MIDAS GEN在空間結構建模中的應用
——以廣州天河體育中心全民健身綜合場網球館投標方案為例

周小軍（廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東　廣州　510060）

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MIDAS GEN在空間結構建模中的應用
——以廣州天河體育中心全民健身綜合場網球館投標方案為例

周小軍（廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東廣州510060）

本文介紹了廣州天河體育中心全民健身綜合場網球館投標方案的設計特點，著重介紹了場館外殼三維空間結構的建模過程，總結出一些設計經驗，對類似三維空間結構的設計有一定的借鑒作用。

MIDAS；空間異形結構；應用

1　工程簡介

天河體育中心全民健身綜合場工程位于廣州市天河區天河體育中心內，總建筑面積（即單體建筑面積）為7508.63m2，其中地下室的建筑面積為1290m2。主要建設內容為綜合運動場主體工程、網球場、室外工程以及其他附屬工程，設觀眾席3500個（固定座椅2500個，臨時看臺座椅1000個）。綜合運動場主體工程包括運動員活動區域（600m2），賽事管理及記者工作區（460m2），賽事運行區域（900m2），貴賓區（650m2），庫房、衛生間、走道及其他區域（4707.93m2），看臺（190.7m2）。該場館將建成全民健身綜合場，并承擔廣州女子網球公開賽的中心場地使用。

2　結構體系及特點

建筑師在構思方案過程中，以廣州市花木棉為靈感，將網球場形體以花瓣形式展現（圖1）。結構師在參與方案設計過程中，考慮將外部鋼結構殼體與內部混凝土看臺部分脫離，自成結構體系。花瓣形殼體在起著裝飾作用同時，亦用作場館圍護及看臺頂部遮擋，將建筑形態之美由力學的工程設計表達出來。本文主要對該花瓣形空間結構的建模計算進行探討。

圖1　建筑效果圖

不同于傳統結構的梁柱體系，本工程的花瓣形外殼體是由光滑圓潤的異型曲面組成的空間結構。這些異型曲面是建筑師根據大自然中的奇景妙象所觸發的靈感創造而成，無法用二維建筑圖表達清楚，也往往無法應用數學函數公式賦形，必須要采用三維建筑模型等比例表達。

對于結構專業而言，理想的空間異型曲面是由光滑的空間弧面和弧線組成，最具效果的解決辦法是采用貼合曲面的弧形鋼管和弧面面板。然而空間異型曲面往往每一個點的曲率半徑都不相同，無法用數學函數描述，這就使得建模計算及后續施工不具備可行性。為了解決這個問題，一般做法是將原生態的光滑曲面分解為經濟合理的小平面，空間弧線則分解為相應折線。這樣，光滑的初始曲面就轉化成形狀相近的空間網格，空間三維曲面模型轉換成空間二維線條模型，從而為力學模型的建立確定了基礎，也是后續施工的依據。

3　結構分析及設計

因本工程是空間異型結構，不具備傳統意義上的“層”概念，故無法采用SATWE軟件進行分析。而MIDAS/GEN在空間有限元建模分析方面有較大優勢，所以本工程采用MIDAS/ GEN進行力學分析。

建筑專業常用Rhino做建筑曲面造型，在此基礎上，結構專業亦可以充分與建筑專業對接，應用Rhino建立空間結構模型線框圖，將Rhino的NURBE-樣條B曲線單元等分結構單元，然后將所有曲線導出為直線，用于結構軟件的輔助建模。

MIDAS有限元有限元分析模型如圖2所示，鋼構件采用考慮剪切變形影響的Timoshenko梁單元模擬：結構主體框架采用400×800×12方鋼管，主體腹桿采用300×300×6方鋼管，花瓣形構件之間的系桿140×5圓鋼管；構件之間添加虛面，用于施加各種荷載。

圖2　MIDAS有限元模型

工程結構的安全等級為一級，結構重要性系數為1.1。綜合考慮結構的安全與經濟，確定構件應力比的控制原則為：主要構件的應力比不大于0.85，次要構件的應力比不大于0.90。主要構件即指主體框架極其腹桿，其余均按次要構件考慮。

結構的動力特性（頻率和振型）是進行地震反應分析的基礎。在MIDAS軟件中，提供了兩種進行模態分析的方法：特征值向量法和多重Ritz向量法。采用特征值向量法可以精確獲得結構的自振頻率和振型，而多重Ritz向量法是基于荷載相關的Ritz向量近似求得結構的自振頻率和振型。盡管前者是精確的，后者是近似的，但在振型分解反應譜分析中，由于計算結果受荷載分布形式的影響很大，此時若采用多重Ritz法求得的結果代替特征值向量法，可以大大提高振型分解反應譜法的收斂速度和計算精度。

由初步動力分析結果（圖3）可知，本結構整體剛度較差，第1階振動模態即為角部的局部振動，且結構質量參與系數合計為14.3%（X向平動）、11.9%（Y向平動），遠未達到《建筑抗震設計規范》要求的90%。

經過與建筑師討論方案，在結構角部增加腹桿，增強角部剛度，強迫結構薄弱部位轉移；并增設環向桁架，增強結構整體性。調整后的有限元模型如圖4。進行動力分析，第1、2階振動模態振型如圖5～6所示。程序輸出結果表明X向平動質量參與系數合計91.1%，Y向平動質量參與系數合計93.5%；滿足規范要求，方案可行。

4　結語

圖3　第1階振動模態

圖4　調整后的有限元模型

圖5　調整后模型第1階振動模態

圖6　調整后模型第2階振動模態

廣州天河體育中心全民健身綜合場項目網球場鋼結構外殼屬于空間三維結構，不同于常規的結構形式。結構專業在建筑方案初期即已介入，給與建筑師合理的結構方案建議。本文簡述了建筑模型向結構有限元模型的轉化過程，對整體結構進行初步分析和設計，對建筑方案存在的問題采取了合理的解決措施，保證結構整體安全可靠，滿足國家先行規范要求。

［1］建筑荷載設計規范（GB50009-2001）（2006年版），中國建筑工業出版社，2006.

［2］鋼結構設計規范（GB50017-2003），中國建筑工業出版社，2003.

［3］建筑抗震設計規范（GB50011-2001）（2008年版），中國建筑工業出版社，2008.

所獲榮譽及獎勵：

2011年度廣東省優秀工程勘察設計工程設計類三等獎；

2012年度廣州市優秀工程勘察設計工程設計類三等獎；

2014年度廣州市優秀工程勘察設計工程設計類二等獎；

2015年度廣東省優秀工程勘察設計工程設計類三等獎。

周小軍（1982-），男，國家一級注冊結構工程師，碩士，主要從事建筑結構設計工作。

TU352.1+1

A

2095-2066（2016）11-0087-02

2016-3-8