東北林業(yè)大學(xué)體育館荷載與結(jié)構(gòu)分析

劉俊++劉濤

摘要：隨著國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展，國家加大了對(duì)高等教育投入的力度。高等院校的體育設(shè)施，特別是體育館的建設(shè)，得到迅速的發(fā)展，并成為一個(gè)值得研究的重要課題。本文主要從體育館荷載與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剖析。

關(guān)鍵詞：體育館；荷載；結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：YU312+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）23-0142-02

東北林業(yè)大學(xué)體育館建成于2010年8月，建筑面積37000平方米，內(nèi)部設(shè)有游泳、健身、乒乓球、籃排球、輪滑等功能館，可容納5000人觀看比賽。該體育館是目前黑龍江省面積最大、功能最多的綜合性體育場館。該場館由哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，建筑高度30.6米，其中幕墻面積13019平方米，是典型的建筑幕墻工程。

東北林業(yè)大學(xué)體育館下層為框架結(jié)構(gòu)，上層為以鋼結(jié)構(gòu)為支撐結(jié)構(gòu)的建筑幕墻結(jié)構(gòu)，建筑幕墻結(jié)構(gòu)中又包括玻璃幕墻、屋面鋁板幕墻兩種，下面我將從該建筑的主要功能談起，對(duì)結(jié)構(gòu)的荷載考慮和承重模式進(jìn)行分析。

作為一個(gè)體育館，其功能主要由體育比賽和商用健身兩部分組成。為了實(shí)現(xiàn)體育比賽的場館修建目的，保證場館大小和觀眾席位置，體育館首先要做到的就是“大”，作為黑龍江省第一大綜合性體育館，東北林業(yè)大學(xué)體育館的面積毋庸置疑，與此同時(shí)為了保障場館的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，底部被設(shè)計(jì)成鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，環(huán)繞一周的直徑約為150cm的稱重柱子為結(jié)構(gòu)承受了大部分豎向荷載。框架結(jié)構(gòu)的另一個(gè)好處就體現(xiàn)在體育館與外界地面相同的地下停車場上，兩面開放式的停車場極大程度地減小了社會(huì)車輛穿過體育館所需的路程，符合低碳環(huán)保的國家號(hào)召。體育館地下外側(cè)設(shè)有乒乓球廳、跆拳道廳等教學(xué)場館，內(nèi)側(cè)則是為中心場館提供了遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求的室內(nèi)比賽凈高的要求，這使得場館內(nèi)部觀眾和選手的心態(tài)得到很好的調(diào)整——當(dāng)然，這也有屋面鋁板幕墻的功勞。

鑒于體育館的特殊使用要求，我們對(duì)重力作用也要有一個(gè)詳盡的分析，不僅要考慮運(yùn)動(dòng)員比賽的動(dòng)荷載，觀眾坐滿甚至超員的靜荷載，各種設(shè)施設(shè)備的集中荷載（如健身設(shè)施），還要考慮作為學(xué)校場館，東北林業(yè)大學(xué)體育館經(jīng)常會(huì)被作為講座、全校大會(huì)、文藝演出、演唱會(huì)等各種情況下的綜合荷載，因此對(duì)基礎(chǔ)的要求非常高，前期施工準(zhǔn)備工作也要做足、做好，只有在將人群荷載、樓面活荷載以及結(jié)構(gòu)自重考慮清楚后，才涉及到如何把體育館做得美觀大氣的問題。

建筑幕墻結(jié)構(gòu)現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于商業(yè)區(qū)高層建筑及各類體育文化場館，我國建筑幕墻行業(yè)從1983年開始起步，距今已有30年。建筑幕墻以其美觀、節(jié)能、易維護(hù)、符合場館開放式人文理念等優(yōu)點(diǎn)而深入建筑行業(yè)，成為其密不可分的一部分。體育館使用建筑幕墻主要有以下幾方面原因：首先是建筑立面外觀的要求，要與傳統(tǒng)的窗的立面有所不同，而要求大面積的整體的外圍護(hù)平面或者曲面；其次是場館采光的要求，要求有更大的通透性；再次則是跨度長、面積大的建筑在建筑安裝施工的簡約化和工業(yè)化，進(jìn)一步改進(jìn)和提高施工效率和速度。東北林業(yè)大學(xué)體育館主要在兩方面應(yīng)用了建筑幕墻結(jié)構(gòu)：一是體育館2層以上側(cè)向外圍的玻璃幕墻，二是場館頂?shù)奈菝驿X板幕墻，兩種幕墻不僅使得體育館在整體風(fēng)格上高度統(tǒng)一，更是完美地達(dá)到了與其設(shè)計(jì)效果，同時(shí)，鑒于建筑幕墻的形式多變，安置簡單，使得最初場館的多拱設(shè)計(jì)得到了完美的詮釋，也使得新體育館一躍成名，變成黑龍江省第一的高校綜合體育館。

