钢结构案例分析

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案例一：美国亚特兰大体育馆 （佐治亚穹顶）

索穹顶结构

索穹顶结构是20世纪80年代美国工程师盖格（Geiger）发展和推广

富勒（Fuller）张拉整体结构思想后实现的一种新型大跨结构，是一

种结构效率极高的张力集成体系或全张力体系。它采用高强钢索作为

主要受力构件，配合使用轴心受压杆件，通过施加预应力，巧妙地张

拉成穹顶结构。该结构由径向拉索、环索、压杆、内拉环和外压环组

成，其平面可建成圆形、椭圆形或其他形状。整个结构除少数几根压

杆外都处于张力状态，可充分发挥钢索的强度，这种结构重量极轻，

安装方便，经济合理，具有新颖的造型，被成功地应用于一些大跨度

和超大跨度的结构。

1992年，美国工程师李维（M.P.Levy）和对盖格设计的索

穹顶结构中索网平面内刚度不足和易失稳的特点进行了改进，将辐射

状脊索改为联方型，消除了结构内部存在的机构，并取消起稳定作用

的谷索，成功设计了佐治亚穹顶（Georgia Dome）（1992年建成，椭

圆形平面，240.79m*192.02m），成为1996年亚特兰大奥运会的主

体育馆屋盖，用钢量不到30kg/m²。

佐治亚穹顶体育馆位于亚特兰大的中心地带，1992年作为美国

橄榄球联盟亚特兰大大猎鹰队的主场开放。该馆因成为1996年奥运

会主体育场馆，是世界上最大的电缆支撑穹顶形体育馆。

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佐治亚穹顶，是目前世界上最大的索穹顶结构，双曲抛物面型张

拉整体索穹顶结构，由美国工程师列维等设计，是1996年亚特兰大

奥运会主赛馆的屋盖结构，其长轴为240米，短轴为193米，为钻石

形状，曾被评为全美最佳设计。整个结构由联方型索网、三根环索、

不连续撑杆及中央桁架组成。

佐治亚体育馆的结构是一个空间桁架，其底部弦杆由环形索代

替。这个屋顶为240m*193m的椭圆形，是同类索膜结构中世界上最大

的。它由涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维膜覆盖。屋面呈钻石状，看上去

象水晶一般。

整个屋顶由7.9m宽、1.5m厚的混凝土受压环固定，共52根支

柱支撑着700m周长的混凝土受压环，钢焊接件被预埋进受压环内，

以提供26个屋顶连接点。为了使屋顶的热膨胀不影响下部结构，受

压环座落在“特氟隆”承压垫上。这样，外力作用下承压垫只能径向

移动，并可将风力和地震力均匀传向基础。

脊索及底部环索上的连接件均为焊接件。这些接头沟通过钢板与

其他杆件连接。飞杆的底部与斜索和环索固定，飞杆的连接件做成铰

接件，以使其易于安装并在不均匀承重情况下允许接头旋转。

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外 景

膜顶施工中俯瞰图

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亚特兰大体育馆（佐治亚穹顶）

Georgia Dome, Atlanta, Georgia

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内 景

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亚特兰大体育馆（佐治亚穹顶）

Georgia Dome, Atlanta, Georgia

Levy体系索穹顶与Geiger体系索穹顶的区别与改进：

对Geiger索穹顶辐射状布置的脊索改为葵花型（三角化型）布

置，使屋面单元呈菱形的双曲抛物面形状，另外，中间设置了中央桁

架以连接两个半圆，上索网采用了三角形网格以适应非圆形的外形。

李维体系与盖格体系的主要区别在于脊索和斜索的布置。盖格体系的

脊索、斜索和立柱均在同一平面内，每个节点上仅有一根斜索相连，

脊索沿径向布置，斜索、立柱与其相应的脊索构成一竖向平面三角形；

李维体系的脊索、斜索和立柱不在同一平面内，而是构成立体桁架。

每个立柱顶的节点上有两根斜索与相邻内环立柱底的节点相连，每个

节点有四根脊索，脊索网的平面投影维四边形或三角形。

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索穹顶结构示意图

The Sketch of “Cable Dome”

