国家速滑馆适应索网变形的柔性屋面构造体系研究

孙卫华，郑方，赵卫中，董晓玉/SUN Weihua,ZHENG Fang,ZHAO Weizhong,DONG Xiaoyu

国家速滑馆是北京2022 年冬奥会北京赛区标志性的建筑，也是唯一新建的竞赛类场馆，其独特的曲面玻璃幕墙象征着冰和速度，被誉为“冰丝带”（Ice Ribbon，图1），位于北京奥林匹克森林公园西侧，与鸟巢、水立方遥相呼应（图2）。冬奥会期间，国家速滑馆将承担速度滑冰项目（Speed Skating）的比赛和训练；赛后将成为能够举办滑冰、冰球和冰壶等国际赛事及大众进行冰上活动的多功能场馆（图3、4）。

1 国家速滑馆效果图（图片来源：北京市建筑设计研究院有限公司）

2 水冰火的立意对比（图片来源：郑方）

3 国家速滑馆工程外景（摄影：林志云）

4 国家速滑馆工程夜景（摄影：刘兴华）

1 屋面的生成

1.1 屋面形态的生成逻辑

国家速滑馆秉持“绿色办奥”理念，将控制制冰运行能耗作为绿色节能设计的首要任务。速滑馆比赛大厅的空间形态和容积大小是冰场环境控制和运行能耗的关键因素之一，其空间容积越小，就越容易实现冰场比赛环境的精准控制和制冰能耗的节约运行。因此，塑造合理的比赛大厅的空间形态，特别是选择合适的屋面形态是这项工作的第一步。

国家速滑馆围绕400m 标准速滑竞赛赛道，打造世界首例“全冰面”速滑场馆，其连续无缝冰面面积达11,578m2，为目前世界最大的室内人工冰面，环绕上述竞赛场地（FOP）连续布置12,000座看台和观众休息空间，形成长轴240m，短轴176m 的场馆正椭圆平面（图5）。在这样集约的平面基础上，依据比赛场地和看台净高需求，顶棚采用沿椭圆短轴（东西）方向两端随看台升高，沿长轴（南北）方向两端随看台降低的一种马鞍形双曲面的屋面造型。若保持同样的比赛大厅平面布局和最高点净高要求，采用常规的平屋顶或拱形屋顶（矢高15m），其比赛大厅屋面下的空间容积分别约为620,000m2和760,000m2，而采用马鞍形态的屋面则可以压减非必要的室内空间，因此，国家速滑馆比赛大厅的空间容积只有约470,000m2，相比节省了32%和62%（图6）。可见，马鞍形双曲面的顶棚是压减比赛大厅空间容积最为有利的屋面造型（图7）。

5 国家速滑馆首层平面

6 国家速滑馆容积比较剖面示意（5.6绘制：孙卫华）

7 国家速滑馆内景（摄影：孙卫华）

1.2 屋面结构的选型比较

在确定了国家速滑馆马鞍形双曲面屋顶的建筑形态后，下一步就是选择合适的屋面结构体系。对比超大跨度空间常见的网架体系、桁架体系和索网体系等3 种屋面结构体系（图8）：本项目采用网架和桁架方案的结构高度分别为8m 和10m，而索网方案仅有0.2m；三者总体用钢量差异不大，但索网能够实现工厂加工，现场地面拼装，其施工措施费远低于网架或桁架方案，综合造价可节省约20%，同时通过索网软结构整体提升，索网方案可节省工期约3 个月；通过降低建筑整体高度，可以减小室内比赛大厅空间容积约200,000m2，约占比赛大厅空间容积的50%，从而大大降低室内运行能耗，同时降低建筑高度还可节省建筑立面幕墙面积约4800m2，约占整体玻璃幕墙面积的25%。可见，索网方案在建筑形态、理念、造价、运行成本、施工工期等各方面相比网架或桁架方案更有优势，因此国家速滑馆主体屋面最终确定采用马鞍形单层双向正交索网结构。该屋面索网平面投影为正椭圆形，周边拉结于巨型环桁架上，环桁架支承于看台斜柱上；索网长轴为稳定索，最大跨度198m，拱度7m，共30 道；短轴为承重索，最大跨度124m，垂度8.25m，共49 道；网格平面投影间距4m[1]（图9）。

