苏州奥体中心单层索网屋盖结构关键创新技术研究与应用

6

江苏建筑

20

21

年第期

1

（

总第

210

期

）

苏州奥体中心单层索网屋盖结构

关键创新技术研究与应用

张晓冰，，

，

刘晓龙缪煜

程大勇

，

康子丰

（）

中建三局集团有限公司

，

江苏南京

210000

【

张晓冰

】

男

（

1972-

）

,

教授级高工

，

现任中建三局集团有限公司华东

公司江苏经理部党委书记

、

总经理

。

担任项目经理期间

，

先后主持上

海

3M

（

中国

）地块

物流中心

、

芜湖世茂滨江花园

1#

、

芜湖苏宁广

场

、

芜湖苏宁环球城市之光

、

苏州工业园区体育中心等项目施工

，

其

中芜湖苏宁广场项目荣膺国家优质工程奖

、

苏州工业园区体育中心

项目荣获鲁班奖和詹天佑奖

，

个人获评

“

创国家优质工程突出贡献

者称

”

%

%

摘

要

&

苏州奥体中心又称）

（简称包括

““苏体

苏州工业园区体育中心

”

，

”，

位于苏州工业园区核心区“一场两馆一中心

”

，

总

地万亿元

60

hm）

2

，“

总建筑面积约

38.6

2

,总投资约％建筑

50.8

苏体被称为

第五代体育建筑，

优美

、理

结构精巧

、、

施工精湛

功能完备％体育场

、、

工程

高；

”

其体

、

和

、

％

体育场

为国

体系上

；

结构体系简洁轻盈

，填补了国

苏州工业园区体育中心

中国）

工程詹天佑奖场游泳馆

％，

为国

％

（体育

获

［

关键词

］

（

马鞍形

；

轮辐式

；

单层索网

；

膜结构

［

中图分类号

］B

TU245.2

：

TU323.82021

［

文献标志码

］［

文章编号

］

1005-6270

（）

01-0006-05

Rearch

and

Application

of

Key

Innovative

Technologies

for

Single-layer

Cable

Net

Roof

Structure

of

Suzhou

Olympic

Sports

Center

ZHANG

Xiao-bingLIUKANG

Xiao-long

Da-yong

CHENGYu

MIAO

Zi-feng

（

ChinaThirdLtd

Group China

Construction

BureauCo.,

Jiangsu

,

Nanjing

210000

"

Abstract

:

SuzhouOlympicknown"Suzhou

SportsasSportsSports

Center

(also

Park

Industrial

Center",

or

"Su

Center"

fortwo

short)

is

located

inand

the

core

area

of

Suzhou

Industrial

Park,

including

"one

venue,

venues

oneofthe

center",

with

aaconstruction

total

area

of

60

hectares

and

total

area

aboutmeters,

386,000

Square

total

investmentwork

yuan.

isis

about

5.08

billion

Su

Ti

knownof

as

"the

reprentative

the

fifth

generation

of

sportshuge

architecture".

It

has

volume,

beautiful

architecture,

exquisite

structure,

superb

construction,

complete

functions,

andand

reasonable

cost

performance.

The

roof

structure

of

the

stadium

swimming

pool

adopts

the

most

cutting-edgeand

technology,

newof

materials

high-strength

materials

in

the

field

large-span

structural

engineering.

The

stadium

span

is

the

saddle

-shaped

large

-opening

spokes

single

-layer

cable

net

structure

withlargest

theroof

span

in

the

China;domesticbe

the

natatorium

is

first

vertical

am

metal

to

installed

on

ais

single

-layerstructure

orthogonalsystemlight,

cable

-net

system;

the

structure

simple

and

fillingcable

The

domesticThis

super-span

single-layer

net

structure

is

blank.

project

has

been

awarded

the

18th

China

Tien-yow

Jeme

Civil

Engineering

Prize.

