建筑结构丨第十四届全运会主场馆西安奥体中心体育馆结构设计

建筑结构丨第十四届全运会主场馆西安奥体中心体育馆结构设计

第十四届全运会主场馆——西安奥体中心体育馆结构设计

文/阳小泉，刘国银，隋庆海，赵雪峥

西安体育中心为2021年第14届全国运动会的主场馆，由体育场（标段1）和体育馆+游泳馆（标段2）组成，项目选址在西安国际港务区，位于西安市未来城市发展的东北向主轴上，占地约74.9万m2，地理位置优越，交通便利。中国建筑东北设计研究院有限公司负责标段2（体育馆+游泳馆）的设计。项目于2017年7月中标，2018年10月主体结构封顶，2020年5月投入使用。

▲ 西安奥体中心整体规划效果图

1项目概况

西安奥体中心体育馆是一个综合体育馆，建筑面积10.8万m2，坐席数18000座，看台高度26.40m，建筑高度41.360m（钢结构上弦最高点中心线），无地下室，地上四层，底层的外圈尺寸168m，屋盖外围尺寸约204.6m，属甲级大型体育建筑，可以满足16种(篮球、手球、排球、体操、羽毛球、乒乓球、拳击、网球、室内足球、摔跤、室内曲棍球、剑术、柔道、桌球、举重、冰球等)以上的国际单项赛事的比赛要求。

▲ 体育馆效果图

体育馆一层周圈布置有商业和设备用房及上商业屋面的台阶，其与体育馆一层设有环形车道。商业用房的屋面为体育馆的入口平台，平台与体育馆间通过部分连桥连接，用于体育馆的人员疏散。

▲ 体育馆首层平面图

▲ 体育馆剖面图

2建筑创作理念

设计灵感来源于唐代建筑的“屋脊”，力图运用现代的建筑手法展现地域文化特色。主体由16个菱形锥体组合而成，气势宏伟、独具特色，体现了体育建筑的力量感。锥体凌厉的脊线、简洁明快、动感十足，唤起了人们对大唐盛世的记忆，体现了西安传统建筑文化特色，是彰显和宣传西安体育文化最好的载体。表皮以“三角形”为基本单元进行划分，渐变的三角形外窗通过有序的组合形成艺术化表皮肌理，与厚重的锥体形成虚实对比，丰富了立面的层次。

▲ 项目完成效果图

3结构设计概况

体育馆看台采用框架-剪力墙结构，钢屋盖平面呈圆形，采用肋环型四角椎双层网壳结构，屋盖单跨最大跨度136.6m，为超限大跨度空间结构。

本工程设计使用年限50年，安全等级为一级，抗震设防类别为乙类。抗震设防烈度为8度（0.2g）。地基基础设计等级为甲级。基本风压w0=0.35kN/m2(50年)，地面粗糙度类别为B类，具体风荷载取值由风洞实验确定。

3.1 混凝土结构设计

混凝土结构主要由看台和功能用房组成，外边缘呈圆形，底层混凝土结构外径约168m；内边缘为倒角矩形，尺寸约46mx75m，内部主要轴网呈放射状。混凝土部分地上四层（局部五层），无地下室，混凝土环梁最高点为31.7m，其上为钢屋盖结构，看台最高点26.46m。混凝土结构三维模型下图所示：

▲ 混凝土部分结构模型及剖面图

3.2 钢屋盖设计

钢屋盖呈中心对称状，直径约204.6m，由两侧34m短跨和中部136.6m大跨组成，两侧34m短跨为折板造型，沿环向形成16个尖角。建筑整体构成如下图所示。钢屋盖中部136.6m跨屋盖采用肋环形双层网壳，网壳高度5.2m，径向网格间距5.0m，环向间距按柱网等分并随半径的减小进行合并；两侧34m跨屋盖采用三层肋环型网壳结构，顶层网格随建筑造型翻折，中间层抽掉部分腹杆以放置风机。