8 国家速滑馆屋盖结构方案对比简图（绘制：王哲）

9 国家速滑馆结构体系分解图（绘制：宋刚）

国家速滑馆屋面索网结构索体总长度约20,410m，总重量约968t，张拉投影面积约19,300m2，是世界上类似结构中跨度和规模最大的[2]（图10、11）。

10 国家速滑馆屋面索结构施工现场（摄影：孙卫华）

11 国家速滑馆屋面结构施工现场（图片来源：北京城建集团有限责任公司）

2 屋面设计的难点分析

2.1 屋面体系适应结构变形的需求分析

索网结构是一种体系受力合理的张力结构，是一种典型的柔性结构和可变体系，其平衡形式随荷载分布方式而变，在承受荷载过程中，产生的位移变形较大，并且结构变形会引起其内力重新分布，表现出很强的几何非线性[3]。表1 统计了国家速滑馆屋面在特定工况组合下，屋面相对初始态的索网位移和变形情况。索网最大向上和向下竖向位移分别为-520mm 和332mm，承重索会因此相应产生52mm 的伸长变形和206mm 的压缩变形，稳定索则会相应产生35mm 的压缩变形和152mm 的伸长变形。另外，在局部吊挂荷载作用下，索网会出现局部较大的变形，在变形最大处的索夹会产生垂直于索夹平面1°夹角的转动，转化为屋面索网单跨（4m）内的平面位移为±20mm。

表1 国家速滑馆屋面典型荷载工况下的竖向变形位移统计表（绘制：孙卫华）

为保证结构安全，我们要求在上述索网变形下，屋面基层构造（如檩条、压型支承板、屋面面板等）附属构件不能对索网构件内力产生额外影响，即附属构件不参与主体索网结构受力，也不对主体索网结构产生面内抵抗作用，只将附属构件承受的外部荷载传递给主体索网结构；同时屋面基层构造附属构件也不因主体索网结构受力而产生自身功能性破坏。

同样，屋面防水面层构造、室内顶棚构造、屋面设备管线系统等屋面相关构造体系都需要具备这种能适应索网柔性屋面结构体系变形的能力。

2.2 直立锁边金属屋面系统的风险分析

目前国内超大跨钢结构轻型屋面常见做法为钢结构+檩条+压型金属支承板+保温层+直立锁边金属面板的金属屋面系统（图12）。这种构造体系中固定支座仅限制屋面板在板宽方向和上下方向的移动，理论上在温度变化时，屋面板能够在固定支座上沿板长方向自由伸缩，不会产生温度应力和温度变形问题[4]。若基于柔性变形的索网结构，一般将上述屋面体系中的固定支座改为滑动支座，进一步加大其适应索网变形的能力[5]。

12 直立锁边金属屋面系统示意（绘制：孙卫华）

但工程实践中，金属板和支座之间的滑动存在着诸多不确定因素，并且其滑动变形需求和咬合力需求是一对矛盾，往往锁边咬合处出现了温度变形应力，从而加重了锁边咬合处的抗拉脱能力不足的问题，其负压抗风揭性能明显较弱。大型公共建筑上屋顶金属面板被大风掀起的工程事故频繁发生，严重影响了这些公共场所的正常使用和运营，也给人们的生命和财产安全带来了极大风险和隐患[6]（图13）。依据前面国家速滑馆屋面结构变形量分析，在不考虑叠加屋面板本身温度形变情况下，仅结构变形需要通过滑动支座解决的滑动距离最大就有76mm。这个距离远超常规的屋面变形量，对直立锁边金属屋面的屋面板和支座都提出了超常的要求，也就意味着更加巨大的风险。另外，国家速滑馆马鞍形双曲面造型屋面上还设置了环形玻璃天窗、排烟天窗、排水天沟，屋面构造复杂，对常规的金属屋面体系的施工精度和防水性能也提出了巨大的挑战。