Keycable

words

:

opening;spoketype; net;

saddle

shape;

single-layer

membrane

structure

0

引言

2008

年北京举办奥运会以来

，

我国体育事业蓬勃发

展 的迅速增长使得我国体育场馆的建设处于

，

“体育人口

”

育场馆结构具有跨度大

、

结构形式复杂多样等特点

,

其结构

设计难度大

，

在某些情况下存在超规范的问题,

&

与此同时

大跨度体育场馆建筑群由于屋盖结构外形复杂独特

，

而

常被视为一个国家或地区的标志性建筑&

。

一个新的黄金发展阶段

与一般的传统结构相比

,

大跨度体

江苏建筑

期

20

21

年第总第期

1

（

210

）

根据构成要素的不同大跨空间结构可分为刚性

，

、

柔

性

、国内体育场屋盖体系多数为钢拱桁

刚柔组合结构三类

％

架

、、

网架

网壳等刚性结构形式

，

结构用钢量较大

％

苏州奥体中心体育场和游泳馆屋盖创新性采用轮辐式

单层索网柔性结构体系

，

造型巧妙轻盈充

，，

采用预应力索网

分利用了材料性能,节省了用钢量％，

钢结构屋盖呈马鞍形

最

大跨度达到体育场为国内最大跨度的马鞍形大开

260

m

。

孔轮辐式单层索网结构

；

游泳馆为国内首次将直立锁边金

属屋面设置在单层正交索网结构体系上

；

2

个场馆屋盖结

构达到

“、建筑效果

轻

薄

、

”

，跨度单层索

填补了国内

网结构的空

％

1

工程概况

体育场屋盖采用轮辐式单层索膜

+

压环梁

+V

型柱的结

构形式

，

V

型柱落在。侧面为外

12

m

标高混凝土大平台上

倾的型支撑柱结构

40

V

，

支撑柱上部为％

屋顶采

用马鞍形索膜结构

，由

40

索

、

8

根环向索以及

PTFE

膜结构组成

％

结构几何尺寸为

260

%

（）（

长向短向

x

230%

）

x

5225

m

（马鞍形高差

高度

）

，

m

,

如图

1

%

游泳馆屋盖

用 形

+V

+

+

正交单层

索网的圆形平

+

金属屋面的结构形式

，

外压环为直径

107

m

，，，

马鞍形造型

屋

3

层混凝土楼面

10

m

高

距离楼面

20

mm

，

马鞍形高差

10

，

结构几何尺寸为

107

m

x

107

m

x

32

m

，

如图

2

所示

％

2

结构体系概况

体育场结构体系为钢筋混凝土框架结构

+40

根外倾

V

形柱

+

马鞍形压环梁，%

+3

轮辐式单层索网如图

+

膜结构

游泳馆结构体系为钢筋混凝土框架结构

+56

根外倾

V

形柱+马鞍形压环梁

+

正交单层索网

+

直立锁边金属屋面

，

如图

4

所示

％

3

关键创新技术一

：

屋盖结构体系创新

3.1

体育场轮辐式单层索网结构

7

图

2

游泳馆概况图

图

3

体育场屋盖组成

图

4

游泳馆屋盖组成

单层索网结构用

体育场轮辐

，

用中间

式结构

。

其外压环高低起伏从而形成马鞍形的空间曲面造

，

型内

，

马形形状的屋盖可 为结构提供较大的竖向刚度

％

索

预应力

形成预应力态

，％

如图

5

所示

3.2

游泳馆正交单层索网结构

单层索网结构用

体育场

、空间

游泳馆等大跨

，

采用正交单层索网结构

％

正交单层索网结构体系的般

路来源于网球拍的受力原理

。

外压环是网球拍的外框

，

而索

网则是网球拍的网状结构

％

预应力索网与受压环梁形成自

锚体系

，，％

索的拉力

图

5

轮辐式单层索网结构

图

6

正交单层索网结构

传统索结构支承体系一般采用。

3

种方案

方案一

，

混凝土墙柱加混凝土环梁

，

索锚固在混凝土环

梁上

。

如加拿大卡尔加里滑冰馆

，

缺点是混凝土框架结构刚

度很大

,其在索网张拉时产生的次内力很大，

相应构件截面

加大

,,。

经济性欠佳如图

7

所示

方案二

，

在方案一混凝土柱或环梁上布置滑动支座

，

支座

上方设置钢压环

。

如科威特国家体育场

，

钢压环可以在索预应

力的作用下向场内伸缩避免了对下方混凝土看台结构的不

，

图

7

加拿大卡尔加里滑冰馆

江苏建筑

20

21210

年第总第

1

期

（

期

）

利影响混凝土结构

。

缺点是钢压环

与整体结构抗震

,

需要另

布置环梁

，，

造成了一定程度的浪费

如图

8

所示

。

图

8

科威特国家体育场

方案三钢

，

竖直钢柱加钢压环梁如深圳宝安体育场

。

，

柱柱底钱接

，，

钢框架刚度相比混凝土框架小

索网张拉时钢

柱环梁

内场

，

不利次内力

。

缺点是竖直钢柱刚

度较小

，，震力

需要另外增加支撑

以抵抗

，

如图

9

所示

。

图

9

深圳宝安体育场

苏州奥体中心体育场与游泳馆项目提出的

“

外倾

V

形

柱马鞍形外压环

+

”

