建筑结构选型分析-国家体育场
国家体育场的建筑_结构与体育功能设计特点
第14卷第2期2008年6月空 间 结 构SPA TIAL STRUCTU RESVol.14No.2J un.2008收稿日期:2007202201.基金项目:国家体育总局体育社会科学研究项目(738ss05001).作者简介:杨嘉丽(1957—),女,湖南宁乡人,副部长,中国建筑学会理事,主要从事体育建筑规划与管理工作.E 2mail :honestlycai @ 国家体育场的建筑、结构与体育功能设计特点杨嘉丽1,杨欢欢2,龙志飞2,王 丽2,蔡庆飞2,魏茂林2(1.北京奥组委工程和环境部,北京100083;2.中国矿业大学(北京)力建学院,北京100083)摘 要:国家体育场是2008年第二十九届北京奥运会的主体育场,奥运会期间承担开幕式、闭幕式和田径比赛,其设计体现了“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的理念.本文根据国家体育场建筑设计的指导思想和设计要求,从国家体育场的结构形式与力学特点归纳分析了国家体育场建筑设计、体育功能设计及结构设计特色,总结了国家体育场结构形式的技术挑战,为以后大型建筑的设计提供了有价值的参考.关键词:国家体育场;建筑设计;体育功能设计;结构设计中图分类号:TU245 文献标识码:A 文章编号:100626578(2008)022*******Design characteristic of architecture ,structureand sports f unction of N ational StadiumYAN G Jia 2li 1,YAN G Huan 2huan 2,L ON G Zhi 2fei 2,WAN G Li 2,CA I Qing 2fei 2,WEI Mao 2ling 2(1.T he Engineering and Envi ronment Part of Organiz ing Committee of B ei j ing Ol y m pic Games ,B ei j ing 100083,China;2.China Universit y of Mining and Technolog y ,B ei j ing 100083,China )Abstract :The National Stadium is t he host stadium of 29t h Beijing Olympic game in 2008,where t he open 2ing ceremony ,closing ceremony and t rack and field competition will be held during Olympic game.The de 2sign of National Stadium has embodied idea of ″green Olympic Games ,science and technology Olympic Games ,humanity Olympic Games ″.Based on t he struct ural form and mechanical behavior ,t his paper in 2t roduces t he characteris of architect ural design ,st ruct ual design and sport s f unction design of t he National Statium and sums up t he technology challenge of t he st ruct ural form.It will p rovide a valuable reference for large 2scale building design.K ey w ords :Natio nal Stadium ;architect ural design ;sport s f unction design ;st ruct ural design 2008年,第29届奥林匹克运动会将在中国北京举行.国家体育场将承担北京奥运会的开幕式、闭幕式和田径比赛.在奥运会期间它可以为运动员提供比赛、训练、热身等全部设施条件和相关服务.在奥运会结束后成为一处既能举办大规模国际体育活动又能满足群众健身娱乐活动的公共体育设施.国家体育场是北京奥林匹克公园内的标志性建筑,也是北京最大的、具有国际先进水平的多功能体育场.国家体育场将成为现代奥林匹克运动留给城市的宝贵遗产和城市建设的新亮点.奥运会期间,国家体育场容纳观众91,000人,其中临时坐席11,000个.奥运会后拆除临时坐席,观众容量为80,000人,可举办各种大型体育赛事和活动.1 国家体育场建筑设计1.1 建筑设计的指导思想和设计要求 北京2008年奥运会比赛场馆设施建设的总体思路是:着眼未来、统筹规划,结合城市的可持续发展,解放思想、与时俱进、勇于创新,按照国际惯例,第2期杨嘉丽,等:国家体育场的建筑、结构与体育功能设计特点25 高标准、高起点地完成奥运场馆设施的规划建设任务.国家体育场建设的必要性:(1)北京需要一个具有国际标准、能够用于举办奥运会的大型体育场;(2)新建国家体育场反映中国和北京的综合实力;(3)为北京市承办大型活动和促进群众健身娱乐提供公共体育设施.国家体育场建筑设计的指导思想是:(1)既要有利于奥运会体育比赛,又要充分考虑赛后利用,两者统筹兼顾,综合平衡;(2)坚持勤俭节约的原则,力戒奢华浪费,不搞重复建设;(3)创出体育建筑精品,充分体现可持续发展的理念,努力探索建筑艺术、人文艺术与环保的有机结合,为首都留下独特的奥运遗产.根据上述指导思想,对国家体育场提出了以下建筑设计要求:(1)满足举办2008年奥运会和残奥会的赛时使用要求,并充分考虑赛后利用;(2)体现“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的2008年北京奥运会的主题;(3)建筑设计功能布局和交通流线合理,能够满足举办各种大型体育赛事和文化娱乐活动的要求;(4)符合奥林匹克公园总体规划的要求,建筑形象要尊重地域文化,具有创造力,并体现现代建筑多功能的发展趋势;(5)建筑的结构设计应受力合理、简洁、安全,在技术上可实施性强;(6)可开启屋盖的设计应技术先进,方便实用,投资合理,运营成本低.由于经济、安全方面的原因,最初设计的国家体育场可开启屋盖在建设过程中进行了修改,取消了屋盖顶部的可开启部分;(7)临时坐席的设置布局合理,处理好赛时和赛后的关系;(8)各项经济技术指标及工程造价的估算正确合理.1.2 建筑形式———引人瞩目的“鸟巢”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.结构的逐渐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(见图1).