建筑结构选型分析-国家体育场

建筑结构选型题目建筑结构分析姓名XXX学号XXXXXXXXXX专业班级土木工程XXX班分院土木建筑工程学院任课老师XXX2目录引言.....................................................3工程概况.................................................4建筑方案结构形式.........................................5结构设计要点.............................................5地源热泵系统..........................................5环形管网的沟槽连接方式及其水系统设计..................6拱铰设计..............................................8总结....................................................11参考文献................................................113引言国家体育场的外观以建筑结构的形式直接表现,立面形式和建筑结构达到了完美的统一。国家体育场呈双曲面马鞍造型，东西向结构高度为68m,南北向结构高度为41m，钢结构最大跨度长轴333m,短轴297m,由24榀门式桁架围绕体育场内部碗状看台旋转而成。结构构件相互支撑,形成网格状构架,如同一个用树枝编织成的“鸟巢”。其中蕴藏深厚的东方文化内涵：即秩序、内敛的东方美学思想，建筑设计将看似无序的框架纳入严谨的受力体系中,使秩序中存在着无限的变化。4工程概况国家体育场工程总占地面积21公顷，高度69米，场内观众坐席约为91000个。结构分为基座、屋顶与包厢。基座与体育场的几何体合二为一，行人走在平缓的格网状石板步道上，步道延续了体育场的结构肌理。步道之间的空间为体育场来宾提供了服务设施：下沉的花园，石材铺装的广场，竹林、矿质般的山地景观，以及通向基座内部的开口。从城市的地面上缓缓隆起，几乎在不易察觉中形成了体育场的基座。体育场的外观就是纯粹的结构，立面与结构是统一的，将建筑物的立面，楼梯，碗状看台和屋顶融合为一个整体。为了使屋顶防水，体育场结构间的空隙将被透光的膜填充。国家体育场包厢位于体育场的四层，赛后通过改造，赛后包厢的数量为140个。它不仅提供了一个亲临其境的最佳观赛场所，更为社会企业和各界名流搭建一个交际、公关、答谢客户的社交平台。5建筑方案结构形式国家体育场工程为特级体育建筑，主体结构设计使用年限100年，耐火等级为一级,抗震设防烈度8度,地下工程防水等级1级。工程主体建筑呈空间马鞍椭圆形，南北长333米、东西宽294米的，高69米。钢结构总用钢量为4.2万吨，混凝土看台分为上、中、下三层，。钢结构与混凝土看台上部完全脱开，互不相连，形式上呈相互围合，基础则坐在一个相连的基础底板上。钢架结构是指梁柱之间为刚性连接的结构。在竖向荷载作用下，由于柱对梁的约束作用减小了梁跨中的弯矩和挠度。在水平荷载作用下，由于梁对柱子的约束作用减少了柱内的弯矩和侧向变为。钢架结构的承载力的刚度很大。国家体育场屋顶钢结构上覆盖了双层膜结构，即固定于钢结构上弦之间的透明的上层ETFE膜和固定于钢结构下弦之下及内环侧壁的半透明的下层PTFE声学吊顶。“鸟巢”外形结构主要由巨大的门式钢架组成，共有24根桁架柱，主体钢结构形成整体的巨型空间马鞍形钢桁架编织式“鸟巢”结构。