13 典型金属屋面风揭破坏现场（摄影：龙文志）

2.3 屋面排水系统设计思路分析

国家速滑馆马鞍形双曲屋面由于四周幕墙檐口、环桁架空间结构以及环形天窗的阻挡，屋面雨水无法靠重力自然组织形外直接排放，必须进行内排水组织设计。由于马鞍形双曲面天然的坡度趋势，形成的自然屋面坡度会将屋面的雨水引向南北两个低点区域汇聚，现有计算方法很难准确计算出屋面雨水的径流分布并据此合理布设排水点。因此，在设计中必须采取相应的措施将屋面的汇水面积进行划分，分散雨水汇聚面积和集中排放压力；同时应提供可靠的屋面溢流系统，减小超量雨水汇聚造成的屋面局部集中荷载，保证屋面安全。

2.4 屋面防水卷材选型及其构造要求分析

由于柔性屋面基层的变形需求，屋面的防水材料首先应该具备高性能的弹性拉伸能力，同时应具备优异的抗拉伸疲劳能力；其次，防水材料应该能适应该屋面复杂曲面的造型，防水材料及其构造应该具备相当的柔性形变能力，容易施工、便于维护；第三，防水面层应满足建筑屋顶作为第五立面的美观需求，符合建筑双曲面的造型逻辑，表面光滑平整，也能利于雨水的排放和保持屋面清洁；第四，该防水材料应该具备可靠的固定构造措施，满足抗风揭能力要求；第五，该防水材料应该具备大面幅尺寸，减少材料拼缝，降低渗漏风险。

2.5 屋面构造设计节能需求分析

我们可以把国家速滑馆比赛大厅看作是一台4.2亿升的大冰箱，它包括屋面在内的围护结构的保温隔热性能就是节能运行的关键因素。设计中不仅要保证屋面传热系数的指标合理，减少冷桥构造；要统筹自然通风和排烟需求，避免过多的天窗热损耗，同时采取必要的遮阳构造，避免光线直射冰面；还要尽量提高屋面反射系数，降低屋面吸热效应。另外一方面，国家速滑馆拥有近12,000m2的冰面，光洁平整的冰面会产生特有的反射效应，为降低屋顶对冰面的热辐射，需要寻找一种节能顶棚，来进一步降低冰场的运行能耗。

3 屋面体系的技术创新

3.1 首创的单元式板块屋面基层体系

面对上一章节分析的索网变形需求和常规金属屋面适应能力的矛盾和风险，设计团队转变方向，借鉴建筑幕墙系统的设计原理，发现单元式幕墙的抗结构变形能力、抗震能力都较框架式幕墙有一定的提升。幕墙单元块是一块块工厂整体加工制作的组件，其单元块的结构本身具有一定的整体刚度。正如索网结构上的玻璃幕墙基本都是采用点支玻璃构造（图14），这些玻璃块可以理解为一种极至简洁的单元体，这也正印证了单元式幕墙适应主体结构变形的能力优势[7]。同时，对于双曲抛物面索网，当其水平投影为正方四边形网格时，一个重要特性为每个空间网格的4 个角点共面[8]。此时，单一索网网格内的不同檩条是共面的，具备形成一个单元整体的前提条件。

14 北京新保利大厦索网玻璃幕墙（摄影：孙卫华）

因此，经过多轮行业专家的专项论证，最终确定国家速滑馆主体索网屋面基层采用国内首创的单元式板块体系。该屋面基层由1122 个相互独立的单元板块平铺而成，任意相邻单元板块之间均设置变形缝，不产生相互作用力，能够更好地适应索网结构的变形需要（图15）。同时，板块全部在工厂加工制作，能够大大提高屋面基层质量控制标准，提升项目的预制率，又可以大大节省现场作业的时间和人力，给其他工程作业留出空间和时间（图16）。