图1 国家体育场“鸟巢”Fig.1 National Stadium“birdπs nest”国家体育场具有独特的建筑形象主要是考虑了以下几个因素:(1)基座———坡地景观微微升起的地面,平缓而不易察觉,形成了体育场的基座.知的中国农历中的十二生肖,,又有助于确定方位和区分体育场的.(2)建筑材料有利于自然采光和通风体育场的“鸟巢”设计方案创造性地应用了建筑材料.体育场屋顶部分构架之间的空间将用一种半透明膜材料ETFE充气垫加以填充.其屋顶的气垫膜安装在构架的外部,保证屋顶达到防水要求,而且雨水还可以被收集起来再利用.由于用传统方式设计建设的体育场在比赛时场地上往往光线较强,对电视转播和体育比赛有影响.而国家体育场采用ETFE膜材料覆盖,使比赛场地既可以有自然光线又避免了因阳光直射而产生光带,解决了以往体育建筑中常常遇到的强烈光照给比赛和转播带来的一系列问题.同时,由于太阳光可以通过半透明的屋面照在体育场内的自然草坪上,有利草坪的生长和养护.此外,由于体育场的外立面采用了通透的建筑形式,基本上未设封闭实墙,因此可以保持赛时的自然通风.这是“鸟巢”方案设计的一个显著特点.(3)看台易于调整且富于变化国家体育场的设计充分考虑了奥运会赛后利用的转换.看台通过多种可变的方式来解决赛后观众数量减少的问题.其基本思路是:尽量避免采用复杂的技术手段,而是着眼于采用轻度调整方式.(4)充分考虑了中国古老的文化和哲学理念国家体育场建筑设计方案是瑞典赫尔佐格和德梅龙建筑师事务所与中国建筑设计研究院设计联合体的作品.“鸟巢”方案代表了一种新的建筑语言,参透了中国的哲学思想,从中国天、地、人合一的理念方面产生设计灵感和建筑创意.国家体育场采用的是“天空”和“大地”的象征形象,屋顶不仅仅是体育26 空 间 结 构第14卷场看台的覆盖物,同时也是宇宙的天穹.从外观上看,国家体育场这个巨型建筑物犹如树枝织成的“鸟巢”.基于这种创意,在屋盖钢结构设计时模糊了主次结构的外在差异.其色彩采用灰色矿质般的钢网以透明的膜材料覆盖,其中包含着一个土红色的碗状观众看台,恰似北京故宫青灰色的城墙内矗立着红墙垒筑的宏大宫殿,饱含着东方的含蓄美.中国古代造型艺术最大的特征是将丰富的表现和技术统一在单一的造型中.“鸟巢”虽是一个非常原始的造型观念,从纹样和器型都让人感觉是一个容器和小社会,但它却体现了与中国文化的关联,在严谨的秩序中存在着无限丰富且复杂的变化.(5)创造城市空间的新景观国家体育场作为2008北京奥运会开、闭幕式的场地及北京的标志性建筑,是北京城市景观的一个重点.它的建筑结构选型极其重要和需要富有特色,在建筑体量、空间尺度和体形等方面,要与众不同,引人瞩目.同时,体育场馆设施作为健身休闲建筑,是人们怀着愉快轻松心情而来的一处公共场所.要求为其服务的建筑和环境优美宜人,使人置身其中或进行活动时,有充分的闲情逸致来品味环境和建筑造型,获得一种建筑美学带来的精神享受.国家体育场选用“鸟巢”这一独特的建筑造型,为北京的城市空间创造了一个新的景观.2 国家体育场体育工艺功能设计特点体育工艺和功能设计是体育建筑设计的重要内容.根据2008年奥运会的比赛组织特点,国家体育场围绕田径和足球比赛项目进行了体育工艺和功能设计.其中田径比赛的工艺功能设计较有特色.首先根据运动项目竞赛组织特点,确定体育场内参赛运动员流程.田径比赛运动员参赛流程见图2.参赛运动员流程即体育比赛的主体———运动员,从到达比赛场馆开始,经历其体育比赛项目全过程后,到离开比赛场馆为止的活动路线.参赛运动员流程是比赛场馆设施体育工艺设计的核心内容,是体育建筑设计的重要基础.国家体育场田径比赛项目参赛运动员流程是根据奥运会竞赛日程,在编制《奥运工程设计大纲》阶段,由北京奥组委场馆规划和竞赛组织方面的有关人员共同研究确定的.然后根据田径比赛参赛运动员流程,完成使用功能建筑平面设计,结果见图3.图3中序号为2008年奥运会田径比赛参赛项目运动员流程节点,分述(1)环路交通控制点:对所有进入国家体育场环如下.第2期杨嘉丽,等:国家体育场的建筑、结构与体育功能设计特点27 路的车辆,包括运动员车辆进行检查的地点及运动员大巴入口.(2)运动员下车点:运动员从奥运村出发,乘专线大巴抵达国家体育场的下车地点.(3)运动员休息室:运动员在此进行身份认证.(4)技术信息中心:竞赛管理处和运动员相关信息的交流中心.(5)室内热身器械区:分别设置男、女运动员休息室(内均含更衣室、卫生间和淋浴)、按摩室、体育器材存放、力量训练、医疗室、恢复室、热身管理、运动队准备区.(6)室外热身场地:热身练习跑道设置9条直跑道和8条400m跑道以及障碍水池;跳远/三级跳、跳高、撑杆跳、投掷运动热身场:标枪、铁饼、链球、铅球热身场.通道1和2连接环路和热身场地,通道3连接第一检录处和第二检录处.(7)技术问询处:位于第一次检录处内,可以看到比赛场地,热身场地信息板和第一次检录信息.(8)第二检录处:田径运动员赛前等候区,有到达卫生间和室内热身以及比赛场地的通道.运动员通过路线3从第一检录处到达第二检录处.(9)室内热身场地:设置4条60m直道跑道,有通道与第二检录处相连接,并设有20个跳栏和起跑器.(10)比赛场地入口.(11)田径比赛场地:竞赛跑道设置9条直跑道、9条400m跑道,北部“D”区设置障碍水池.跳远/跳高比赛场地:设置2块跳远/三级跳场地(东)、2块跳高场地(南)、2块撑杆跳场地(北).投掷比赛场地:设置2块标枪场地(北和南)、2块铁饼场地(北和南)、1块链球场地(南)、4块铅球场地(北和南).(12)终点.(13)现场采访区:用于现场电视转播采访.比赛结束后在跑道终点附近外区域立即进行实时采访,需要以体育场为电视画面背景.(14)混合区:用于运动员离开终点后进入更衣室路线上的非现场采访.田径比赛的混合区设置极具特色.确切地说,它不是一个区域而是一条线路,田径比赛的混合区从比赛场地的跑道终点区开始,到运动员的赛后控制中心止,贯穿了体育场的室外比赛场和室内竞赛功能用房.采用通道的形式布置.(15)赛后控制中心:运动员接收比赛成绩和取包的区域,男女分设.运动员在此等候进行兴奋剂检查的通知,并需容纳领队、教练等随队官员.(16)医疗中心:运动员医疗中心包括候检、病房、重病监护、外科(骨科治疗室)、医生办公室、医疗代表、护士室、卫生间、药械室、男女更衣室、清洁间、走廊、氧气储藏.(17)采访室:运动员进入新闻发布厅之前暂时等候的房间.(18)国际田径联合会官员赛事管理用房:包括仲裁委员会、竞赛部、统计处、技术代表、国际技术官员、竞走裁判、田径委员会主任、田径委员会竞赛部办公室、申诉部、技术录像室.(19)颁奖仪式等待侯室:参加颁奖仪式人员等候及存放奖牌、国旗和鲜花的区域.颁奖仪式等待室内包括贵宾等候、嘉宾等候、运动员等候、礼仪人员、奖牌存放、旗帜存放、鲜花存放等.(20)颁奖台.(21)兴奋剂检测站、取血样、尿检室、储藏室.(22)全能运动员休息室:参加十项全能和七项全能比赛运动员的休息室,包括更衣和淋浴设施.(23)赛后放松区.(24)通向运动员集散区的楼梯.(25)运动员集散区:结束比赛的运动员集结后等待乘专线离开国家体育场的区域.(26)运动员上车点.(27)运动员专线大巴出口.