钢屋盖由位于看台最外圈的混凝土框架柱和外立面钢斜柱支承。支承屋盖框架柱顶设置混凝土环梁，能有效减少竖向荷载下的柱底弯矩和屋盖跨中挠度，同时结构的抗扭刚度和整体性显著增强。钢斜柱围合的折面为幕墙，斜柱顶底均为铰接，位于悬挑梁上的斜柱顶竖向释放（下图节点2中居中杆件），悬挑梁只承担幕墙荷载。

▲ 钢结构屋盖局部示意图

4结构设计重难点问题

4.1 极短工期下多方案并行设计

本项目于2017年7月设计中标，主体结构于2018年10月竣工，设计、施工总工期1年3个月，为达到预定的工期目标，项目设计与施工几乎同时进行。由于项目的重要性，建筑方案一直在进行多方案优化及比选，结构必须同步进行计算，以评估基础及混凝土结构的变化量，为此项目进行了大量的结构建模及计算分析工作。为应对繁复的修改及调整工作，结构设计之初即确定采用成熟的结构体系及技术，即下部采用框架剪力墙结构，上部屋盖采用钢网架结构，以加快项目建造速度。

▲ 项目中标建筑方案及对应结构模型

▲ 优化方案一及对应结构模型

▲ 优化方案二及对应结构模型

▲ 最终建筑方案及结构模型

为提升全运会后的项目运营效率，业主方需要在屋盖中部预留较大的吊挂荷载：中部抖屏预留60t，场芯中部按照2.0kN/m2荷载预留，这些荷载均远超常规大跨屋盖的荷载需求，给结构设计带来了较大的挑战，但由于结构设计初就确定采用网架结构，也为吊挂荷载预留带来了较大的便利。

4.2 预制清水混凝土看台板简化建模研究

本项目工期紧，且为了响应国家推广预制装配建筑的政策，斜向看台上方看台板均采用预制装配式看台板。看台板之间及看台板与现浇看台梁之间均由钢销连接。

▲ 预制看台板连接构造及现场效果

在预制看台板结构建模分析时，如果按照看台板形状及实际连接构造建模，建模工作量大且国内一般软件较难准确模拟其受力；如果将预制看台板按照斜板建模，则显然夸大了斜向看台部分的刚度，使得地震作用下构件内力偏大。为此首先研究看台板的简化建模方法，以便提高设计效率，然后在整体模型中建立简化的看台板模型，以分析预制看台板对整体结构的影响。

采用SAP2000软件分析体育馆1层看台典型子结构。根据预制看台板建模方法的不同，共分析了4组模型，每组模型中预制看台板建模方法如表1所示。

▲ 看台子结构简化三维模型

预制看台板对结构刚度的贡献主要体现在水平荷载作用下框架柱的剪力分配。为此分析了两种工况：工况一为结构受垂直看台板方向荷载作用；工况二为结构受平行看台板方向荷载作用。主要比较4组模型框架柱分担剪力的差别。结构受力简图及看台柱编号如下图所示。

▲ 结构受力简图及看台柱编号（垂直看台方向）

工况一、工况二作用下，前3排看台柱及平台段分担的剪力如表2、表3所示。由表可知，在垂直看台板方向荷载作用（工况一）下，看台柱分配剪力差别很小，故可以忽略预制看台板的刚度影响；在平行看台板方向荷载作用（工况二）下，4组模型看台柱分配的剪力差别较大，与模型2（准确模型）相比，模型1（连续折板模型）建模相对复杂，看台柱分配剪力与模型2差别在10%以内；模型3（开洞模型）建模简单，但由于忽略了预制看台板的刚度，使得斜向看台部分分配的地震作用偏小，只有模型2的50%；模型4（刚度折减的斜板）不但建模方便，而且计算结果与模型2误差在5%以内。故可采用模型4中刚度折减的斜板模拟预制看台板。

