国家体育馆双向张弦空间网格结构设计覃 王阳 毅朱忠义陈金科冯阳柯长华许 薛慧立甘硕 明秦凯 周凯曾丽荣杜申瑞（北京市建筑设计研究院 北京 100045）摘 要:介绍了国家体育馆双向张弦空间网格结构的设计理念和设计方法如新型结构的布置、大跨度空间结 构防火计算、防连续倒塌分析、双向索预应力特性研究、沿短向带索累积滑移施工方法以及监测、试验情况 关键词:双向张弦空间网格结构 结构防火 防连续倒塌分析 带索累积滑移施工 健康监测1 工程概况 国家体育馆座落于奥林匹克公园中心区的南 部，是中心区最重要的建筑之一国家馆是第29 届奥林匹克运动会主要比赛场馆之一，奥运会及 残奥会期间主要进行体操（不包括艺术体操）、 蹦床、手球、轮椅篮球四个项目的比赛 国家体育馆是奥运中心区唯一的一座我国自 行设计、自行施工、全部采用国产建材建设的场 馆，也是亚洲目前最大的室内体育馆，整个工程 充分体现出中国特色设计中强调用成熟理性的 思维去塑造设计一个“经济，合理，美观”的奥 运场馆，将“科技奥运，绿色奥运，人文奥运” 的三大理念，实实在在落实在建筑中，同时设计 时注重充分考虑它的赛后运营模式，将实用性贯 穿融汇在建筑设计的各个方面。
国家体育馆建设用地南北长约335m，东西长 约207.5m，总用地面积6.87ha体育馆由主体建 筑和与之相连的热身馆以及室外环境组成，建筑 高度42.747m，建筑面积80890m2，室外绿化及道 路面积44000m2，总投资约8.5亿元体育馆屋顶 曲面近似扇形如行云流水般飘逸又富于动感，四 周竖向分部的钢骨架与大面积晶莹剔透的玻璃幕 墙相映衬，犹如一把张开的中国折扇，空间投影 为秦朝的刀形古币，彰显出中国文化的内涵，是 目前国内设施最完善的体育馆体育馆平面布置 见图1，建筑全貌见图2 国家体育馆地下一层，地上四层，其中地下一层为车库、人防及设备机房，首层为比赛馆、 热身馆和办公用房，二层、四层为观众看台和休 息大厅，三层为VIP包厢图1 总平面图图2 国家体育馆全景 工程外立面采用横向水平玻璃肋竖向吊杆结 构体系的中空low-e节能玻璃幕墙，具有保温、 隔热、防紫外线等效果，保证场馆内人员不受外 面气候影响，并充分利用自然采光，有效降低场 馆运营成本；钢屋盖双向跨度达114.5m×195.5m 呈南高北低的弧形曲线，最高点为43米，金属屋 面覆盖外壳由铝镁锰合金板和玻璃条形采光窗组注：《国家体育馆双向张弦空间网格结构设计》项目获第 三届欧维姆预应力技术奖一等奖6成的体系，符合防雨、抗风、降噪、保温、大雪 荷载和暴雨虹吸等众多的设计标准，满足了奥运 比赛的需要，又兼顾了多功能性演出的需要。
2 技术指标和创新特点 国家体育馆的比赛区域结构跨度为144.5m× 114m，在屋盖结构设计中首次提出并应用了“双 向张弦空间网格结构体系” 1）该体系即由正交正放桁架系组成的空间 网格结构通过桅杆与下层双向索网构成的一种新 型的空间结构体系，是刚性网格结构和柔性索结 构的合理组合，由于其利用空间网格结构代替传 统的梁，可以采用满应力方法对结构优化设计， 大幅度减小结构用钢量；该体系克服了单向张弦 结构钢索出平面外稳定性差的缺点，使结构空间 受力，整体刚度好，防连续倒塌能力强；其自平 衡体系的特点大大减少屋盖对下部结构的反力， 避免了柔性结构如索穹顶等对下部结构产生的巨 大压力；该结构具有较高的结构效率，经济技术 效益明显，代表着大跨度空间结构的发展方向 2）针对新型大跨度双向张弦空间网格结构 体系，目前国内外没有现成的、能够满足要求的 节点形式经过科研攻关和试验研究，课题组开 发了三种适用性强、安全可靠又极具推广价值新 型节点，获得了两项国家专利 3）在设计中首次对大型双向张弦结构进行 消防性能分析研究，通过进行结构抗火分析，从 理论上解决了大跨屋盖结构取消防火涂料的问 题，获得较好的经济效益。