从序号23至27为赛后流程,运动员可以通过路线2回到热身区放松,放松后既可以通过楼梯或者核心筒12,又可以乘坐约每15分钟一辆的大巴回到运动员集散区.3 国家体育场结构设计3.1 结构形式特点介绍 国家体育场被称为“第四代体育建筑”作品.“鸟巢”不仅见证了人类21世纪对建筑与人居环境的不懈追求,也见证了中国这个东方文明古国不断走向开放的历史进程.国家体育场建筑体形新颖明快,结构选型简洁大胆,结构形式的几何特征在这里得到了淋漓尽致的运用.屋盖上采用的透明和白色的膜材料在阳光和灯光不同光线的作用下,屋盖桁架呈现出不同的虚实效果对比强烈.国家体育场整座建筑物没有任何装饰,但完全由结构组成的造型却极富艺术感染力.国家体育场作为综合性公共建筑,其设计耐久年限为一级,结构设计使用年限为100年.28 空 间 结 构第14卷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,组成体育场整个的“鸟巢”造型.其大跨度钢结构采用由大量特殊材质焊接而成的薄壁箱形构件,屋盖次结构的布置疏密均匀,形成“鸟巢”的建筑美学效果.体育场看台采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系,与钢结构在结构体系上完全脱开.没有任何遮挡的碗形观众看台,呈均匀而连续的环形,可以使观众获得最佳观看效果,体验热烈的比赛和演出气氛.国家体育场的结构选型主要考虑了以下几个因素:(1)与建筑形式完美结合国家体育场强调“外观即结构”这一概念,这座体育场就像鸟巢一样形式与结构高度统一.正如鸟儿不会刻意地去粉饰自己的巢穴一样,国家体育场的建筑形式和网格状的结构完美地结合在一起,很清晰、自然,也很纯净.国家体育场看似杂乱无章的结构,实际上主要受力体系的主结构非常清晰合理.通透的建筑围护结构设计典型地借鉴了中国南方园林中花窗的手法,使得建筑物的室内室外形成自然的流通.此外,由于体育场外墙是镂空的交织结构,使得人流、交通组织沿着建筑物的立面内侧安排,人们可以从体育场外看到活动的人群点缀于建筑物表层之间.(2)满足建筑设计表现方式的需要国家体育场如同一个巨大的容器,不论是近看还是远观,都将给人留下独特而深刻的印象.它不仅完全符合奥运会主体育场在赛时使用功能上的要求,又不同于一般体育建筑采用大跨度和数码屏幕为主体的设计表现手法.国家体育场的空间效果既呈现出前所未有的独创性,又不失简洁和典雅.体育场外观为纯粹的结构形式,使建筑立面与结构形成了完美的统一.空间钢结构的组件相互支撑,形成网架状构架,其立面、阶梯及屋顶组成了一个有机的整体.体育场看台结构呈没有任何遮挡的完整的“碗型”.这种均匀而连续的环形型式,有利于观众将注意力集中在场内的体育赛事上.所形成的舒适的环境、极佳的视野和良好的氛围,易于调动起观众们的兴奋情绪,激发运动员的优异表现.3.2 结构形式的力学特点国家体育场基础结构采用钢筋混凝土钻孔灌注桩基础后压浆技术.持力层为卵石、圆砾层,单桩承载力7200kN～10900kN.桩径为800mm与1000mm两种,桩长31m～36m,承台高度4.0mm～6.0mm,最大沉降量为30mm.国家体育场大跨度结构采用交叉平面桁架体系.屋盖支撑在24根桁架柱之上,柱距为37.958m.主桁架围绕屋盖洞口环梁呈放射形布置,由于主桁架与内环相切,其中一些主桁架在平面外微弯,22榀主桁架直通或接近直通.为了避免出现过于复杂的节点,4榀主桁架在环梁附近截断,24根桁架柱与主桁架、立面次结构共同形成抗侧力体系.屋盖内环开洞的轮廓由2段椭圆弧与2段圆弧构成.椭圆的长轴和短轴分别为190.344m与124.103m.从平面椭圆的24个等分点做直线与屋盖内环相切,得到48榀交叉布置主结构的平面定位轴线.顶面次结构与立面次结构均位于屋盖结构的外表面.为了使国家体育场大跨度钢结构经济合理,优材优用,绝大多数的钢构件均为钢板焊接而成的箱形构件,在设计中进行以下具有鲜明特点的分析论证:(1)大跨度结构火灾危险性分析.国家体育场具有高大的空间,钢结构外罩的屋顶采用膜结构.火灾对结构的可能威胁主要来自看台区域的座椅,并且对靠近高层看台部分钢结构屋盖下弦有直接的影响.根据消防设计分析评估报告,通过分析研究可以获得在防火时或构件不受保护时结构的实际温度,采用极限温度法对构件和结构的安全性进行评估.(2)构件计算长度研究.《钢结构设计规范》对管桁架结构的计算长度没有专门的规定,通常参照对一般平面桁架结构计算长度的规定.对于国家体育场这一大型复杂结构,为了确定结构构件的计算长度,直接采用了整体计算模型进行非线性分析,计算时分别考虑了竖向荷载和水平地震作用.(3)屋盖结构整体稳定性分析.为了保证国家体育场结构的整体稳定性,对整体计算模型进行了荷载-位移全过程几何非线性分析,确定了整体结构的稳定极限承载力.(4)建造过程施工模拟分析.安装顺序对大跨度结构用钢量的影响很大.在安装过程中,如果屋顶次结构与主结构同时安装,次结构构件的内力将会明显增大,导致次结构构件截面壁厚增大,结构总用钢量增加;因此,对国家体育场大跨度钢结构的建造过程进行了详细的施工模拟分析,得到了合理优化建造过程的施工方案.第2期杨嘉丽,等:国家体育场的建筑、结构与体育功能设计特点29 (5)加肋焊接薄壁箱形构件应用研究.国家体育场屋面次结构的外形尺寸为□1000×1000,立面次结构为□1200×1200.在修改初步设计中,考虑了在箱型构件内部设置横向和纵向加劲肋的方法.由于设置纵向加劲肋可以使板件的宽厚比减小,使板件的局部稳定性大大改善,从而增加截面的有效宽度,使得材料利用率大大提高.设置加劲肋对于延迟薄壁箱形构件发生局部屈曲、提高构件承载力、减小用钢量具有很大的作用.设置加劲肋后,薄壁箱形构件轴心受压承载力提高,在达到极限承载力后还可以维持一定的承载能力,但延性有所减弱.3.3 结构形式的技术挑战和创新(1)首次采用CA TIA软件解决复杂空间结构建模问题.国家体育场屋盖结构造型主要从体育场的规模、对观众席防雨遮盖的效果、满足观众席视线要求和建筑美学的角度出发,几何构型方法新颖独特,建筑与结构高度一致,存在大量空间扭曲构件.在设计中采用了航空、汽车制造工业得到应用的三维建模CA TIA软件,以解决复杂建筑的空间建模问题,形成“鸟巢”的建筑美学效果.(2)采用国产优质高强、高性能钢板.在国家体育场结构设计中,为了有效控制成本,缩短订货周期,全部采用国产钢材.对于厚钢板选用了国产Q345G J和高强度Q460钢材.高强度的Q460钢材是迄今为止国内建筑工程中所采用的强度级别最高的厚钢板,钢板的性能要求均大大超过现有国内外相关技术标准的范围.(3)首次提出下风振系数的概念.为了保证国家体育场钢结构的施工安全和正常使用,将传统的屋盖结构单一风振系数的定义方法进行了改进,分别给出上风振系数与下风振系的定义,在设计中考虑风荷载效应的影响.(4)提出大跨度结构温度场计算方法.北京地区的气候类型属典型的温带大陆性气候,季节气温变化很大.由于“鸟巢”结构的钢构件直接暴露于室外,在冬季时可以认为钢构件的温度与室外气温相同.夏季时室外气温最高,同时太阳照射强度也最大,太阳照射将引起构件温度显著升高.由于屋架上、下弦膜材之间的空气流动性较差,屋架内部温度明显高于室外气温,形成“温箱”效应.