某球場膜結構建筑的總體設計

近期，深圳遠信膜結構公司剛剛完成了某球場膜結構建筑的施工，下面就談談其總體設計過程。該球場膜結構建筑的頂棚設計為異形空間網格鋼結構，主葉骨與所有次葉骨均參與受力而形成很好的空間整體，充分發揮所有桿件的貢獻；邊榀主鋼管內灌混凝土，形成配重抵消部分負風壓。并通過正確理解結構的空間幾何構造，大膽將桅桿立于搖擺柱之上并鉸接連接，簡化了球場膜結構的構成，改善了建筑外觀。具體設計如下：

一、異形空間網格鋼結構設計

 球場膜結構的頂棚方案來自于“棕櫚葉”骨架的交叉拼合，在探討這一建筑外表骨架與結構受力骨架之間的邏輯關系時，考慮了僅主葉骨受力，主葉骨與少量次葉骨受力，主、次葉骨全部受力等3種方案，球場膜結構設計方案中未參與受力的次葉骨則考慮采用小直徑圓鋁管，以減輕自重。通過分析對比，發現若僅考慮外圍主葉骨參與受力，則其管徑很大，既不美觀也不合理；若考慮主葉骨與少量次葉骨受力，則管徑仍偏大，且次葉骨大小不一顯得凌亂，還是不理想；而所有主次葉骨受力，則可形成良好的空間整體，充分發揮所有桿件的貢獻，可以使球場膜結構的建筑效果達到最佳。

 經上述對比，球場膜結構的頂棚結構擇優選定全部葉骨共同參與受力的方案，形成異形曲折拱面的單層網格空間結構。主管為φ402×10～16，次管為φ245×8～12、φ325×12，主、次管之間采用剛接。邊跨最大懸挑部分為7.5m，其主管靠端部1、3跨度處設拉索，同時在主管跨中區段灌注自密實混凝土，形成配重以抵抗邊跨懸挑端的負風壓。

二、預應力拉索的設計

 出于球場膜結構建筑的功能需要，在空間跨度和凈空高度上都對頂棚鋼結構提出了較高的要求。為了改善頂棚受力、實現其大跨度，在1、3跨度處對主管設置斜拉索（前索），上端與桅桿頂連接；桅桿頂背再設平衡索（背索），下端與支墩頂支座連接；桅桿、頂棚骨架和拉索共同形成一個“自平衡”體系。以盡量提高對主管跨中彎矩的改善程度為目標，通過大量的試算對比，并綜合考慮球場膜結構建筑的美觀、桅桿穩定等因素，確定前索的布置方式。

 索體采用鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層鋼絲束，直徑φ20、φ40。電算分析時，背索作為“主動索”、前索作為“被動索”，對背索施加預應力。在全面考慮了溫差效應等各工況組合后，可以確保在10年一遇的負風壓下，球場膜結構的每根桅桿均有3根不共面的拉索不出現松弛，使拉索與桅桿形成穩定體系。

三、桅桿和搖擺柱的關系

 在球場膜結構設計方案的初期，我們停留在二維平面角度看待該處結構的幾何構造，認為若桅桿立在搖擺柱之上，其結構立面就是一個幾何可變體系，是“機構”，不穩定、不成立。因此，當時認為桅桿與搖擺柱應相互獨立，分別與大地相連，這樣的結構才穩定。

 為了優化該處效果，我們深入研究了這部分子結構，從三維空間的角度來看待，經過拆分結構幫助理解，下半部是由搖擺柱與背部的2根主管組成，這幾根不共面的桿件一端與大地相連、另一端交于一點，故構成了一個空間靜定的三棱錐；而上半部則是由1根桅桿與若干根不共面的拉索組成穩定的空間結構。把上下兩部分組合起來也就形成了穩定的結構，又或者可以理解為桅桿下端立在三棱錐頂部與立在大地上是等效的。于是我們就敢于把桅桿立在搖擺柱頂部、僅搖擺柱底端與大地相連。

四、圓拱柱的設計

 客戶對面向道路一側的球場膜結構支撐體系的外觀效果要求很高，故我們對該側支撐柱方案進行了探討與比選，認為：豎直柱偏于密集、呆板，且側向穩定不足；W柱欠美觀、與建筑風格不匹配、也不利于球場內外的聯通；而圓拱柱相互交疊，有韻律的弧拱起伏外形，暗合了頂棚的拱面形態，且開闊的圓拱形成了視線透出窗口，也強化了球場內外的互通，同時縱向交疊的圓拱柱序列，在結構上也形成了良好的縱向抗側力體系，因此最終為此球場膜結構建筑選定了圓拱柱方案。

五、結構分析與優化

 球場膜結構主體結構采用3D3S11.0進行整體建模分析，考慮恒活荷載、風荷載、溫度作用、地震作用的同時，也考慮膜的預拉力。分析過程中特別關注基本周期，主管次管的內力（主要是彎矩、剪力），圓拱柱的內力（彎矩、軸力），拉索的拉力（以及是否松弛），鋼骨架的跨中豎向變形（向下、向上）等。另外，還進行了空間結構的整體穩定性分析，以恒+活基本組合作為變量，經彈性屈曲分析所得的整體穩定系數約為7.16（一階，拱柱屈曲）、7.65（二階，桅桿屈曲），可見球場膜結構的整體穩定性可以滿足相關要求。

六、設計小結

此球場膜結構的設計方案有著“仿生”形體的先天優勢，再經合理解構與適當優化，得到具有良好“形效”的空間結構。10.2 頂棚采用空間網格鋼結構，主葉骨與所有次葉骨均參與受力，形成很好的空間整體，充分發揮所有桿件的貢獻，沒有一根多余的桿件；另外，在邊榀主鋼管內局部灌注混凝土，形成配重抵消部分負風壓。另外， 通過正確理解結構的空間幾何構造，大膽地將桅桿立于搖擺柱之上并鉸接連接，簡化了結構構成，改善了球場膜結構建筑的外觀效果。