4.3 斜向看台对整体结构受力的影响

斜向看台对整体结构的影响主要体现在两个方面：1）斜向看台低处为短柱，其刚度较大，分担的地震剪力较正常楼层柱多，在大震工况下，其可能先于长柱开裂后刚度降低，从而将一部分剪力转移给长柱；2）预制混凝土看台板对整体结构的影响。

▲ 施工过程中斜向看台

采用SAP2000软件分析了三组整体模型，结构参数见表4，以比较当预制看台板采用开洞+等效荷载的建模方式（整体模型1）时，短柱刚度（整体模型2）和预制看台板刚度（整体模型3）对斜向看台框架内力的影响。整体模型3中预制看台板的建模方法采用上节模型4的看台板建模方法。

比较地震作用下斜向看台柱的剪力，斜向看台柱根据高度分为2排，每排根据方向分为X向和Y向2组，总共分成4组，构件分组如下图所示。

▲ 框架柱分组示意

比较整体模型1和2，短柱刚度折减后，其分担的剪力约减少20%~30%，此部分剪力由本层的长柱及剪力墙分担，由于每层的长柱及剪力墙较多，故不考虑短柱刚度减小引起的其他构件的内力增大。

比较整体模型1和3，当地震作用与预制看台板垂直时（如X向地震时， Y向看台柱剪力），与地震作用方向垂直的看台柱的内力差异均在5%以内，可以忽略；当地震作用与预制看台板平行时（如X向地震时， X向看台柱），考虑预制看台板刚度后，平行地震作用方向的看台柱剪力将增大，其中第一排柱最大增大约23%，第二排柱最大增大约7%。由于预制看台板均沿环向铺设，此规律也可表示为：考虑预制看台板刚度后，斜向看台的框架柱径向剪力基本不变，环向剪力将增加。

通过以上分析可知，尽管预制看台板之间只采用钢销连接，刚度较弱，但如果忽略其对整体结构的影响即采用开洞+等效荷载的建模方式时，水平荷载作用下其环向内力将偏小，结构将偏于不安全。

4.4 超长环形看台的温度应力分析

环形结构在温度作用下是以圆心为不动点发生伸缩变形的，其温度作用效应更接近长度为其直径的矩形建筑，环形周长并非主要因素。下文分析环形结构与矩形结构温度作用的差别。

分析三组框架结构在温度作用下的应力情况，模型参数如表5所示，三组模型的柱网均在10m×10m左右，梁柱截面及板厚等其他参数均相同。降温工况下，环形结构最大拉应力发生在内圈（下图），矩形结构最大拉应力发生在中部，框架1、框架2和框架3对应的最大楼板拉应力分别为4.1MPa、9.9MPa和3.7MPa。

▲ 环形开洞建筑温度应力云图/ MPa

▲ 矩形结构温度作用应力云图/ MPa

比较三组模型应力可知，环形建筑的最大温度应力是长度等于其周长的矩形建筑的0.41倍，只比长度为其直径的矩形建筑大9%。所以环形结构采用外圈直径长度来初步估计其温度作用下的应力更合理。

西安奥体中心体育馆混凝土结构最大周长约530m，温度应力影响因素较多，全面分析温度作用下楼板的应力状态，考虑了三个因素：1）混凝土徐变；2）混凝土收缩；3）基础刚度的影响。计算时，比较了两个计算模型，模型1基底完全嵌固；模型2为考虑基础水平刚度，其他因素两模型完全相同。降温作用下，2层楼板温度应力如下图所示。由图可知：1）降温作用下，由于外圈长度大于内圈，外圈向内圈收缩变形受到内圈的约束，从而使得环向楼板受拉，径向受压；反之，升温时径向受拉，环向受压；2）考虑基础水平刚度，楼板应力比支座按完全嵌固模型减小20%左右，由于温度应力水平整体较小，设计时不考虑基础的水平刚度对温度应力的有利作用。