经过三角划分的Levy体系索穹顶，虽然增加了结构的复杂性，

并使结构对制造和施工误差较为敏感，但由于结构构成立体桁架形

式，消除了结构存在的机构，几何稳定性明显提高，从而提高了结构

抵抗非均布荷载作用的能力。与Geiger体系索穹顶相比，Levy体系

索穹顶上部的薄膜更易于铺设，屋面更易升高，并能更好地解决屋面

自由外排水问题。Levy体系索穹顶可适用于多种平面形式，所以说

Levy体系索穹顶是一种更具生命力的结构形式。除了已建成的圆形和

椭圆形（接近正方形或矩形）外，还可设计成中间大开口的形状。李

维体系可用于大跨度屋盖结构。

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施工工艺要点及难点：

索穹顶结构的技术要点主要表现在结构计算、节点设计与制作、

施工张拉三个方面。索穹顶的施工过程复杂，结构构件受力变化大，

结构非线性程度大，同时结构的刚体位移很大。

索穹顶结构与传统结构施工方法不同，有其自己独特的施工方法

和施工要求。首先，结构在未施加适当的预应力之前，刚度、稳定性、

几何形状以及检点坐标都不能满足设计要求，在施加预应力的过程

中，结构的形状和拓扑是逐步累积形成的，且随着结构各杆件刚度的

变化，预应力和形状也在不断的重新分布。其次结构在成形的过程中，

结构或部分结构发生大位移、大变形，刚体运动和弹性变形共存，而

且相互耦合。除此之外，索是一种高强度、低回弹材料，即使是索下

料长度比较小的误差也可能导致结构预应力分布相当大的误差，结构

的刚度以及形状都将随之发生显著的改变。

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基于上述分析，索穹顶结构施工关键技术主要包含以下四个方

面：结构施工偏差及构件尺寸精度控制、结构安装成形方法、预应力

张拉次序和方法、施工过程检测控制。

在本工程中，穹顶安装对施工公司来说是个不同寻常的挑战：穹

顶采用椭圆形设计，因此要求连续弯曲，弯曲总长度最高可达到250

英尺。之前曾多次采用加铝的单芯电力线缆，但采用世德合金铠装电

缆还是第一次。世德合金型铠装电缆重量轻、韧性好，是应用于穹顶

环形设计的理想材料，且无需花费大量时间进行弯曲便可轻松安装到

整个椭圆形体育馆上。长达2万5千多英尺的世德合金电缆环绕半英

里长的穹顶一周，上下达27层楼高。

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案例二：北京工业大学体育馆（弦支穹顶结构）

弦支穹顶结构

典型的弦支穹顶结构体系由上部单层网壳、下部的竖向撑杆、径向拉

杆或者拉索和环向拉索组成，其中各环撑杆的上端与单层网壳对应的

各环节点铰接，撑杆下端由径向拉索与单层网壳的下一环节点连接，

同一环的撑杆下端由环向拉索连接在一起，使整个结构形成一个完整

的体系，结构的传力路径也比较明确。在正常使用荷载作用下，内力

通过上端的单层网壳传到下端的撑杆上，再通过撑杆传给索，索受力

后，产生对支座的反向推力，使整个结构对下端约束环梁的横向推力

大大减小。与此同时，由于撑杆的作用，大大减小了上部单层网壳各

环节点的竖向位移和变形。

基本信息：

北京工业大学位于北京市朝阳区东南区，毗邻东四环路，交通便

利。体育馆位于北京工业大学东南区，总建筑面积约34383平方米，

赛时座席约15000个。体育馆已于2007年9月30日竣工。

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北京工业大学体育馆平面示意图

北京工业大学体育馆是2008年奥运会羽毛球、艺术体操比赛馆。

建筑物平面设计为椭圆形，分为比赛馆和热身馆两部分，该工程总建

筑面积为24383m²。体育馆局部地下1层，地上4层；热身馆地上1

