东北林业大学体育馆荷载与结构分析

刘俊++刘涛

摘要：随着国民经济持续快速的发展，国家加大了对高等教育投入的力度。高等院校的体育设施，特别是体育馆的建设，得到迅速的发展，并成为一个值得研究的重要课题。本文主要从体育馆荷载与结构进行了剖析。

关键词：体育馆；荷载；结构

中图分类号：YU312+1 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）23-0142-02

东北林业大学体育馆建成于2010年8月，建筑面积37000平方米，内部设有游泳、健身、乒乓球、篮排球、轮滑等功能馆，可容纳5000人观看比赛。该体育馆是目前黑龙江省面积最大、功能最多的综合性体育场馆。该场馆由哈尔滨工业大学建筑设计研究院设计，建筑高度30.6米，其中幕墙面积13019平方米，是典型的建筑幕墙工程。

东北林业大学体育馆下层为框架结构，上层为以钢结构为支撑结构的建筑幕墙结构，建筑幕墙结构中又包括玻璃幕墙、屋面铝板幕墙两种，下面我将从该建筑的主要功能谈起，对结构的荷载考虑和承重模式进行分析。

作为一个体育馆，其功能主要由体育比赛和商用健身两部分组成。为了实现体育比赛的场馆修建目的，保证场馆大小和观众席位置，体育馆首先要做到的就是“大”，作为黑龙江省第一大综合性体育馆，东北林业大学体育馆的面积毋庸置疑，与此同时为了保障场馆的结构稳定性，底部被设计成钢筋混凝土框架结构，环绕一周的直径约为150cm的称重柱子为结构承受了大部分竖向荷载。框架结构的另一个好处就体现在体育馆与外界地面相同的地下停车场上，两面开放式的停车场极大程度地减小了社会车辆穿过体育馆所需的路程，符合低碳环保的国家号召。体育馆地下外侧设有乒乓球厅、跆拳道厅等教学场馆，内侧则是为中心场馆提供了远大于标准要求的室内比赛净高的要求，这使得场馆内部观众和选手的心态得到很好的调整——当然，这也有屋面铝板幕墙的功劳。

鉴于体育馆的特殊使用要求，我们对重力作用也要有一个详尽的分析，不仅要考虑运动员比赛的动荷载，观众坐满甚至超员的静荷载，各种设施设备的集中荷载（如健身设施），还要考虑作为学校场馆，东北林业大学体育馆经常会被作为讲座、全校大会、文艺演出、演唱会等各种情况下的综合荷载，因此对基础的要求非常高，前期施工准备工作也要做足、做好，只有在将人群荷载、楼面活荷载以及结构自重考虑清楚后，才涉及到如何把体育馆做得美观大气的问题。

建筑幕墙结构现在被广泛应用于商业区高层建筑及各类体育文化场馆，我国建筑幕墙行业从1983年开始起步，距今已有30年。建筑幕墙以其美观、节能、易维护、符合场馆开放式人文理念等优点而深入建筑行业，成为其密不可分的一部分。体育馆使用建筑幕墙主要有以下几方面原因：首先是建筑立面外观的要求，要与传统的窗的立面有所不同，而要求大面积的整体的外围护平面或者曲面；其次是场馆采光的要求，要求有更大的通透性；再次则是跨度长、面积大的建筑在建筑安装施工的简约化和工业化，进一步改进和提高施工效率和速度。东北林业大学体育馆主要在两方面应用了建筑幕墙结构：一是体育馆2层以上侧向外围的玻璃幕墙，二是场馆顶的屋面铝板幕墙，两种幕墙不仅使得体育馆在整体风格上高度统一，更是完美地达到了与其设计效果，同时，鉴于建筑幕墙的形式多变，安置简单，使得最初场馆的多拱设计得到了完美的诠释，也使得新体育馆一跃成名，变成黑龙江省第一的高校综合体育馆。

东北林业大学体育馆侧面2层以上使用的玻璃幕墙，属于单元式幕墙的一种，每两层或一层为一个单元，与下一个单元进行结构密封，这样的幕墙构造方法不仅可以使建筑物与设计形状打到高度统一，还可以使幕墙结构拥有优良的气密性、水密性、风压变形及平面变形能力，可达到较高的环保节能要求，玻璃幕墙材料相较之下位于体育馆顶部的屋面铝板幕墙则肩负着更重要的构造任务，不仅需要满足屋顶的普通结构任务，还需要兼顾屋顶的多拱设计，保证美观，作为大跨度结构屋面，风荷载的作用也不可忽视，在这样的条件下，体育馆选择了屋面铝板幕墙，作为屋面幕墙，它拥有先进的采光、通风、防漏、防水、防结露技术，可以保证任何天气下体育馆内部的环境都不受影响，作为铝板幕墙，拥有多项新技术的综合应用（防火、防腐、遮阳、控制），它进一步提高了建筑屋面的安全性、适用性。而对于一向领设计师头疼的风荷载问题，东北林业大学体育馆的设计上也表现出了独特的解决思路，屋顶的钢结构支撑在四个方向上分别单独设置了与斜梁相固定的钢结构支架，如此，极大程度上减小了体育馆顶部穹顶被风荷载破坏的可能性，保证了结构稳定。