（a）X向（模型1）

（b）X向（模型2）

（c）Y向（模型1）

（d）Y向（模型2）

▲ 降温工况下2层楼板温度应力云图/MPa

▲ 项目施工过程照片

▲ 项目竣工照片

▲ 竣工图4

项目信息

项目类型：超大型体育馆

建设单位：西安国际港务区体育事业服务中心；

项目地点：陕西省西安市

总建筑面积：11.29万m2

设计时间：2017.07-2018.06

项目状态：已投入使用

建筑方案及施工图设计：中国建筑东北设计研究院有限公司

建筑设计：任炳文 邵明东 李曙光

结构设计：隋庆海 刘国银 阳小泉 赵雪峥 王艳军 任宇航 孙典龙 曾祥新

作者简介：

隋庆海，1964年生，中国建筑东北设计研究院有限公司专业总工程师，辽宁省工程设计大师、广东省超限专家审查委员会专家,被中国建筑集团有限公司聘为中国建筑大师（勘察设计）。主持设计了深圳宝安国际机场B航站楼改扩建，郑州新郑国际机场T1航站楼改扩建，郑州新郑国际机场T2航站楼及交通中心（GTC）等大型交通类建筑；深圳大运中心体育馆，西安奥体中心体育馆和游泳跳水馆等承担国际赛事的体育建筑；香港中文大学（深圳）校区一期工程，中山大学（深圳）校区I标段等教育建筑设计以及深圳北站汇隆商务中心、深圳前海信息枢纽等高层建筑，获詹天佑奖一项，行业及省部级奖若干项，出版《建筑钢结构设计疑难问题解析与工程案例程实践》专著，发表论文约二十篇，申请专利多项。

刘国银，1992年毕业于哈尔滨建筑工程学院工民建专业，教授级高级工程师、一级注册结构工程师，现任中国建筑东北设计研究院有限公司副总工程师。负责完成深圳国际会展中心、张掖大剧院、深圳北站汇隆商务中心、西安奥体中心体育馆和游泳馆、中山大学深圳校区、前湾信息枢纽大厦、深圳自然博物馆、深圳音乐学院等几十余项重大工程项目的结构设计，参编专著1部，发表论文十余篇。

阳小泉，2015年毕业于东南大学土木工程专业，现任中国建筑东北设计研究院有限公司深圳设计院主任工程师，参与设计了深圳自然博物馆、西安奥体中心体育馆和游泳馆、深圳理工大学、珠海横琴总部大厦、深圳汇隆商务中心等重大工程项目结构设计，获行业及省部级奖十余项，参编专著1部，发表论文5篇。

赵雪峥，2002年毕业于西安建筑科技大学建筑工程专业，现任中国建筑东北设计研究院有限公司深圳设计院副总工程师，参与设计了郑州新郑国际机场航站楼改扩建工程、郑州新郑国际机场T2航站楼、郑州新郑国际机场二期建设项目综合交通换乘中心（GTC）、深圳世界大学生运动会体育中心主体育馆、香港中文大学（深圳）一期项目、西安奥体中心体育馆、深圳理工大学、深圳汇隆商务中心等重大工程项目结构设计，获行业及省部级奖二十余项，发表论文3篇。

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丹麦队世界杯26人名单埃里克森领衔霍伊别尔入选

北京时间11月14日凌晨，丹麦队公布了参加卡塔尔世界杯的26人大名单。在此之前，丹麦足协曾公布了一份21人的世界杯名单，如今最后5人也确定，26人大名单正式出炉，丹麦队的名将悉数入选。

门将位置上，36岁的小舒梅切尔压阵，后防线上有米兰的克亚尔和巴萨的克里斯滕森，中场有热刺的霍伊别尔、塞维利亚的德莱尼，去年欧洲杯上突发心脏病的埃里克森也进入了名单，前锋线上，巴萨旧将布莱斯维特和莱比锡的鲍尔森入选。