看台混凝土结构为地下1层，地上7层的钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。结构设计要点地源热泵系统地源热泵的设置考虑了赛后酒店的运营需要。在夏季夜间地源热泵作为基载主机向酒店及其附属用房供冷，冬季地源热泵作为市政热网的辅助热源可满足不同时段的供热要求，如在秋末、春初没有市政供热而酒店有供热需求时，地源热泵可以很好地满足酒店供热的要求。国家体育场中的足球场地为地源热泵系统提供了充足的埋管空间。通过地埋换热管冬季吸收土壤中蕴含的热量为建筑物供热，夏季吸收土壤中存储的冷量向建筑物供冷。经过计算可埋管区域，并根据满6足赛时、赛后部分负荷运行以及蓄冰时作为基载主机的负荷要求，确定地源热泵的装机容量。这样既减少了部分负荷运行的能耗，又充分利用可再生能源。地埋换热管选择垂直埋管的双U型埋管形式。为了避免对地上草坪的影响，要求在草坪5cm下进行换热。均匀布置，井间距4~5cm,孔口直径在250mm左右。地下埋管环路采用并联方式，分为5个环路，通过水平干管引至地源热泵机房。环形管网的沟槽连接方式及其水系统设计体育场空调水系统和供暖水系统的主输配管均敷设在0层环廊上空。由于国家体育场形状特殊和受空间的限制,水管必须按照体育场的形状敷设,而非常规的直线敷设。这使得传统的补偿方式并不适合环形水管,因为传统方式需要集中设置补偿器,而环形水管的管道支吊架的受力分析尚不明确,存在安全隐患。因此在设计中对环形水管采用了沟槽连接方式。沟槽式连接方式是指用专用快速接头将外壁上有规定尺寸沟槽的管道连接起来的方法。沟槽式连接安装简单、快速;对管道的内径及管道的内表面没有影响,安装过程不会给管道带来任何污染,维护方便;最重要的是采用挠性接头将管道的补偿方式由集中补偿变为分散补偿,在一定管道长度范围内管道的固定支架7和导线支架的受力分析明确,提高了安全可靠性。这种连接方式在蒙特利尔奥林匹克体育馆、亚特兰大奥林匹克体育馆、汉城世界杯体育场得到了应用。由于国家体育场0层环路上空各专业管道密集、安装空间小,采用柔性沟槽连接不但可以节省安装空间,还能够灵活地调整安装角度,很好地适应了体育场的安装要求。奥运会赛时空调系统集中使用,空调负荷波动较小,故空调水系统采用一次泵系统。水系统采用压差旁通控制,变流量运行。由于制冷机房为2个,0层及以上层空调区域的负荷不均衡,故在0层环形通道上空设计一个环形空调供、回水管网,主导冷源及地源热泵冷热源均接入环形管网中。负荷侧的空调水管均从管网上接出至核心筒管井或0层空调机房。在每个环路分支处均设置平衡阀,在空调末端设备处设置变流量动态平衡电动调节阀,以解决系统平衡问题。赛后商业运行模式下,负荷会有较大的波动,故赛后冷水系统采用变水量系统,根据负荷变化,变频控制冷水泵,实行节能运行。赛时、赛后空调水路均为两管制,空调(新风)机组水系统为异程式,风机盘管水系统采用竖向同程式布置。环形空调冷、热水管网的水力工况非常复杂,多个冷、热源联网运行,管网中压力平衡点随着工况变化、系统调节而变动。因此必须经过准确可靠的计算,对环形管网的水力工况进行模拟预测,以指导设计及运行。为此用软件进行了环形管网及与此环形管网相连的空调冷、热水管支路(包括空调箱支路及风机盘管支8路)的水力工况模拟计算。计算结果表明,若环形管网各段管径不同,则各支路流量偏差较大;工况变化时,压力平衡点变化,部分管段的流向也发生变化,此时变管径环形管网各支路会产生更大的偏差,因此不选取变管径方案,而采用了DN450的统一管径,可以达到流量自然分布偏差在±10%以内的标准,部分工况比全负荷工况更加容易达到自然分布。拱铰设计体育场看台采用跨度280m的巨型落地预应力桁架拱结构。