東北林業(yè)大學(xué)體育館側(cè)面2層以上使用的玻璃幕墻，屬于單元式幕墻的一種，每兩層或一層為一個(gè)單元，與下一個(gè)單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)密封，這樣的幕墻構(gòu)造方法不僅可以使建筑物與設(shè)計(jì)形狀打到高度統(tǒng)一，還可以使幕墻結(jié)構(gòu)擁有優(yōu)良的氣密性、水密性、風(fēng)壓變形及平面變形能力，可達(dá)到較高的環(huán)保節(jié)能要求，玻璃幕墻材料相較之下位于體育館頂部的屋面鋁板幕墻則肩負(fù)著更重要的構(gòu)造任務(wù)，不僅需要滿足屋頂?shù)钠胀ńY(jié)構(gòu)任務(wù)，還需要兼顧屋頂?shù)亩喙霸O(shè)計(jì)，保證美觀，作為大跨度結(jié)構(gòu)屋面，風(fēng)荷載的作用也不可忽視，在這樣的條件下，體育館選擇了屋面鋁板幕墻，作為屋面幕墻，它擁有先進(jìn)的采光、通風(fēng)、防漏、防水、防結(jié)露技術(shù)，可以保證任何天氣下體育館內(nèi)部的環(huán)境都不受影響，作為鋁板幕墻，擁有多項(xiàng)新技術(shù)的綜合應(yīng)用（防火、防腐、遮陽、控制），它進(jìn)一步提高了建筑屋面的安全性、適用性。而對(duì)于一向領(lǐng)設(shè)計(jì)師頭疼的風(fēng)荷載問題，東北林業(yè)大學(xué)體育館的設(shè)計(jì)上也表現(xiàn)出了獨(dú)特的解決思路，屋頂?shù)匿摻Y(jié)構(gòu)支撐在四個(gè)方向上分別單獨(dú)設(shè)置了與斜梁相固定的鋼結(jié)構(gòu)支架，如此，極大程度上減小了體育館頂部穹頂被風(fēng)荷載破壞的可能性，保證了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

除了以上所談到的荷載外，雪荷載作為東北地區(qū)必須討論的話題也應(yīng)該引起我們的重視，尤其是位于“東三省”最靠北方的黑龍江省的輕屋面結(jié)構(gòu)，對(duì)于雪荷載所帶來的后果必須加以考慮。東北林業(yè)大學(xué)體育館屋頂雖然采用的是輕質(zhì)的屋面鋁板幕墻結(jié)構(gòu)，但屋面下有優(yōu)質(zhì)的節(jié)點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，只要對(duì)雪荷載的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值代入準(zhǔn)確，可以做到防止大雪對(duì)體育館整個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞的惡果。

作為人流密集的公眾場所，室外樓梯是人群荷載最為集中的地方，加之前幾年國內(nèi)沸沸揚(yáng)揚(yáng)的多起青少年“踩踏事件”，我國對(duì)樓梯、安全通道等做出了嚴(yán)格規(guī)定。東北林業(yè)大學(xué)體育館設(shè)置了多個(gè)由各個(gè)疏散門引導(dǎo)出的人群的室外樓梯共6處，寬度均符合國家要求，在各個(gè)出口外直接設(shè)立室外樓梯不僅可以非常有效地避免人群擁擠，還能在發(fā)生意外險(xiǎn)情（如地震、火災(zāi)、爆炸、綁架等）時(shí)使受害者擁有求生之路，救援者也省去“另辟蹊徑”的精力，是符合當(dāng)代社會(huì)以人為本價(jià)值觀的合理舉措。

以上我從建筑用途方面大概性地介紹了東北林業(yè)大學(xué)體育館的結(jié)構(gòu)與荷載設(shè)計(jì)的基本概況和亮點(diǎn)，下面我將從設(shè)計(jì)者的角度對(duì)體育館的幾項(xiàng)常規(guī)荷載設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析。