丹麦队26人名单

门将：小舒梅切尔（36岁/尼斯）、奥利弗-克里斯滕森（23岁/柏林赫塔）、弗雷德里克-荣诺夫（30岁/柏林联合）

后卫：克亚尔（33岁/AC米兰）、拉斯穆斯-克里斯滕森（25岁/利兹联）、梅勒（25岁/亚特兰大）、克里斯滕森（26岁/巴塞罗那）、斯特里格-拉尔森（31岁/特拉布宗体育）、维克托-尼尔森（24岁/加拉塔萨雷）、约西姆-安德森（26岁/水晶宫）、亚历山大-巴赫（24岁/本菲卡）

中场：延森（26岁/布伦特福德）、霍伊别尔（27岁/热刺）、德莱尼（31岁/塞维利亚）、埃里克森（30岁/曼联）、丹尼尔-瓦斯（33岁/布隆德比）、林德斯特罗姆（22岁/法兰克福）、斯科夫-奥尔森（22岁/布鲁日）、克里斯蒂安-诺尔高（28岁/布伦特福德）

前锋：多尔贝里（25岁/塞维利亚）、科内柳斯（29岁/哥本哈根）、乔纳斯-温德（23岁/沃尔夫斯堡）、达姆斯高（22岁/布伦特福德）、布莱斯维特（31岁/西班牙人）、罗伯特-斯科夫（26岁/霍芬海姆）、鲍尔森（28岁/莱比锡）

卡塔尔世界杯上，丹麦队和法国队、澳大利亚队以及突尼斯队同组，他们的具体赛程如下（北京时间）：

11月22日 21:00 丹麦VS突尼斯

11月27日 00:00 法国VS丹麦

11月30日 23:00 澳大利亚VS丹麦

丹麦世界杯名单确定21人埃里克森领衔霍伊别尔克亚尔入选

北京时间11月8日凌晨，丹麦队公布了参加世界杯的名单。但与其他国家队不同，他们不是直接公布了26人大名单，而是公布了一份21人的名单，剩余的5个名额将在本周内揭晓。

在这份21人名单中，丹麦队的主力基本全部入选。门将位置上，36岁的小舒梅切尔压阵；后防线上，AC米兰的克亚尔和巴塞罗那的克里斯滕森在列；中场位置有球队核心埃里克森和热刺大将霍伊别尔；前锋线上，巴萨旧将布莱斯维特和塞维利亚的多尔贝里领衔。

丹麦队21人名单

小舒梅切尔（36岁/尼斯）、奥利弗-克里斯滕森（23岁/柏林赫塔）

后卫

克亚尔（33岁/AC米兰）、拉斯穆斯-克里斯滕森（25岁/利兹联）、梅勒（25岁/亚特兰大）、克里斯滕森（26岁/巴塞罗那）、斯特里格-拉尔森（31岁/特拉布宗体育）、维克托-尼尔森（24岁/加拉塔萨雷）、约西姆-安德森（26岁/水晶宫）

中场

霍伊别尔（27岁/热刺）、德莱尼（31岁/塞维利亚）、埃里克森（30岁/曼联）、丹尼尔-瓦斯（33岁/布隆德比）、林德斯特罗姆（22岁/法兰克福）、斯科夫-奥尔森（22岁/布鲁日）

前锋

扬森（26岁/布伦特福德）、多尔贝里（25岁/塞维利亚）、科内柳斯（29岁/哥本哈根）、乔纳斯-温德（23岁/沃尔夫斯堡）、达姆斯高（22岁/布伦特福德）、布莱斯维特（31岁/西班牙人）