另外,结构在迎光面与背光面的温差,以及屋面、立面钢构件的温差将形成梯度较大的温度场分布.国家体育场大跨度钢结构的平面尺度很大,温度变化将在结构中将引起很大的内力和变形.将国家体育场南半部外表面按其照度不同分为11个区域,研究太阳辐射照度引起结构温升的影响.而在箱形构件的侧面、背面与体育场北半部的构件主要考虑日光漫反射的影响.(5)特殊节点的设计方法研究.国家体育场屋盖结构的几何构型非常复杂,在结构设计中,着重研究一些特殊节点的设计施工方案,如:屋盖箱形截面桁架的节点设计方法、桁架柱复杂节点设计方法和异型柱脚设计方法等.合理解决特殊节点的设计问题,是保证结构安全性、提高材料利用率、有效减小用钢量的关键问题之一.国家体育场其大跨度结构设计与优化工作受到广泛的关注.由于国家体育场大跨度结构的特殊重要性与复杂性,在设计中大量采用新技术、新材料、新工艺,进行了许多技术创新,通过采取综合的技术措施,全面考虑超大跨度复杂钢结构的设计、加工、安装的关键问题,在保证结构的功能性、安全性、耐久性的同时,取得了良好的技术经济效果.4 结 论本文对国家体育场的建筑形式、体育工艺功能、结构形式三方面做了系统分析.(1)国家体育场作为2008北京奥运会开、闭幕式的场地及北京的标志性建筑,蕴藏着深厚的东方文化内涵,被誉为“第四代体育馆”.(2)体育工艺和功能设计是体育建筑设计的重要内容.根据2008年奥运会的比赛组织特点,国家体育场围绕田径和足球比赛项目进行了体育工艺和功能设计.本文着重介绍了比较有特色的田径比赛的工艺功能设计.(3)国家体育场建筑体形新颖明快,结构选型简洁大胆,结构形式的几何特征在这里得到了淋漓尽致的运用.参考文献[1]北京2008年奥林匹克运动会申办委员会.北京2008年奥林匹克运动会申办报告(中英文版)[M].北京:奥林匹克出版社,2001.Beijing2008Olympic G ames Candidature committee.Beijing2008Olympic G ames Candidature files(Chinese and English Version)[M].Beijing:OlympicPress,2001.[2]北京市建筑设计研究院.奥林匹克与体育建筑[M].天津:天津大学出版社,2002.Beijing Institute of Architectural Design.Olympic and Sport Building[M].Tianjin:Tianjin University Press,2002.(下转第23页)。
经典结构赏析北京“鸟巢”结构
前言北京"鸟巢"即国家体育场，是一个异性空间结构体系，外形非常复杂，但其也是由简单的基本结构单元-桁架组成的。
本文借用他人的论文，一起赏析这个经典的建筑结构。
1 概述“鸟巢”的主体钢结构由主结构与次结构两部分构成，主结构包括主桁架与桁架柱，次结构包括顶面次结构、立面次结构以及立面大楼梯。
其中位于屋顶的主桁架相互交叉，与顶面和立面的次结构共同编织，形成了“鸟巢”结构体系。
主场看台部分采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。
“鸟巢”钢结构的几何构形非常复杂，建筑造型与结构体系高度一致。
屋顶和立面的几何曲面与各种构件布置是通过应用一些基于建筑造型的设计规则来确定的。
同时考虑建筑的使用功能、减小用钢量、降低钢结构加工制作难度等原因，对这些规则进行了适当调整。
上图是“鸟巢”巨大的钢节点安装过程照片在设计过程中应用CATIA 软件（飞机、轮船、汽车等的专业设计软件）确定“鸟巢”钢结构的几何形状与构件布置，这也是CATIA 软件在中国建筑工程中首次得到应用。
2 “鸟巢”钢结构的几何构型坐标原点位于体育场中心，首先在-9.0m 标高的平面上建立体育场屋盖立面的内表面在水平面的投影，其24 个等分点分别为24 根桁架柱内柱的位置，如图1。
内表面与外表面的构型方法见图2。
在标高60.0m 的参考点处，沿xz 平面放置半径为719.900m 的圆弧R1，沿yz 平面放置半径为882.706m的圆弧R2，将R2 以R1 为母线平行滑动，即可得到屋顶外表面的双曲面，如图3 所示。
将椭圆台与屋盖曲面相交，形成体育场屋盖立面的外表面轮廓线，如图4 所示。
屋盖内环开洞的轮廓由2 段椭圆弧与2 段圆弧构成，如图5 所示。
通过24 根内柱的形心做直线与屋盖内环相切，可以得到48 榀交叉布置主结构的平面定位轴线，如图6 所示。
通过24 根内柱的形心做直线与屋盖内环相切，可以得到48 榀交叉布置主结构的平面定位轴线，如图7，8 所示。
国家体育场结构设计关键技术——鸟巢几何构型设计-建筑结构
18 重大工程报道Building StructureWe learn we go国家体育场结构设计关键技术（二）——“鸟巢”几何构型设计范 重，彭 翼/中国建筑设计研究院，北京 1000441 概述“鸟巢”的主体钢结构由主结构与次结构两部分构成，主结构包括主桁架与桁架柱，次结构包括顶面次结构、立面次结构以及立面大楼梯。
其中位于屋顶的主桁架相互交叉，与顶面和立面的次结构共同编织，形成了“鸟巢”结构体系。
主场看台部分采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。
“鸟巢”钢结构的几何构形非常复杂，建筑造型与结构体系高度一致。
屋顶和立面的几何曲面与各种构件布置是通过应用一些基于建筑造型的设计规则来确定的。
同时考虑建筑的使用功能、减小用钢量、降低钢结构加工制作难度等原因，对这些规则进行了适当调整。
在设计过程中应用CATIA 软件确定“鸟巢”钢结构的几何形状与构件布置，这也是CATIA 软件在中国建筑工程中首次得到应用。
2 “鸟巢”钢结构的几何构型坐标原点位于体育场中心，首先在-9.0m 标高的平面上建立体育场屋盖立面的内表面在水平面的投影，其24个等分点分别为24根桁架柱内柱的位置，如图1。
内表面与外表面的构型方法见图2。
图1 国家体育场屋盖立面的内表面定位轴线(a)长轴剖面 (b)短轴剖面 (c)椭圆柱面与椭圆台面图2 屋盖立面的内表面与外表面在标高60.0m 的参考点处，沿xz 平面放置半径为719.900m 的圆弧R 1，沿yz 平面放置半径为882.706m 的圆弧R 2，将R 2以R 1为母线平行滑动，即可得到屋顶外表面的双曲面，如图3所示。
(a)屋盖上表面 (b)屋盖上、下表面图3 屋盖顶面构型将椭圆台与屋盖曲面相交，形成体育场屋盖立面的外表面轮廓线，如图4所示。
(a)屋盖外表面 (b)肩部圆化处理图4 屋盖结构的外表面屋盖内环开洞的轮廓由2段椭圆弧与2段圆弧构成，如图5所示。
大跨度建筑赏析
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两个巨大的“Z”字交叉缠绕，一片由钢铁与 玻璃组成的云，中间是一个巨大的洞。它的 新颖、可实施性，将会推动中国高层建筑的 结构体系、结构思想的创造。大楼建筑外形 就像是一只被扭曲的正方形油炸圈，总高度 大约230米，就像两个倒“L”斜靠在一起；两 座竖立的塔楼向内倾斜，倾角很大；塔楼之 间被横向的结构连接起来，总体形成一个闭 合的环。这样一种回旋式结构在建筑界还没 有现成的施工规范可循，这种结构是对建筑 界传统观念的一次挑战。
