）、局部不规则（局部斜柱）等4项超限内容。本工程乒乓球馆屋盖钢结构和幕墙共同受力，故需整体建模计算。建筑平面接近椭圆形，最大长度为127 m，短向约为122 m。乒乓球馆的抗震性能目标为多遇地震、设防地震、罕遇地震下的结构抗震性能水准分别达到1、3、4水准，即性能目标采用C级。

根据国家相关规范规程对于建筑结构抗震设计的要求，针对本项目的不规则项，结合相关超限工程的设计经验，主要采取如下针对性措施：

1）支承屋盖和幕墙钢结构的内部混凝土结构采用框架结构体系，同时环向连通，具有较好的抗侧刚度和抗扭刚度。出看台支承屋盖的柱子采用双排柱框架，同时在中间设置夹层连梁；2）建立主体屋盖钢结构和幕墙钢结构的整体计算模型，分析互相之间的受力影响。采用屋盖钢结构单独模型、钢结构和内部混凝土结构的整体模型分别计算，取不利计算结果进行包络设计；3）屋盖钢结构与下部支承柱，幕墙下端与混凝土、上端与钢屋盖，相互之间的连接节点构造与计算模型相符；4）进行温度作用计算时，最大升温工况和最大降温工况的温度作用标准值，根据气候条件及屋盖钢结构合拢温度确定；5）从严控制屋盖钢结构支座及其相连构件的长细比和应力比；6）严格控制支承屋盖钢结构的混凝土框架柱轴压比；7）关键构件满足性能设计目标。

对于上部屋盖钢结构、外围幕墙钢结构和内部混凝土结构同时建模计算的整体模型，分别用YJK和Midas Gen软件进行计算。另外，在YJK软件中还建立了仅内部混凝土结构的计算模型，在该模型中，上部屋盖钢结构的支座力按照柱顶反力施加。经过计算分析，结果表明三种模型的周期、基底剪力及最大层间位移角的结果基本相近。

4 斜交网格的拼装制作

本工程斜交网格标准单元较少，对成型有特殊工艺要求，箱体的翼板更多呈现的是弯曲，腹板呈现的多为扭曲；主体管件焊缝、内隔板焊缝要求为全熔透剖口焊，存在薄壁和小夹角构造特点，施焊难度大；空间三维拼装定位的方法需采用相对坐标［5］。

典型网格单元的拼装一般按照如下过程：

1）分片单元地面测量放线。现场分片网格拼装前先将拼装场地整平、硬化。根据分片网格的平面投影，放样各网格杆件边线位置。

2）拼装胎架搭设。根据平面投影设立胎架模板，相贯线节点处采用工字钢牛腿作为支撑，拼装措施立柱牛腿上的水平度应严格控制，其水平度不得大于1 mm，措施使用前应提交验收合格方可使用。

3）主构件安装。首先吊装分片单元两侧的主杆件，杆件安装定位时必须严格要求对准接口方向，须定准平台上的中心线以及中心线水平度，超差必须进行调整，然后采取措施进行临时固定，防止弦杆转动偏向。

4）次杆件嵌补安装。主弦杆定位后，进行中间次弦杆定位嵌补，嵌补时应严格控制与弦杆的组装间隙和相对位置，定位组装后，即采用连接夹板将构件连接紧固，网格分块拼装完成，进行整体焊接。

5 施工流程及施工方案

根据乒乓球馆的工程特点以及现场实际条件，并借鉴以往类似工程施工经验，综合考虑屋面网架施工，采用搭设临时格构支撑架，屋面网架分为15个吊装单元块在地面胎架上拼装，采用400 t履带吊站在外围进行吊装；玻璃幕墙斜交网格矩形钢管杆件的最大截面尺寸为350 mm×1200 mm×50 mm，其中大部分构件为弯扭构件，结构分成若干个吊装单元，在地面胎架上拼装，400 t履带吊站在外围进行吊装。为了保证结构施工安全，进行了施工过程模拟的验算，分析结构变形和杆件的应力比，为安全施工提供数据参考。

6 结 语

本文主要介绍了2022年杭州亚运会乒乓球比赛场馆的钢结构设计及施工的情况。通过对优化控制目标的设定进行迭代计算，给出斜交网格的合理划分。并设置链杆构件将斜交网格上端与屋盖网架对应节点进行仅法向变形耦合的连接，环向和竖直等其他方向均各自独立变形，满足节点变形协调的要求。采用4C系统进行建模计算及后期加工的模拟。通过多款不同软件对于上部屋盖钢结构、外围幕墙钢结构和内部混凝土结构同时建模计算的整体模型进行计算分析，得到基本接近的结果并进行包络设计。施工过程中采用相对坐标下的空间三维拼装定位法，屋顶网架及斜交网格均采用分块吊装的方式进行施工安装。