按钢结构整体设计的受力要求，主拱位于南、北两端的两个拱脚需要在预应力施工阶段采用铰接并可滑移、正常使用阶段采用固接的拱脚设计。该巨型落地预应力桁架拱是由4根直径750mm的弦杆和直径273～400mm的腹杆组成的空间管桁架结构，与水平面成55°夹角，在拱脚根部，桁架截面呈对角弦杆中心线距离为5m的菱形。拱脚支座的设计是整个钢结构罩篷设计的关键点之一。按上部钢结构整体设计受力需要，在拱底预应力索张拉施工时，主拱拱脚应为允许转动的铰接支座，并需要随预应力拉索的张拉向跨度内侧方向相向滑移104mm(南拱脚支座)和107mm(北拱脚支座)，均为单侧滑移值，两端相向滑移总量为211mm。此时结构处于后装杆件尚未安装、已安装杆件随预应力张拉而部分逐渐落架的状态。从设计的角度来看，“可滑移的铰支座”要求拱脚的传力归拢到一点，否则难以实现一定量的转动和滑移。但在构造上，若将主拱4根外径750mm的弦杆并拢到一点，不仅实际施工制作的难度很大、造价很高(主拱弦杆为Q460高强钢材，如采用相近强度的铸钢件，需要在铸钢中添加特殊化学元素，将明显提高造价，且焊接的难度也大大提高)，而且可能加大下一阶段主拱拱脚变换为固接支座后在构造上和传力上的难度。因此经多方案比选，决定采用主拱弦杆在拱脚处不内收、另设加强腹杆交会到拱底形心的设计。同时，为保证铰接支座的可转动性，9在拱底加强腹杆交会的形心处采用销接构造；预应力张拉时的滑移采用销下设限位滑槽的方法。为保证可靠传力，在前述拱脚端部加强腹杆之间设置双向穿心钢板和径向撑管两道，以改善拱脚在第1阶段的受力。在穿心钢板上满打M19@200×200的焊钉以保证钢板在下一阶段与混凝土成为整体。为减小滑块和滑槽之间的摩擦力，相关接触面须进行精加工，在两个接触面之间放置镜面不锈钢板和聚四氟乙烯板，使接触面摩擦系数不超过0.02。销轴和销孔之间的接触面也应精加工、做镜面处理，以保证张拉预应力时不产生对支座和结构不利的附加内力。预应力张拉完毕后，拱脚受力将从第1阶段过渡到第2阶段，由铰接滑移拱脚变为固接拱脚。由于没有将主拱弦杆交汇，所以在第2阶段可以很方便可靠地实现埋入式固接拱脚，而尺寸较大的外包混凝土能够恰好被在拱脚处建筑设计所需要的堆土所覆盖。主拱弦杆按伸入拱脚混凝土内的长度不小于3倍的弦杆外径进行设计，同时在弦杆端部设环形靴梁、在弦杆伸入混凝土拱脚约300mm处设环形反牛腿、在弦杆外表面满打焊钉以保证埋入式拱脚的可靠传力。在混凝土承台中除沿外表面配置双层双向钢筋外，在内部配置三向钢筋网，并在下部灌注桩10施工时在桩端先行预埋型钢，以提高拱脚抗拔和抗剪承载能力，并加强桩身和承台之间的整体性。11总结体育场的空间效果新颖激进，但又简洁古朴。体育场的外观就是纯粹的结构，立面与结构是统一的。各个结构元素之间相互支撑，汇聚成网格状，就像编织一样，将建筑物的立面、楼梯和屋顶融合为一个整体。由于所有的设施：餐厅、客房、商店和卫生间都是独自控制的单元，建筑外立面的整体封闭因而是非常不必要的。这使体育场自然通风，是体育场环保设计的最重要的一个方面。鸟巢，以一种仿生式网格结构，其形态如同孕育生命的巢，它更像一个摇篮，寄托着人类对未来的希望。建筑结构选型要照顾到设计的方方面面，既要与建筑形式相呼应，又要考虑技术经济问题，勇于探索新的结构形式，满足人们使用需求与审美需求，当然，最根本的还是要保证结构的稳定与安全。参考文献[1]建筑空间组合论彭一刚著,中国建筑工业出版社1998.10[2]建筑构造李必瑜魏宏杨主编,中国建筑工业出版社2008.11[3]建筑结构选型戚豹编著中国建筑工业出版社2008.1.1[4]建筑结构设计的美学原则郭志恭郭薇薇西安交通大学