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The End
Thank You
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二丶实例赏析
（1）国家体育场 “鸟巢”——大跨度钢结构
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国家体育场（“鸟巢”） 位于北京奥林匹克公园中心 区南部，建筑面积25.8万平 方米,占地面积313万平方米。 体育场基座以上部分共七层， 设有观众服务设施、媒体工 作区和贵宾接待区等。
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。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，钢结构总用钢量为4.2万吨，混凝土看台 分为上、中、下三层，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。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。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。
悉尼歌剧院整个建筑 占地1.84公顷，长 183米，宽118米，高 67米，相当于20层楼 的高度。
建筑结构-国家体育馆鸟巢
05
建筑结构设计
鸟巢的设计理念是绿色、环保，通过采用可再生材料和节能技术，降低建筑对环境的影响。
绿色环保
人文关怀
历史传承
鸟巢的设计注重人文关怀，充分考虑观众和运动员的舒适度，创造宜人的观赛和比赛环境。
作为一座标志性建筑，鸟巢的设计融入了中华文化元素，展现了中国传统与现代的完美结合。
03
02
01
结构设计理念
智能化监控
施工工艺特点
高空作业安全
施工过程中涉及大量高空作业，需要采取有效的安全措施，如安装防护网、使用安全带等。
环保要求
考虑到环保要求，施工现场采取了降尘降噪措施，并合理利用建筑材料和资源，减少浪费和污染。
大跨度结构施工
鸟巢的跨度较大，给施工带来一定难度。解决方案为采用预应力钢索和临时支撑结构，确保施工过程中的结构稳定性。
建筑结构-国家体育馆鸟巢
目录
国家体育馆鸟巢简介 建筑结构设计 建筑材料与施工工艺 建筑结构与环境的互动 国家体育馆鸟巢的社会影响与评价
01
CHAPTER
国家体育馆鸟巢简介
1
2
3
国家体育馆鸟巢是2008年北京奥运会主体育场，承担了开、闭幕式和田径、足球等赛事活动。
2008年北京奥运会主体育场
国家体育馆的设计是通过国际建筑设计竞赛确定的，由中国建筑师李兴钢和瑞士建筑师赫尔佐格共同设计完成。
国家体育场的钢结构分析
学号：1241401010
班级：12室内
空间刚架结构。格构式刚架的梁、柱、腹板等构件均采用 由钢板焊接而成的箱形截面。沿体育场平面周边设置的24 根刚架住，柱距为37.958m。22榀刚架主结构、屋面及立 面的次结构、12组大楼梯及楼梯柱共同构成了“鸟巢”架—剪力墙结构体系， 与大跨度钢结构完全脱开。
*
国家体育场主桁架立面展开图
刚架柱
24根刚架柱为空间格构 式构件，由一根垂直的 菱形内弦和两根外向倾 斜的外弦以及内外弦之 间的腹杆组成。刚架柱 的外弦顶部连续扭转逐 渐成为刚架梁的上弦。 两个外弦柱之间利用次 结构对两侧刚架形成侧 向约束。
立面次结构
在格构式空间刚架结 构之间，沿屋顶和外 立面布置了次结构体 系。次结构的主要作 用是增强主结构的侧 向刚度，减小主结构 构件的平面外计算长 度，并为屋面膜结构、 排水沟、下弦声学吊 顶、屋面排水系统等 提供支撑条件。
空间刚架的布置
体育场屋盖中间 开有长轴185.3m， 短轴127.5m的洞 口。22榀刚架围 绕洞口呈放射状 布置，刚架梁为 直通或接近直通， 在洞口边缘邢成 由分段直线构成 的内环桁架。
*
国家体育场主桁架平面布置
*刚架弦杆在相邻
腹杆之间保持直 线，代替空间曲 线构架。在刚架 梁上下弦的节点 尽量对齐，腹杆 夹角一般控制在 60°左右，使网 格大小比较均匀 ，具有较好的规 律性。当刚架梁 上弦节点与顶面 次结构距离很近 时候，将腹杆的 位置调整至次结 构位置。
立面楼梯
立面楼梯
立面次结构的内侧设有12 组大楼梯。每组楼梯均由内 楼梯与外楼体构成，位于相 邻的3个桁架柱之间，是观 众从基座进入较高层看台的 通道。外楼体沿着立面次结 构盘旋而上，内外楼梯交叉 布置，支撑条件复杂。采用 梁式结构，与立面次结构截 面尺寸相同，为了与立面次 结构协调一致，大部分楼梯 柱继续延伸至主桁架上弦或 顶面次结构。
大跨度建筑案例分析
大跨度建筑案例分析大跨度建筑是指横跨较大距离的建筑结构，通常用于体育馆、会展中心、机场等大型场馆。
这类建筑在设计和施工过程中面临诸多挑战，但也展现了人类工程技术的辉煌成就。
本文将通过分析几个大跨度建筑的案例，探讨其设计特点、施工工艺和结构特色。
首先，我们来看看鸟巢——北京国家体育场。
作为2008年北京奥运会的主要场馆之一，鸟巢采用了钢结构和外部网架相结合的设计，实现了悬臂梁和双曲面网架的完美结合，形成了独特的外观。
其大跨度结构采用了大跨度钢梁和索网结构，通过精密计算和施工工艺，实现了整体结构的稳定和坚固。
鸟巢的设计不仅满足了大型体育赛事的需求，同时也成为了北京的标志性建筑，展现了中国工程技术的雄心和实力。
其次，我们来看看迪拜世界贸易中心。
这座高达828米的超高层建筑，拥有世界上最大的悬臂结构，其大跨度悬臂楼板采用了高强度混凝土和钢筋混凝土结构，通过精密设计和施工工艺，实现了超高层建筑的稳定和安全。
迪拜世界贸易中心的设计突破了传统高层建筑的限制，展现了人类工程技术的创新和突破，成为了迪拜的城市地标和世界建筑的奇迹。
最后，我们来看看上海中心大厦。
这座高度632米的摩天大楼，采用了超大跨度的钢结构框架和外挂式钢结构天桥，实现了大跨度建筑的稳定和安全。
上海中心大厦的设计和施工充分考虑了风荷载、地震作用等外部力学因素，通过先进的结构分析和仿真技术，实现了建筑结构的优化和精准控制。
其独特的外形和大跨度结构，成为了上海的城市名片和世界建筑的典范。
综上所述，大跨度建筑在设计和施工过程中需要充分考虑结构稳定性、外部力学因素和施工工艺等多方面因素，通过精密计算和先进技术，实现了大跨度建筑的稳定、安全和美观。
这些案例不仅展现了人类工程技术的辉煌成就，同时也为未来大跨度建筑的设计和施工提供了宝贵的经验和借鉴。
相信在不久的将来，会有更多更壮丽的大跨度建筑出现在世界各地，为人类的城市和生活增添更多的美丽和活力。
绿色建筑典范——国家体育场设计方案分析
绿色建筑典范——国家体育场设计方案分析在2008年北京奥运会的主体育场设计中，一个独特的方案脱颖而出。