卡塔尔世界杯上，丹麦队和突尼斯队、法国队以及澳大利亚队同组，他们的具体赛程如下（北京时间）：

11月22日 21:00 丹麦vs突尼斯

11月27日 00:00 法国vs丹麦

11月30日 23:00 澳大利亚vs丹麦

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郑州管城区体育中心

包括2栋建筑+室外场地+配套设施等。

总估算投资：约2.16亿元。

工期：计划总工期890天，其中设计工期90天，施工工期800天。

总建筑面积：约42300㎡。

体育馆A栋：游泳馆、篮球馆、乒乓球馆、多功能厅、健身房等；

体育馆B栋：武术太极竞技厅、舞蹈排练厅、柔道练习室、击剑室、拳击室、康复大厅等。

地点：绿都澜湾南紫荆山南路东环翠路北兴仁路南

篮球好处：

第一个好处：促进青少年骨骼进行发育

通过篮球这样的富有弹跳、冲击的运动，帮助我们的骨骼进行成长的冲刺，让骨骼更具活力。

第二个好处：进行减肥

篮球运动可以锻炼你全身的脂肪，让你对于全身上下的分解和消耗脂肪都是极有帮助的。

不过想要减肥，就一定要记住进行固定频率的篮球运动，我们可以一周三次篮球运动，也可以每天都进行篮球运动。

第三个好处：提升肌肉质量

篮球运动对于我们肌肉的锻炼和活动都具有帮助。

当我们提高了肌肉的质量，我们就可以通过提高肌肉的各个方面，从而帮助我们更具力气。

第四个好处：提高心肺功能

篮球运动具有跑步、跳跃等运动，而这些运动可以帮助我们提升心肺功能，还可以通过提高肺部功能，从而提高我们的血液中的含氧量，这对于我们的血液以及身体的素质的改善与提升，都是极具好处的。

如果你想要拥有健康的心脏和肺脏，或者是想要拥有健康，就一定要记住，多多进行篮球运动，通过篮球运动帮助我们有所改善。

第五个好处：提高灵活度

篮球运动对于我们的身体具有比较高的灵活程度。因为我们在进行篮球运动的时候，需要考验到整个人的灵活程度，让我们的身体变得更具灵活性。我们还可以通过篮球运动变得更瘦，当我们变瘦了以后，整个人就会告别臃肿，并且变得更灵活。

游泳好处：

1、提高心肺功能

随着年龄的增长，人的心肺功能会慢慢下降，就容易出现心脏方面的疾病。通过游泳可以有效提高心肺能力，在游泳过程中，需要的氧气量非常多。此时，心脏能力得到提升，加上急促的呼吸对心肌能力的提高有帮助，从而有效提升心肺功能。

2、放松身心

人在水中游泳时，可以让全身心都保持放松的状态，在游泳之后人会感觉到心情舒畅，原本浮躁的情绪慢慢消除。对于压力过大或者经常出现不良情绪的人，可以通过游泳运动来放松心情，抚平原本急躁的心情。

3、提高皮肤抵抗力

经常游泳的人不容易出现皮肤疾病，因为在游泳时，人的全身血液循环能力提高，对皮肤的代谢能力有促进作用，可以帮助改善肤质，提高皮肤的免疫能力。

4、提高肌肉力量

在游泳过程中，需要腿部运动以及手臂运动才能保持不沉入水中，此时游泳的动作对四肢肌肉的锻炼有较好的效果。在长期坚持运动的情况下，四肢部位的肌肉可以得到锻炼，从而有效增强肌肉力量，让人看起来更具有线条美。

5、减肥

游泳是非常有效的燃脂运动，在游泳过程中，需要全身心的配合，基本上全身肌肉以及关节都需要参与游泳这项运动。此时，可以感觉到全身都得到锻炼，将体内多余的脂肪物质燃烧，促进新陈代谢能力。因此，肥胖的人可以多游泳，以有效减肥。

6、促进呼吸系统健康

经常游泳的人，不容易出现呼吸系统方面的疾病。这主要是因为人在游泳运动时，肺活量会增大，呼吸系统功能也得到了锻炼，可以有效降低呼吸系统疾病的患病率。因此，平时可以多进行游泳运动，通过合理的游泳运动来起到预防疾病的效果，增强体质。

7、逃生、救生技能。