支承体系

，

V

形柱外倾和外压环梁一起

，

在空间上形成了平面内外刚度都非常好的锥形壳体结构

，

能很好地抵抗水平风荷载和地震力

。

柱底采用关节轴承或

球形钢支座

，

可以径向和环向双向转动，

索张拉时柱随环梁

转动

，，

支撑结构不利次内力很小

如图

10

所示

。

支承体系综合了上述

3

种方案的优点

，

时避免了

其缺点

，

是一种受力合理

、

结构效率高的新型支承体系。

图

10

V

形柱加外压环梁

江苏建筑)

(

20

21

年第

1

期期

总第

210

4

关键创新技术二

：

适用于单层索网结构的绿色建造创新

技术

4.1

发明了双向单层正交索网

“

无支架高空溜索施工技术

”

单层索网结构的常规施工方法有

2

种

：一种为满堂支

架法。

(

如图

11

所示

)

，

另一种为整体牵引提升同步锚固法

满堂支架法施工

，

需要在场内地面上搭设大量的高支架尽

，

管组网作业面好

，，

技术要求低

，

但是施工措施费高

工期长

&

场内地面长期被占用

，

同时在整个工作面范围内需采取拉

索保护措施

。

整体牵引提升同步锚固法施工

，

需要将在场内

地面低空 上组装的索网整体提升至设计位置附近

，

尽管可实现少支架或无支架施工

，

但是同步锚固各径向索

时张拉力大对大吨位提升设备工装的需求量大

，

。

图

11

采用满堂支架进行索网结构施工

针对双向单层索网结构的特点

，

创新性地提出了一种双

向单层索网结构的无支架高空溜索施工方法

。

该方法采用空

溜索的方

在高上设

索

索

，

置中间螺母和端头螺母

，

固索夹

，

分别夹

紧承重索和稳定索

。、

在地面上顺直展开承重索

固索

牵引索

的

索

，

索

装至设

锚固

，

然后在地面上顺直展开稳

索

，

设

在

的

索上

索方向

，

索牵引

高空固索张拉

上

，，

的

稳定索与外压环连接锚固。

，

结构张拉成型

，

如图

12

所示

4.2

提 单

了

结构的整体提升

索网

、

锚

固的施工技术

对体场

单层索网结构

，

地提

了一种

单力组

索网低空无

、、

整体牵引提升

高

空分批锚固的施工方法首先在地面

。

上组装径向索

和环向索

，

并安装索夹

；

用连接在外压环上的液压千

斤顶

，

向牵引径向索

，

将整个索网从低空提升至高

空

；径向

锚固索

径向索在

的高

，

低

高点分为不同批次(批次数量

)

，

提升

低高

各

径向索

环连接锚固

，

直至全部径向索锚固就位该施工方法可减少

。

施工支架量

高空作业量

，

大吨提升

的需求量

，

降低安装费用

，

实现工

，

缩短工期和提高施工效

率

，

如图

13

所示。

体育场索网为国内最大单层轮辐式索网结构

，

采用低

空组装

、

整体张拉

、

分批锚固的方式

，

实现了钢结构外圈自

9

a

环索展索

径向索铺设

C

环索索夬安装

d

径向索张拉工装

e

体育场轮辐式单层索网施工成型照片

图

13

体育场索网整体提升分批逐步锚固技术

动脱架及预应力形成钢结构应力均未出现超标情

，

索力

、

况主要优点如下

，

索网施工仅使用了

：

2

个月时间

，

(

1

)

索网低空组装避免了大量的空中作业

，

最大程度地

降低了施工风险

，

节约了大量措施

；

(

2

)

的预应力松弛试验及索夹抗滑移试验确

预应力施加值

，

避免了螺栓的二次张拉

；

(，

3

) 根据锚固的

，

液压设备吨位由小到大

分

批锚固

低了大型张拉设备的投入

；

()