由瑞士赫尔佐格和德梅隆设计公司与中国建筑设计研究院联合设计的“鸟巢”方案，以其独特的设计理念和创新的建筑形式，赢得了由13名国际建筑大师和专家组成的竞赛评审委员会的高度认可，被选为重点推荐实施方案。
“鸟巢”方案的最大亮点在于其巧妙的地形处理。
方案将整个体育场的室外地形部分隆起了4米高，使得许多附属设施得以巧妙地隐藏在地形之下，从而保证了体育场的纯净性和整体性。
这种地形与建筑的完美结合，不仅体现了设计的巧妙性，也展现了建筑师的独特审美。
在外观设计上，“鸟巢”方案同样具有创新性。
其造型如同一个容器，高低起伏的外观不仅缓解了建筑的体量感，还赋予了建筑戏剧性和震撼力的形体。
不论是近观还是远眺，都能给人留下深刻的印象。
这种独特的外观设计，不仅提升了体育场的艺术价值，也使其成为了城市的标志性建筑。
值得一提的是，“鸟巢”方案的结构体系。
外观与结构达到了完美的统一，看似杂乱无章的结构实际上非常清晰合理。
结构的组件相互支撑，形成了网络状的构架，就像树枝编织的鸟巢。
这种独特的结构形式不仅保证了建筑的稳定性，也赋予了建筑独特的韵律和美感。
在空间设计上，“鸟巢”方案同样具有独创性。
其立面、楼梯及屋顶完美有机地融为一体，穿过体育场的网络状构架，人们便进入了环绕看台的宽敞回廊。
这里不仅可以欣赏到整个体育场的美景，还可以浏览包括通往看台的楼梯在内的整个区域动线。
这种空间设计不仅提升了观众的观赛体验，也增强了体育场的互动性和趣味性。
此外，“鸟巢”方案在材料选择上也颇具匠心。
传统的体育场常常因为强烈的光影而对转播和比赛产生负面影响，而“鸟巢”方案则采用了可作为填充物的半透明气垫膜作为外立面材料。
这种材料不仅使光线呈现漫反射的柔和效果，解决了强烈光影带来的问题，还为场内草坪的维护提供了良好的环境。
同时，通透的围护结构设计使得体育场内气流顺畅，适应了北京的气候特点。
中国国家体育场构造解析
中国国家体育场构造解析
中国国家体育场，又称“鸟巢”，是位于北京奥林匹克公园中心区的大型体育场。
其构造解析如下：
1. 建筑造型：体育场呈现椭圆形的马鞍形，整体造型独特。
2. 结构特点：体育场内部有三层碗状看台，由混凝土框架结构支撑。
看台下有数个独立的空间，包括餐厅、商店、卫生间等设施。
这些设施均以独立单元的形式分布，可以满足不同的使用需求。
3. 屋顶设计：体育场的屋顶采用钢结构工程，由24榀门式桁架围绕体育场内部碗状看台区旋转而成。
其中22榀贯通或基本贯通，形成网格状构架，组成体育场整体的“鸟巢”造型。
屋盖主结构的杆件均为箱型构件，这种设计能够有效地抵抗风载和地震等外部力。
4. 立面设计：体育场的立面也颇具特色。
立面、楼梯、碗状结构和屋顶是一体的，这种设计不仅增强了结构的整体性，也使得外观更加简洁、美观。
5. 可持续性设计：体育场的设计注重环保和可持续性。
为了减少能源消耗，体育场的结构空间被一层半透明的薄膜填满，如同鸟类用柔软的填料填充巢穴的细枝之间的空隙一样。
此外，体育场的设计也考虑到了自然通风，这是体育场可持续设计的最重要方面。
6. 功能区域：除了主体结构外，体育场周围还设有一些功能区域，如基座上的新公园、观众休息区、运动员训练区等。
这些区
域的设计不仅丰富了场地的使用功能，也提高了观众的观赛体验。
总的来说，中国国家体育场的构造独特、环保、实用，充分体现了现代建筑的设计理念和科技水平。
国内钢结构建筑十例
国内钢结构建筑十例以下为搜集到的十例国内钢结构建筑，同时简述其结构体系和设计特点。
一、武汉站结构体系：首层为铁路桥梁结构，上层则为大跨度空间流线型金属钢结构，主拱最大跨度为116m，高度为50m，最高点距离地面58m。
中央站房屋面的支撑结构由五榀主拱、半拱和斜立柱组成，屋面和雨棚都采用正交正放式网壳结构，采用钢框架结构作为楼面结构的基本形式，楼板采用以压型钢板为模板的非组合楼板。
设计特点：武汉站站房设计有如一只展翅的大鸟，寓意千年鹤归、九省通衢及中部崛起。
二、国家体育馆结构体系：国家体育馆是典型的复杂空间混合结构体系，主体结构主要由看台部分的钢筋混凝土框架-剪力墙结构、外围支撑屋面的型钢混凝土框架-钢支撑结构、大跨度双向张弦空间网格钢屋盖结构等三大体系。
设计特点：国家体育馆以中国“折扇”为设计灵感，充分体现“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的奥运理念和“节俭办奥运”的原则，注重功能设计、环保设计和美感设计相结合，体现了功能第一、技术第一、满足比赛、遵守规范、节能环保、赛后利用的设计原则。
三、国家体育场（鸟巢）结构体系：国家体育馆为大跨度钢结构，主场看台部分采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，与主体大跨度钢结构完全脱开。
设计特点：大量采用由钢板焊接而成的的箱型构件，交叉布置的主结构与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。
四、国家游泳中心（水立方）结构体系：屋面及支撑墙结构为新型多面体空间钢架结构，建筑外围采用世界上最先进的环保节能ETFE(四氟乙烯)膜材料。
结构类型为膜结构和空间钢架结构。
设计特点：“水立方”是世界上最大的膜结构工程，墙身和顶棚都是用细钢管连接而成的，有1.2万个节点。
节能而且环保！五、南京国际展览中心结构体系：建筑主体结构为大跨度钢管架和大柱网钢筋混凝土预应力体系。
设计特点：展厅由75m大跨度的钢桁架承托的弧形屋面所覆盖。
六、苏州东方之门结构体系：东方之门为非对称刚性连体超高层建筑。
国家体育场-鸟巢主结构模板方案
2．3施工区域划分
根据总承包部的安排，一公司施工范围为77~112（1）轴；四公司施工范围为36~77轴；中信集团施工范围为1~36轴。
2．4主要结构参数
层数
构件名称
690
1035
4-5
4-5-1
590
886
50
7
4-5-2
610
915
4-6
4-6-1
605
908
50
7
4-6-2
648
972
6层
4-1
4-1-1
500
750
40
7
4-1-2
528
792
4-2
4-2-1
490
735
30
7
4-3
4-3-1
491
737
30
7
4-4
4-4-1
497
746
40
7
4-4-2
525
－
－
水平仪、尺量
4
截面尺寸
±2
±2
±3
±5
尺量
5
表面平整度
2
2
3
4
2m靠尺、塞尺
6
角线顺直度
2
2
3
4
拉线、尺量
7
保护层厚度
＋3，－1
5.模板及支撑体系选型
5．1选型依据：各部位构件混凝土质量要求
清水混凝土工程表观质量控制标准
项次
项目
允许偏差（mm）
经典结构赏析北京“鸟巢”结构
前言北京"鸟巢"即国家体育场，是一个异性空间结构体系，外形非常复杂，但其也是由简单的基本结构单元-桁架组成的。
本文借用他人的论文，一起赏析这个经典的建筑结构。
1 概述“鸟巢”的主体钢结构由主结构与次结构两部分构成，主结构包括主桁架与桁架柱，次结构包括顶面次结构、立面次结构以及立面大楼梯。
其中位于屋顶的主桁架相互交叉，与顶面和立面的次结构共同编织，形成了“鸟巢”结构体系。
主场看台部分采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。