4）首次在大型空间结构设计中应用防连续 倒塌分析，确保在发生意外事件时结构安全可 靠 5）对双向索的预应力特性进行了系统研 究，解决了先进结构体系的可实施问题，确保结 构成型，使施工支撑的‘卸载’自然形成 6）创新的提出了沿短向带索累积滑移施工 方法和在结构设计中考虑施工全过程的结构优化 设计方法，节约大量吊具和支撑架，安全、自动 地完成支撑“卸载”，屋架施工减短工期3个月 7）实施了支座两阶段固定方法和施工全过程监测措施 8）进行了国内最大规模的1∶10新型双向张 弦空间结构整体模型试验和新型球夹节点足尺抗 滑移试验，为设计和施工安装提供验证和技术参 数 9）开发完成了“国家体育馆双向张弦空间 结构远程健康监测系统”，首次在民用建筑中综 合应用远程监测技术，确保了对屋盖结构时时进 行着健康监测结构纵向结构见图3图3 结构纵剖断图 对于国家体育馆工程的半重型屋面系统，其 屋盖结构成功应用了国内外首创的新型双向张弦 空间网格结构体系、新型节点以及系列新技术， 创造了世界上跨度最大的双向张弦结构，单位面 积用钢量仅95kG/m2（含节点），类比同规模工 程节约用钢量近40%，节约工程费用2600万元， 取得了显著的经济效益，填补了国内外空白，向 世界展示了我国的建筑技术水平，充分体现了 “科技奥运”“绿色奥运”“人文奥运”的理念 和勤俭办奥运的精神。
3 详细技术内容 3.1 结构概况 国家体育馆根据建筑功能从空间上划分为两 个馆：即由比赛场地、看台、休息厅构成的比赛 馆和由热身场地及配套用房构成的热身馆比赛 馆平面轴线尺寸为114×144.5米，地下一层、地 上四层，其中二～四层含有看台；热身馆平面轴 线尺寸为51×63米，主要为一层空间，局部两 层各层层高分别为4.0、6.0、6.0、4.0、4.0米， 主要柱网尺寸为8.5×8.5m，另有8.5×12m、8.5 ×4.25m柱网 国家体育馆建筑采用下沉式设计，室内比赛 场地标高被确定为±0.000， 建筑物东、西、北侧 的下沉广场地坪标高为－0.150（相当于该场地自 然地坪下3.5米），南侧室外地坪标高为+5.850， 建筑物最高点约为43米（以±0.00计）7PRESTRESS TECHNOLOGY 第三届欧维姆预应力技术奖专题《 》2011年第2期总第85期体育馆的屋盖呈单向波浪形覆盖比赛馆与热 身馆，投影面积约为23700平方米，屋面标高约 为38～43～28米，其中比赛馆的外轮廓尺寸为123×172m，包括南端9.2m、北端9.8m、东西两 侧各4.5m的四周悬挑部分；训练馆的外轮廓尺寸 为57×63m，包括北端6.0m的悬挑部分。
国家体育馆下部主体结构采用钢筋混凝土框 架－抗震墙与型钢混凝土框架－钢支撑组合的结 构体系；屋盖采用大跨度双向张弦空间网格结 构，由设于体育馆外围的78根型钢混凝土柱支 撑；整个结构未设永久性结构缝 3.2 屋盖结构体系 屋盖表面由南北方向不同的柱面组合形成 热身馆区域为下凸的柱面，柱面半径为230m比 赛区域由三个上凸的柱面组成，中间63m即与热 身区域同宽部分的柱面半径为372m，并与热身区 域的柱面相切；东西两侧柱面半径为302m；中间 柱面与两侧柱面在最南端相交 虽然体育馆在功能上划分为比赛馆和热身馆 两部分，但屋盖结构在两个区域连成整体，即采 用正交正放的空间网架结构连续跨越比赛馆和热 身馆两个区域，形成一个连续跨结构空间网架 结构在南北方向的网格尺寸为8.5m、东西方向的 网格有两种尺寸，其中在J轴和K轴之间的网格尺 寸为12.0m，其它轴的网格尺寸为8.5m按照建 筑造型要求，网架结构厚度在1.518～3.973m之 间不包括悬挑结构在内，比赛馆的平面尺寸为 114m×144m，跨度较大，为减小结构用钢量、 增加结构刚度，充分发挥结构的空间受力性能， 在空间网架结构的下部还布置了双向正交正放的 钢索，钢索通过钢桅杆与其上部的网架结构相 连，形成双向张弦空间网格结构。