4

预应力形成过程中

10

不可控因素

，

钢结构外圈采取了被动脱胎的方式

，

通过工装

索长度的控制及优化张拉顺序

，

避免在张拉过程中出现外

压环对胎架受压的情况

，

对预应力的形成及胎架安全不利

$

5

关键创新技术三

：

仿真柔性索网施工过程的精细化分析

方法

5.1

找形分析概况

索网结构包含了周边支承和索网两大部分

，

其施工过

程将经历周边支承安装

、

索网安装和预应力张拉个阶段

3

$

由于大柔性的特点

，

索网结构在荷载和预应力作芹

的变形很大

，

施工成型时的结构形态与设计目标相

符

，逐步拆除构件#

须解决两个关键难题按照与施工过程相反的顺序

：

一是如何进行大柔性索网的施工

#

分析以得$

；反算一个

二是如何确定周边支承在零应力态下的安装位形形

$，

5.2

了基于非线性动力有限元的索杆系静力

找

形分析方#

性力

出了

的

索

性动力有限元法

（）

方法流程如图

14

所示

$

在索网牵引安装

和张拉成型的施工过程中#（

，

通过引入惯性力和粘滞阻尼力

新性地提出了基于正算法的零状态找形迭代分析方法

建立非线性动力有限元方程，转

将难以求解的静力问题

，

易于求解的动力问题并通过迭代更新索杆系位形，

，索杆

的动力

于

力 索

$

在分

析前处于静力不平衡状态

，

在分析中处于动力平衡状态

，

在

力总：建

$

型，

进行非线性动力

分析

，

当总动能达到峰值时更新

#

性动力

分析

，

敛达到静力

直至误差小于限值 找形分

，则

最后对迭代收敛的一元模型进行

非线性静力有限元分析索网支承结构的

，，

检验索杆系的静力平衡状态，的模型节点坐标就

提取

分析结果

$

对各个施工

的

分析

，

施工参数

，

包括:找形迭

工装索长度

、$

牵引提升力和过程结构位形

图

14

非线性动力有限元法确定平衡态流程图

江苏建筑

20

21

年第

1

期期

（

总第

210

）

等,为施工方案制和施工

:

采用非线性动力有限元法,将难以静力平衡的有限元分

析转化通过

的动力

分析

#

形

，

使索杆系状态收敛于静力平衡解决了存在超大位

，

移和机构位移的索杆系找形问题可直接将结构成形状态的

$

位形作为初始位形

，

无需假定索的运动轨迹或者设定趋向

平衡位置的初始位移

，

并且保证了迭代的稳定性和高效性

$

5.3

提出了基于正算法的索网结构零状态找形迭代分析

方

零状态找形分析一般采用反算法

，

即以设计要求的成

型态为起始

，

施工计算简便

构件的安装

流程的分析就可得到结果，

，

分析效率高

但其仅限于结构施

工过程为保守系统

，

对

守系统而言会得到错误的结果

反算法不具有普遍的适用性

$

为确定柔性单层索网结构的无应力安装位形

，

项目创

具

体方法流程如图

15

所示

）

$

首先以结构的设计

准

模型

（#

也是目标态）

，

按照施工过程进行仿真力学模拟分析

得

施工成

的结构

形和预应力

；

将施工成

计目标态进行对比

，

若误差大于预先

的限值则反向更

新模型节点坐标；

，

完成第次迭代基于前次迭代更新模

1

型

，

再次进行施工过程分析

，

并对比施工成型态与设计目标

态

，

若误差大于限值则再反向更新模型节点坐标

，

完成本次

；，

如此循环迭代

#

析结束

多次

无应力安装位形

$

该方法与实际施工顺序一致，得到的零状

江苏建筑

2021

年第

1

期

(总第

210

期

)

15

图图

18

核心筒交叉施工防护

19

工具式外挂操作平台

3.3.3

总

理

(建立周边居民维稳制度。

1

)

积极与周边街道

、

居委会

及居民代表建立联络渠道

，

设

图提升工程周边环境

20

的窗

4

工程获奖及社会效益

在

“形成一系列包括工程设

东方之门

”

的建设过程中

，

计

、

工程建造和工程管理在内的创新技术

、

创新方法和理论

口将其处理在开始阶段

，

安排专人协调处理相问题

,

。

()