15 国家速滑馆屋面施工现场航拍（图片来源：北京城建集团有限责任公司）

16 国家速滑馆屋面单元板块施工现场（摄影：孙卫华）

3.2 高效的组合式钢架单元板块构造

上述这1122 个单元板块，依据屋面4m×4m的索网网格、屋面天沟、屋面天窗及索网边缘边界条件，被分为标准单元、天沟单元、天窗单元和边缘异形单元等4 类（图17）。为了提高单元板块的标准化生产效率，减少型钢截断和二次焊接工作量，本项目创造了一种组合式钢架结构，由标准的钢柱、角钢、钢梁、连接板以及螺栓组合形成。4 根U 型钢柱通过水平钢梁连接形成空间矩形结构体，并可以与索网索夹进行固定连接；底层、顶层和侧面的金属承板通过螺栓与钢柱、钢梁固定，在其内部填充满足热工性能的保温材料，形成密闭的屋面单元板块（图18）。这种组合式钢架结构简单，结构强度高，整体性好；可实现自由组合不同面积大小的钢架屋面，且钢架结构之间拆装方便，大大提高了制作标准化和装配效率。

17 国家速滑馆屋面单元板块数字模型

18 国家速滑馆屋面单元板块拆分（17.18绘制：宋刚）

3.3 新型的隐形变形缝构造

国家速滑馆屋面综合考虑索网屋面变形和单元板块安装需要，屋面板块之间变形缝的宽度最终确定为90mm。单元板块四周变形缝密布，总长度约9000m，并且由于正交网格、屋面天沟、天窗和异形边界的原因，出现了大量的十字缝、立体缝、异形缝，其分布密度和施工难度均远超常规屋面工程。因此，我们在设计中摒弃了常规屋面变形缝需凸出屋面的防水构造做法，创造了一种新型变形缝防水构造（图19）。该变形缝防水层由两道高弹性防水卷材组成，下层卷材内陷于变形缝之中利用长度冗余适应变形需要，并在其上方嵌填保温材料，避免冷桥同时作为上层防水卷材的支撑层；上层采用大幅面、高弹性防水卷材跨缝平铺于屋面单元板块基层上，利用卷材自身弹性适应屋面变形（图20）。这样上层防水卷材规整且拼缝少，可有效掩盖单元式屋面上的变形缝，使其隐形，而屋面则更加美观，不易积水，且具有优良的防水性和适应变形能力（图21）。

19 国家速滑馆变形缝构造节点（绘制：孙卫华）

20 屋面变形缝实物样板模型

21 国家速滑馆屋面变形缝施工现场（20.21摄影：孙卫华）

3.4 新型的等高线天沟系统

上一章节中分析了国家速滑馆屋面雨水分区排放的设计原则，设计团队利用数值模拟软件，针对某一单一降水事件，跟踪模拟不同时间步长任意时刻所产生的径流水量，根据模拟结果，采用设置屋脊、导水坎以及等高线排水天沟等技术措施，对屋面汇水面积进行人为划分，得出最适合的屋面排水区域划分方式（图22）；再利用三维软件Rhino，在面积均衡的基础上将分区边界设置为等高条件，将屋面化为9 个等面积区域，形成了8 条等高线屋面天沟，并将等高线天沟与外圈环形天沟连通，形成屋面排水系统；以此为基础进行屋面雨水系统设计，在天沟适当位置设置虹吸雨水斗，后续再对此雨水系统的虹吸形成进行再次模拟，作为系统的理论验证。在屋面深化设计中，根据板缝排布和三维激光扫描现场实测结果，对天沟在单元板块之间的具体位置进行优化调整。这种新型的屋面分区方式能够最大程度地有利于组织雨水汇聚和雨水口的分散设置，保证雨水系统的高效工作和屋面安全（图23）。

22 国家速滑馆屋面雨水径流数字模型（绘制：李丹）

23 国家速滑馆屋面施工现场航拍（图片来源：北京城建集团有限责任公司）

3.5 创新的屋面雨水溢流系统

在上述屋面排水系统的基础上，本项目设计中结合屋面天沟和虹吸排水系统，发明了一种排水性能良好的新型双鞍形屋面溢流系统。该系统包括屋面天沟、虹吸斗集水井及连通天沟和集水井的溢流管道。其中环形天沟设置于双鞍形屋面环形天窗的内外两侧，在天沟的侧壁设置有相互间隔的多个溢水口，与不锈钢溢流管道连接。当屋面雨水流量超过设计排水能力时，超量雨水通过天沟集水井侧壁的溢流口流向溢流管道，自建筑南北两端的首层室外吊顶上的泄水口排向室外场地，以保障建筑的结构安全和排水安全。