“鸟巢”钢结构的几何构形非常复杂，建筑造型与结构体系高度一致。
屋顶和立面的几何曲面与各种构件布置是通过应用一些基于建筑造型的设计规则来确定的。
同时考虑建筑的使用功能、减小用钢量、降低钢结构加工制作难度等原因，对这些规则进行了适当调整。
上图是“鸟巢”巨大的钢节点安装过程照片在设计过程中应用CATIA 软件（飞机、轮船、汽车等的专业设计软件）确定“鸟巢”钢结构的几何形状与构件布置，这也是CATIA 软件在中国建筑工程中首次得到应用。
2 “鸟巢”钢结构的几何构型坐标原点位于体育场中心，首先在-9.0m 标高的平面上建立体育场屋盖立面的内表面在水平面的投影，其24 个等分点分别为24 根桁架柱内柱的位置，如图1。
内表面与外表面的构型方法见图2。
在标高60.0m 的参考点处，沿xz 平面放置半径为719.900m 的圆弧R1，沿yz 平面放置半径为882.706m的圆弧R2，将R2 以R1 为母线平行滑动，即可得到屋顶外表面的双曲面，如图3 所示。
将椭圆台与屋盖曲面相交，形成体育场屋盖立面的外表面轮廓线，如图4 所示。
屋盖内环开洞的轮廓由2 段椭圆弧与2 段圆弧构成，如图5 所示。
通过24 根内柱的形心做直线与屋盖内环相切，可以得到48 榀交叉布置主结构的平面定位轴线，如图6 所示。
通过24 根内柱的形心做直线与屋盖内环相切，可以得到48 榀交叉布置主结构的平面定位轴线，如图7，8 所示。
建筑结构——国家体育馆鸟巢(行业精制)
大大提高。
专业类别
5
体育馆宽阔而复杂的结构，使得它不得不承受很大的非传统应力，
除了纵向拉力外，它还将承受强大的横向拉力。它的结构形状有弧
度，不同的部位之间都有拉力，这对离支柱最远的横梁中间点会施
加非常沉重的应力
专业类别
6
为了保证“鸟巢”的安全性，在“鸟 巢”受力最为集中的24根柱子和柱角 上使用了我国自主创新生产的Q460特 型钢材。科研人员通过几千次的试验
专业类别
9
在鸟巢的 主桁架的结 构设计中， 多采用了三 角形稳定结 构支撑。
专业类别
10
鸟巢顶部主 结构平面图
每个大跨度 的主桁架通 过之间的契 合，搭建并 通过与立面 结构、顶面 次结构形成 大跨度的空 间结构体系。
专业类别
11
屋盖主体结构实际上是由两向不规则斜交的平面桁架系组成的约 为340m ×290m 的椭圆平面网架结构,网架外形呈微弯形双曲抛物 面,周边支承在不等高的24 根立体桁架柱上,每榀桁架与约为140m ×70m 长椭圆内环相切或接近相切
专业类别
17
其中外层膜由884块ETFE膜 组成，在这884块膜中面 积最小的不超过1平方米， 而面积最大的达到250平
方米，整个铺设面积接 近4万平方米。
专业类别
18
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。
专业类别
19
分段10吨履带吊
专业类别
从材料上讲：看台地下1层为混凝土结构，地上7层为钢筋 混凝土框架 ，体育馆的外部 为钢结构，体 育馆屋顶钢结构上覆盖了双层膜结构。
从结构体系上讲： 体育馆的混凝土看台为剪力墙结构。（是 用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，能承担各 类荷载 引起的内力，并能有效控制结构的水平力，这 种用钢筋混凝土 墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构 ）
体育场建筑的外形结构
体育场建筑的外形结构
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，现已完成20根桁架柱整柱及2根下柱吊装。
国家体育场建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3米，短轴为296.4米，最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。
设计方案的改变
在保持鸟巢建筑风格不变的前提下，新设计方案对结构布局、构建截面形式、材料利用率等问题进行了较大幅度的调整与优化。
原设计方案中的可开启屋顶被取消，屋顶开口扩大，并通过钢结构的优化大大减少了用钢量。
大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为37.96米。
主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置，有22榀主桁架直通或接近直通。
为了避免出现过于复杂的节点，少量主桁架在内环附近截断。
钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，交叉布置的主桁架与屋面及立面的次结构一起形成了鸟巢的特殊建筑造型。
主看台部分采用钢筋混凝土框架一剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。
Q460钢材的运用
说起Q460钢材，大多数人可能都不了解。
鸟巢结构设计奇特新颖，而这次搭建它的钢结构的Q460也有很多独到之处：Q460是一种低合金高强度钢，它在受力强度达到460兆帕时才会发生塑性变形，这个强度要比一般钢材大，因此生产难度很大。
这是国内在建筑结构上首次使用Q460规格的钢材；而这次使用的钢板厚度达到110毫米，是以前绝无。
鸟巢的结构赏析
鸟巢的结构赏析介绍北京国家体育场，通称“鸟巢”，是2008年北京奥运会的主体育场，也是中国现代建筑的代表性作品之一。
鸟巢的结构设计引人注目，下面我们就来一起探究一下鸟巢的结构赏析。
鸟巢的设计鸟巢的设计灵感来自于中国古代陶器的编织工艺。
它是由中国建筑师李兴钢与瑞士建筑师雅克·赫尔策所带领的设计团队设计的。
鸟巢的设计从谷仓结构、荷重结构、图案结构、预制结构四个方面入手，充分发挥现代材料的性能。
鸟巢内外两套结构体系，外骨架主体结构由24个互相嵌合交错的钢桁架组成，内部是网壳结构体系，不仅使钢材利用率更高，而且增强了整个建筑结构的稳定性和抗震性。
整体建筑面积达到258万平方米，总建筑面积11.0万平方米，总容纳人数达到8.05万人。
鸟巢的外部结构鸟巢的外部由框架结构支撑，看上去既有力量感又具有动感。
其框架的支撑是由钢材为主的桥架式骨架结构，四根支撑路基的钢架从根部延伸到各个方向，逐层变细，形成一个巨大的蜘蛛网状的外部骨架。
这也使得鸟巢的外部看起来像是一只蜘蛛。
鸟巢的外部骨架使用了两种规格的钢结构，大型钢构件采用焊接加工的方式，方便了拼装、运输等等。
小型钢构件采用了螺栓连接的方式，使工业化建造成为可能。
外部骨架的节点设计以一系列不同的加固设计为标志，从“简单”到“复杂”，从而形成一组内部结构。
鸟巢的内部结构鸟巢内部是由网壳结构进行钢材加固和增强的。
网壳管结构是一种多肋空间曲面结构，可以分解为众多特定方向的管肋。
网壳管结构提供了一种无需承重墙壁的方法，而构成外墙与屋顶的结构体系节省空间的同时，也提高了结构的稳定性和可靠性。
鸟巢的内部是由其内部的空间框架和外部的立体网状结构组成的。