层，场馆上部屋盖为钢结构体系。±0.000相当于绝对标高35.050m。

北京工业大学体育馆还创造了世界建筑史上的一个记录——世

界上跨度最大的预应力弦支穹顶，最大跨度达93m。

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北京工业大学破面示意图

一、设计特点

1、预应力张弦穹顶结构

北京工业大学体育馆上部是一个球冠顶面的单层网壳，由很多钢

管组成，下部用钢索撑起来，因为整个场馆的跨度有93米。在羽毛

球馆单层网壳下面，使用高强度的钢索进行张拉将网壳支撑住。在体

育馆穹顶结构中，连接五道环索的，是编织成渔网般的钢管。而在这

编织结构中，有102个万向可伸缩节点。所谓万向可伸缩节点，就是

将环索和“渔网”交叉点的“死扣”改成“活扣”。

而“活扣”的作法，就是将固定节点分成两半，顶部固定的部分

开凹槽，而底部的一部分则做成半球状，类似于人的关节。两个一套，

受力性能更好，对建筑来讲更安全。

2、精密巧妙的挡风设计

北京工业大学体育馆采用了观众席席下送风的空调设计，也就是

看台内增设空调送风管道，让凉风从观众的坐椅下面吹出来。每两个

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座位下面有三个直径各13厘米的送风口，整个体育馆中，这样的送

风口共有9100多个。这样将一个出风口“分解”成了9100多个出风

口，风速当然就比较小，另外，将出风口设计在观众席下，回风口设

计在两层观众席之间，还可以避免涡旋气流的产生，不会对运动员比

赛造成影响。

3、绿色环保理念

北京工业大学校园中已经实现了雨水收集利用，而体育馆的人行

广场采用彩色透水混凝土，部分灯具采用高效发光二极管照明，体育

馆冬季采用地热供暖方式，夏季采用水源热泵系统制冷，这些都能够

达到节能环保的效果。

同时，馆内具有完善的废弃物处理系统。在体育馆的两个端头各

设置一个垃圾处理间，卡车可以方便到达，便于垃圾的收集和转运。

在体育馆的每个卫生间旁边斗设置有清洁设备储藏间和清洁人员休

息间，便于清洁人员的工作。

二、施工技术特点

为贯彻三大理念中的“绿色奥运”理念，体育馆对建筑主体加以

节能规范化设计，提高维护结构的保温、隔热通风性能，能缩短能源

系统的运行时间，减少能耗。具体体现在以下措施：

1、严格控制体育馆各部分的传热系数，非透明屋顶的K值控制在

0.7W/(m2·K)以下，透明非透明屋顶和玻璃幕墙的K值控制在

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2.0W/(m2·K) 2.0以下。外墙K值控制在0.8W/(m2·K)以下，窗户

K值控制在2.5W/(m2·K) 以下。

2、在玻璃幕墙和大面积的窗户上设置可调节式的外遮阳。

3、自然采光，窗地面积比严格控制在规范的要求范围内。

4、由于体育建筑本身的特点，有部分房间难以达到自然采光的要

求，本设计对其采用了一些强化和调控措施。

5、自然通风，由于体育馆的功能特点，通风的房间都是单侧自然

通风，所以通风房间的进深和层高比控制在2.5以内。

6、本工程形状复杂，弧线众多，无标准间，标高变化大。混凝土

结构内边缘由半径46.5m的圆形构成，外缘是由多段圆弧曲线构成的

近似椭圆的形状。由于本工程结构形状特殊，曲线众多，使得平面位

置控制、钢结构节点三维空间位置控制成为测量放线工作中的难点。

施 工 图

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外 观 图

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内 部 图

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