其中最长桅杆 的长度为9.237m，钢索形状根据桅杆高度通过圆 弧拟合确定在训练馆区域，不包括悬挑结构， 结构跨度为51m×63m，跨度较小，空间网架结 构的高度与跨度比较协调，不需要在空间网架下 部布置钢索 在网架结构的上弦平面内，除布置正交正放 的上弦杆件外，还布置了菱形支撑杆件菱形支撑的四个角点均位于上弦节间的中点，该点也是 网架斜腹杆的上弦点其中在比赛馆的四周边界 满布菱形支撑，在内部跳格布置菱形支撑；在热 身馆区域，仅在四周边界布置菱形支撑由于比 赛馆内的菱形支撑没有连续布置，为进一步提高 上弦面的稳定性，通过隅撑和檩条系统将菱形支 撑连成整体，组成完整的上弦面内支撑体系上 弦杆件布置见图4 在网架结构的下弦面内，沿四周边界布置交 叉支撑 屋盖结构为下弦支承，如图5所示除在四 周边设有支座外，在热身区域和比赛区域交界处 还有一排柱子支承，整个屋盖结构为东西方向单 跨简支，南北方向两跨简支具体支座的方式为 在屋盖结构的8个角点为三向固定球铰支座，其余 为单向（法向）滑动球铰支座或双向滑动支座 上弦面内所有杆件、腹杆以及桅杆为圆钢 管，下弦面内所有杆件为矩形钢管，钢索采用挤 包双保护层大节距扭绞型缆索。
上弦杆件相交点 采用焊接球节点、上弦节间内和腹杆以及支撑相 交的节点采用直接相贯节点；为满足建筑效果要 求，下弦采用铸钢节点；桅杆上端与网架结构的 下弦采用万向球铰节点连接、下端与钢索采用夹 板节点连接，钢索张拉和锚固端采用铸钢节点 钢索与桅杆布置见图6 3.3 分析模型 为了比较全面、准确分析下部结构和屋顶结 构的相互影响，特别是罕遇地震下，整体结构的 抗震性能，建立了考虑下部混凝土结构的整体分 析模型分析模型中主要包括以下三部分：第一 部分为屋顶钢结构，网架结构的弦杆采用梁单 元，腹杆、支撑以及桅杆采用杆单元，钢索采用 索单元计算；第二部分为下部钢筋混凝土结构， 使用杆单元、梁单元以及板单元模拟了下部混凝 土结构的支撑、柱、梁及楼板和看台；第三部分 为模拟屋顶不同类型的支座而建立的与下部混凝 土结构的各种连接单元 采用MIDAS和ANSYS两个软件对整体结构进 行计算、对受力和构造复杂的节点进行有限元分8PRESTRESS TECHNOLOGY 第三届欧维姆预应力技术奖专题《 》2011年第2期总第85期析，采用我院自编的相关程序对杆件截面优化、 校核以及节点验算。
与其破断力之比控制在0.6以内；在各工况下，钢 索的最小应力大于50MPa 3.4.2 预应力确定准则 预应力度的确定是张弦结构设计的一个重要 步骤本工程按照以下原则确定初始预应力的水 平： 1）在任何荷载工况下，钢索不退出工作， 并且保持一定的张力水平；2）满足结构变形要 求；3）调整结构构件的应力水平满足设计标 准；4）保证施工过程中，钢索能够张紧；5）钢 索张拉完成后，能够使结构自然脱离施工支撑 本工程的施工支撑为结构整体累积滑移的中间滑 轨最终确定最大预应力值为2000kN，最小预应 力值为1100kN 3.4.3 防止连续倒塌或钢索更换对结构承载力的影 响 按照正常结构状态，考虑正常荷载设计的屋 顶结构，在不增加结构用钢量的前提下，发挥结 构的空间受力性能和内力重分布能力，以致在突 发或意外情况下、结构不会丧失承载力，发生倒 塌事故，也是重要建筑结构设计的要求，是防止 连续倒塌在空间结构设计中的体现本工程中钢 索是最主要的受力构件，在结构100年的使用期 内，考虑各种因素，包括检修而进行钢索更换或 由于意外事故引起钢索破断，结构发生变化，。