除了以上所谈到的荷载外，雪荷载作为东北地区必须讨论的话题也应该引起我们的重视，尤其是位于“东三省”最靠北方的黑龙江省的轻屋面结构，对于雪荷载所带来的后果必须加以考虑。东北林业大学体育馆屋顶虽然采用的是轻质的屋面铝板幕墙结构，但屋面下有优质的节点钢结构进行加固，只要对雪荷载的标准数值代入准确，可以做到防止大雪对体育馆整个结构产生破坏的恶果。

作为人流密集的公众场所，室外楼梯是人群荷载最为集中的地方，加之前几年国内沸沸扬扬的多起青少年“踩踏事件”，我国对楼梯、安全通道等做出了严格规定。东北林业大学体育馆设置了多个由各个疏散门引导出的人群的室外楼梯共6处，宽度均符合国家要求，在各个出口外直接设立室外楼梯不仅可以非常有效地避免人群拥挤，还能在发生意外险情（如地震、火灾、爆炸、绑架等）时使受害者拥有求生之路，救援者也省去“另辟蹊径”的精力，是符合当代社会以人为本价值观的合理举措。

以上我从建筑用途方面大概性地介绍了东北林业大学体育馆的结构与荷载设计的基本概况和亮点，下面我将从设计者的角度对体育馆的几项常规荷载设计方法进行分析。

首先是东北地区较南方地区最大的不同之处——雪荷载，作为房屋屋面的主要荷载之一，其导致屋面结构破坏的事例非常多见，尤其是对于雪荷载较为敏感的装配有轻型屋盖大跨度结构。上文中已经提过，体育馆的屋面采用铝板幕墙结构，根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012中的叙述，新规范对很多城市的基本雪压进行了重新统计，表中数值发生了变化，并且再次强调对雪荷载敏感的结构（轻型屋盖，大跨屋盖），基本雪压应适当提高，并应按相关的结构设计规范中规定的雪压进行设计。

其次是被列为大跨度结构的控制荷载——风荷载，哈尔滨市的位置决定了当地的风荷载不存在（小概率）出现台风的情况，因此，东北林业大学体育馆是建立在起始于欧亚大陆的季风气候的基础上进行计算的。哈尔滨地区的海拔高度为145.1m，风压系数为1/1630，相对于沿海部分地区，风压系数较小，这是由当地的空气重度决定的。哈尔滨市50年一遇的基本风压值为0.55，对于大跨度体育馆结构分析，顺风向风振较横风向风振更具有破坏性，因此，顺风向风荷载标准值就成为风荷载求解过程中的重点，按照风荷载标准值的计算过程进行逐步分析，第一是确定基本风压，这一值前文中已经给出；第二是风荷载体型系数，对于不规则结构的体育馆造型，为保证结构稳定，需要同时计算风荷载体型系数和造型连接处的局部风压体型系数，以便对体育馆拱形屋面进行有效固定，同时要注意周边建筑物的影响，对于这一点，东北林业大学体育馆在设计建造时还没有对游泳馆进行设计，因此在设计验算时一定没有叠加游泳馆的影响，但游泳馆建成并投入使用多年来，体育馆没有因局部风荷载改变而发生破坏，这足以证明我们的设计是合理的，也是有一定弹性的；第三是确定风压高度变化系数，可以直接根据规范的表格查取；第四是计算结构的基本周期，对于结构的基本周期，我们需要按结构的随机振动理论来计算结构的风振系数，并考虑风压脉动对结构发生的顺风向风振的影响（36m以上大跨度屋盖）；第五是脉动风荷载的空间相关性系数（横竖向分别计算）；第六是振型系数，但体育馆的特殊造型使得它既不服从高层结构的一般规律，又不是传统的低层结构构造，常规公式不可能得出计算结果；第七是背景分量因子；第八是共振分量因子；第九是确定风振系数；最后一步即计算风荷载标准值。诸多的经验公式罗列在前，规范的公式叠加条件在后，对于一个大跨度不规则体育场来说，风荷载的计算显然很有难度，我没有查到东北林业大学图书馆是否进行了工大风洞实验室的实验作用，不知道这个建筑是否通过了权威的风洞检验，不过经过几年的使用，我清楚地知道，这是一个经得起“考验”的优质体育馆，这是一次成功的设计。

至此，我结合我所想到的所学的已经对东北林业大学体育馆这一以“腾飞”为主题的黑龙江省高校最大的综合性体育馆的荷载和结构进行了全面的分析，专业性有所不足，请诸位大家海涵。

作者简介：刘俊（1992-），男，山西大同人，东北林业大学本科在校生。

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