内部结构主体是由80多组不对称双层空间框架构成的。
空间框架的刚度和稳定性来自于在不同方向上定位的斜杆，这些斜杆将每个网格单元分散在单个框架中。
这样的设计可以抵御各种自然条件。
鸟巢独具特色、引人注目的结构设计，不仅是建筑结构技术的奇迹，更是中国现代建筑文化的重要组成部分。
建筑案例分析
建筑案例分析（Architecture Case Study）建筑是人类文明的重要组成部分，也是人们居住、工作、生活的主要场所。
建筑不仅要满足人们的基本需求，如通风、采光、防水、防火等，还要有美观的外观和实用的功能性。
本文将对国内一些典型建筑进行分析，以期能够从中获得启示，进一步提高我们对建筑设计的认识和理解。
第一案例：鸟巢（北京国家体育场）位于北京奥林匹克公园的鸟巢体育馆是2008年北京奥运会的标志性建筑，这个呈现自然风貌的设计不仅美轮美奂，而且力求人文和环保。
“鸟巢”的顶部采用了自然通风和自然采光设计，这种设计不仅有助于节约能源也降低了馆内使用者的中毒风险，实现了舒适环保的效果。
另外，鸟巢的主体外墙采用了高强度结构钢，不仅有着出色的防火性能，而且还有着优秀的耐久性能。
同时，鸟巢的外立面还模仿了鸟巢的外观特点，整个建筑形态呈现和谐自然的设计风格，给人一种高科技和自然的结合感受。
第二案例：上海环球港第三案例：上海中心大厦上海中心大厦作为中国目前最高的建筑之一，其设计的创新非常突出，开创了建筑设计史上的新局面。
该建筑不仅在建筑结构设计上大胆创新，采用了多个不同的几何形状进行组合，还采用了全球最先进的节能材料等先进技术，使其成为一栋既有创意、功能性又具有文化价值的建筑。
此外，上海中心大厦的外墙是由约4000多块钢化玻璃组成的，玻璃的透亮度和抗冲击性都非常高，增大了建筑内部采光的同时也提高了建筑的安全性能。
综上所述，这三个建筑案例的设计经验证明，建筑设计需要在实用性上达到基本要求的基础上，还要充分考虑到环保、经济、安全、文化等多个方面的要素，让设计更符合当下社会的发展需求。
在未来的建筑设计中，我们需要不断地学习新的技术、借鉴先进的设计理念，创新设计，在实践中把握住机遇来达到更好的效果。
大跨度钢结构典型工程案例
大跨度钢结构典型工程案例一、北京“鸟巢”（国家体育场）这鸟巢可真是个超酷的大跨度钢结构建筑。
你想啊，它的造型就像个巨大的鸟巢，那些错综复杂的钢结构杆件就像是编织鸟巢的树枝一样。
从远处看，那独特的外形就特别吸引人眼球。
它的大跨度结构可不是闹着玩的。
这么大的空间要能容纳那么多观众看比赛啥的。
在建造的时候，那些钢结构的搭建就像搭巨型积木一样，但难度可大多了。
每一根杆件的位置、角度都得精确无比，就好比要让一群调皮的小朋友乖乖站好队，而且不能有丝毫差错。
这个建筑可不仅仅是为了好看，还得能承受各种风雨、地震等自然灾害的考验呢。
二、广州国际会展中心。
这会展中心啊，也是大跨度钢结构的厉害角色。
它的大跨度就像是为了张开双臂欢迎来自世界各地的参展商和游客。
走进里面，那宽敞的空间就像一个超级大的广场，但是又有屋顶遮着，多亏了钢结构的大跨度，才能让这么大的空间没有一根大柱子在中间捣乱。
在建造的时候，就像是给一个超级巨人定制衣服，要把钢结构这个“衣服”做得恰到好处。
这个建筑对于广州的意义可大了，各种大型的展览、贸易活动都在这儿举行，就因为它有这么大的空间，全靠大跨度钢结构撑着呢。
三、埃菲尔铁塔（也算广义的大跨度钢结构啦）虽然埃菲尔铁塔不完全是传统意义上的大跨度建筑，但它的钢结构也非常值得一说。
这个铁塔就像一个钢铁巨人一样矗立在巴黎。
它刚建成的时候，很多人都觉得它奇奇怪怪的，但是现在它可是巴黎的标志性建筑。
它的钢结构就像一个精密的骨架一样，支撑着整个铁塔的重量。
从下往上看，那些钢铁结构一层一层的，像是给天空搭了一个通往云端的梯子。
这么高的铁塔，在一百多年前能建成，靠的就是当时先进的钢结构技术。
而且它能经受住这么多年的风吹雨打、日晒雨淋，可见钢结构的质量那是杠杠的。
四、悉尼歌剧院。
悉尼歌剧院那独特的白色“风帆”造型，可是闻名世界的。
这些像风帆一样的屋顶就是大跨度钢结构的杰作。
想象一下，要把这些巨大的“风帆”架起来，可不是简单的事儿。
最新建筑结构赏析(1)
• 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。
最新建筑结构赏析(1)
国家游泳中心 —水立方
最新建筑结构赏析(1)
国家游泳中心又被称为“水立方”（Water Cube），位于北京奥林匹克公 园内。2003年12月24开工，在2008年1月28日竣工。
最新建筑结构赏析(1)
• 主体建筑由外部围护钢结构壳体和内部2416个坐席的歌
剧院、2017个坐席的音乐厅、1040个坐席的戏剧院、公
共大厅及配套用房组成。外部围护钢结构壳体呈半椭球形，
其平面投影东西方向长轴长度为212.20米，南北方向短轴
长度为143.64米，建筑物高度为46.285米，基础埋深的最
最新建筑结构赏析(1)
• “水立方”的地下部分是钢筋混凝上结构，地上部分的钢 结构与地下部分的钢筋混凝土结构形成一个牢固的整体。
最新建筑结构赏析(1)
国家大剧院
最新建筑结构赏析(1)
• 中国国家大剧院位于人民大会堂西侧，西长安街以南，总 占地面积11.89万平方米，总建筑面积约16.5万平方米。 总投资额31亿元人民币。
国家体育场(鸟巢)工程总占地面积21公顷，建筑面积 258,000M²。观众坐席约为91000个，其中临时坐席约11000个。
最新建筑结构赏析(1)
• 国家体育场(鸟巢)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，高69米。
2020/11/17
最新建筑结构赏析(1)
国家游泳中心规划建设用地62950平方米，总建筑面积65000-80000平方米，
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建筑结构选型题目建筑结构分析姓名 X X X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 X X X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 (11)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。
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。
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“鸟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。
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，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。
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11。