2

建立对周边重大市政工程保护机制

。

听取项目周边

市政

养单位方的意见与要求精心组织施工流程加强变

,

，

形监测信息化施工

，

通过多重保险手段保

创新

，

形成了系统的自主知识产权

％

该项目先后获得上海市

科学技术奖一等奖项

11

项、

二三等奖

等奖项

、

1

；

中国勘

政设施

的安全。

(建立突发事件应急处理制度

3

)

。

为应对各类突发事件

的发生，同时为了更

总承包项目部先后制订多项应急方案

%

设

建筑结构一等奖

、

(公共

)

建筑设

专

业一等奖

；

上

等奖

；

工

中国建筑学会建筑设

程设计一等奖中国建筑

；中国建筑装饰优秀设计奖一等奖

；

结构结构

会中国

结构 建设工程

奖

；

上

好地落常态保

相关制度

，

与业主建立联合监督共建体系

，

持与业主间实时资料的共享第一时间互通各类突发事件

，

的事态进程

、

社会影响范围和程度等各类信息

，

为及时形成

金钢奖特等奖实用新型专利

％项

形成授权发明专利

136

、

项、

国家级工法项省部级工法项％

1

、

5

上述成果为后续的

行之有效的处置方案提供时间

、

方法等选择

％

高

的和

建设提供

，

得会

好的

效益

。

3.3.

4

超高层结构施工立体交叉作业安全防护管理

(

1

)

，

塔楼核心筒采用整体提升钢平台模架体系施工

该

体系采用全封闭围护形式

，

避免了塔楼核心筒领先外围框

架立体交叉施工风险(图

18

)%

5

结语

“，

东方之门”

项目将传统文化与现代建筑融为一体

最

大限度地传承苏州历史文化

％

工程的建设促进了周

的提升

，

高品质的环境得。

()

2

塔楼外框柱结构施工时

，

采用工具式外挂操作平

台

，

外框柱施工提供临边防护

工具式外挂操

会各界的一致好评

“

东方

％

之门

”

目前中国最大的超高层综合体之一

，

以其雄伟优

台有过道简易楼梯

、解决了施工过程中作业空

围挡，

、

美的姿态矗立于姑苏古城与园区新城之间是古老东方走

，

向世界的新起点

，)

是山海之外探索东方的新门户(图

20

。

间不够

、

四周安全围挡不足的问题(图

19

)%

(上接第

10

页

)

代分析正算法

，

在每次迭代中都顺施工过程进行分析

，

具有

普遍适用性

，

应用于大柔性单层索网结构是合理

、

正确的

。

加轻薄通透的方向发展

，，

节约了用钢量

缩短了建造工期

，

绿色建

，

国单层索网结构设

与施工

技

6

结语

苏州奥体中心体育场与游泳馆工程获得中国土木工程

国

广阔应用前景。

，，

得

会

、

、

具有

詹天佑奖

、

鲁班奖

、

全国建设工程项目施工安全生产标准化

参考文献

工地 $

、

全国建筑业绿色施工示范工程

、

住建部绿色施工科技

示范工程

、

江苏省土木建筑学会科技奖一等奖

、

中国钢结构

奖

、 、

中

建

奖

工 绿

[1]

陆国良等

，

徐素君

，

苏州奥林匹克体育中心全过程建设

管理实践中国建筑工业出版社

[M],

北京

：

,

2019.

程奖

、

色

建筑设

[2]

张瀚文

,

程大勇

.

大跨度单层索网索膜结构施工技术研究

与应用

[J]

,(

建筑施工

,,

2016

38

5

)

：

567-569.

标识金级认证

、

美国

LEED

，

获得苏州市十大民心工程之

首

。

体育场荣获

StadiumDB

评比的全球最佳体育场第二名。

[3]

夏晨

.

轮辐式马鞍形单层索网结构性能分析和设计关键

技术研究南京

[D],2016.

：

东南大学

,

项目填补了国内超大跨度单层索网结构空白

，

体育场

盖索网用钢量

9.7

kg^m10.7kg^m

，

游泳馆屋盖索网用钢量

，

[4]

徐晓明

，

张士昌等

，

.

苏州工业园区体育中心体育场结构

设计简介卷增刊

[J].

建筑结构

,

2014

,

44161-164.

：

实现

“

轻、

薄推动了我国大跨空间结构

、