首先是東北地區(qū)較南方地區(qū)最大的不同之處——雪荷載，作為房屋屋面的主要荷載之一，其導(dǎo)致屋面結(jié)構(gòu)破壞的事例非常多見，尤其是對(duì)于雪荷載較為敏感的裝配有輕型屋蓋大跨度結(jié)構(gòu)。上文中已經(jīng)提過，體育館的屋面采用鋁板幕墻結(jié)構(gòu)，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012中的敘述，新規(guī)范對(duì)很多城市的基本雪壓進(jìn)行了重新統(tǒng)計(jì)，表中數(shù)值發(fā)生了變化，并且再次強(qiáng)調(diào)對(duì)雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)（輕型屋蓋，大跨屋蓋），基本雪壓應(yīng)適當(dāng)提高，并應(yīng)按相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的雪壓進(jìn)行設(shè)計(jì)。

其次是被列為大跨度結(jié)構(gòu)的控制荷載——風(fēng)荷載，哈爾濱市的位置決定了當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)荷載不存在（小概率）出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)的情況，因此，東北林業(yè)大學(xué)體育館是建立在起始于歐亞大陸的季風(fēng)氣候的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算的。哈爾濱地區(qū)的海拔高度為145.1m，風(fēng)壓系數(shù)為1/1630，相對(duì)于沿海部分地區(qū)，風(fēng)壓系數(shù)較小，這是由當(dāng)?shù)氐目諝庵囟葲Q定的。哈爾濱市50年一遇的基本風(fēng)壓值為0.55，對(duì)于大跨度體育館結(jié)構(gòu)分析，順風(fēng)向風(fēng)振較橫風(fēng)向風(fēng)振更具有破壞性，因此，順風(fēng)向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值就成為風(fēng)荷載求解過程中的重點(diǎn)，按照風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算過程進(jìn)行逐步分析，第一是確定基本風(fēng)壓，這一值前文中已經(jīng)給出；第二是風(fēng)荷載體型系數(shù)，對(duì)于不規(guī)則結(jié)構(gòu)的體育館造型，為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，需要同時(shí)計(jì)算風(fēng)荷載體型系數(shù)和造型連接處的局部風(fēng)壓體型系數(shù)，以便對(duì)體育館拱形屋面進(jìn)行有效固定，同時(shí)要注意周邊建筑物的影響，對(duì)于這一點(diǎn)，東北林業(yè)大學(xué)體育館在設(shè)計(jì)建造時(shí)還沒有對(duì)游泳館進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此在設(shè)計(jì)驗(yàn)算時(shí)一定沒有疊加游泳館的影響，但游泳館建成并投入使用多年來，體育館沒有因局部風(fēng)荷載改變而發(fā)生破壞，這足以證明我們的設(shè)計(jì)是合理的，也是有一定彈性的；第三是確定風(fēng)壓高度變化系數(shù)，可以直接根據(jù)規(guī)范的表格查取；第四是計(jì)算結(jié)構(gòu)的基本周期，對(duì)于結(jié)構(gòu)的基本周期，我們需要按結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動(dòng)理論來計(jì)算結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)，并考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)發(fā)生的順風(fēng)向風(fēng)振的影響（36m以上大跨度屋蓋）；第五是脈動(dòng)風(fēng)荷載的空間相關(guān)性系數(shù)（橫豎向分別計(jì)算）；第六是振型系數(shù)，但體育館的特殊造型使得它既不服從高層結(jié)構(gòu)的一般規(guī)律，又不是傳統(tǒng)的低層結(jié)構(gòu)構(gòu)造，常規(guī)公式不可能得出計(jì)算結(jié)果；第七是背景分量因子；第八是共振分量因子；第九是確定風(fēng)振系數(shù)；最后一步即計(jì)算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。諸多的經(jīng)驗(yàn)公式羅列在前，規(guī)范的公式疊加條件在后，對(duì)于一個(gè)大跨度不規(guī)則體育場來說，風(fēng)荷載的計(jì)算顯然很有難度，我沒有查到東北林業(yè)大學(xué)圖書館是否進(jìn)行了工大風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)作用，不知道這個(gè)建筑是否通過了權(quán)威的風(fēng)洞檢驗(yàn)，不過經(jīng)過幾年的使用，我清楚地知道，這是一個(gè)經(jīng)得起“考驗(yàn)”的優(yōu)質(zhì)體育館，這是一次成功的設(shè)計(jì)。

至此，我結(jié)合我所想到的所學(xué)的已經(jīng)對(duì)東北林業(yè)大學(xué)體育館這一以“騰飛”為主題的黑龍江省高校最大的綜合性體育館的荷載和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的分析，專業(yè)性有所不足，請諸位大家海涵。

作者簡介：劉俊（1992-），男，山西大同人，東北林業(yè)大學(xué)本科在校生。

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