3.6 防水卷材选型与产品创新研发

依据前文对国家速滑馆柔性屋面对防水层的柔性变形的需求分析，设计中通过材料参数、检测试验、实体模型、现场样板等方式，重点分析了聚氯乙烯（PVC）、热塑性聚烯烃（TPO）、三元乙丙橡胶（EPDM) 3 种最常见的屋面高分子防水卷材，综合对比它们在抗拉强度、拉伸性能、抗疲劳性能、耐候性能、材料硬度、质感色彩、使用寿命、固定方式、施工措施等多方面的优劣表现，最终确定选用弹性好、柔性好、耐候好、幅面大、易施工的三元乙丙橡胶卷材（EPDM)作为屋面防水层材料。

EPDM 卷材通常为黑色，目前只有国外个别厂家可以提供白色产品，为此，我们和国内的相关材料厂商合作，研发成功了国内第一款白色EPDM 卷材样品，虽最终由于产品性能调试周期等问题，没有在本工程上采用，但客观上推动了国内防水卷材产品的研创工作。

3.7 新型的防水卷材复合铺贴构造

传统单层屋面EPDM 卷材常用以下3 种方式固定：空铺压顶固定系统、满粘固定系统、机械固定系统。由于国家速滑馆复杂的双鞍形屋面，且屋面基层为数个单元板块拼装完成，屋面变形缝密布，对屋面防水系统长期的抗风揭作用和耐久性能提出了更高的要求。因此，本项目开创了一种EPDM 防水卷材采用胶粘满粘+机械固定的新型复合固定安装系统，不仅提高了屋面整体的抗风揭作用效果，使屋面更加安全和耐用，延长了建筑的耐久年限，而且可以选用更宽泛的EPDM 卷材幅宽，减少了卷材的搭接，提高防水质量，降低了材料损耗同时又节约了人工成本（图24）。

24 国家速滑馆屋面防水卷材施工现场

3.8 多效的硅基涂料防水复合保护层

目前单层卷材防水屋面，由于卷材及其接缝外露，缺乏有效保护，随着使用年限增加，易出现卷材接口开裂、卷材局部损坏和老化问题。国家速滑馆为避免上述问题，同时最大发挥EPDM 材料应有性能优势，最终屋面采用白色硅基涂料面层（保护层）+黑色EPDM 卷材防水层的新型复合屋面防水层体系，既增强了建筑屋面的防水性、耐久性和观赏性，延长了屋面防水卷材的使用寿命；同时，采用白色面层，又能满足建筑的冰雪主题和冷屋面（Cool Roof）的节能要求（图25）。

25 国家速滑馆屋面硅基涂料施工现场（24.25摄影：孙卫华）

3.9 创新的屋面防火隔离系统

为保证本项目消防安全，我们在国家速滑馆首创了一种适用于卷材防水屋面防火隔离带系统。这套金属板防火隔离系统设置于屋面天沟内，不影响屋面的建筑效果，还对天沟的防水层进行保护；通过金属板穿孔构造，不会影响天沟的排水能力，又能满足屋面的抗风揭性能；通过钢支架与穿孔金属板自由端之间形成压接固定，能够适应屋面主体的结构变形和温度变形，避免对屋面防水面层的损坏（图26）。

26 国家速滑馆屋面防火隔离带节点图（绘制：孙卫华）

3.10 节能的复合吊顶系统

为了降低顶棚对冰面的辐射热负荷，国家速滑馆比赛大厅冰面上方采用高反射、低辐射、低透射的LowE 膜吊顶。LowE 膜表面有一层特殊的金属涂层，将其发射率降低到0.25，其吸收和发射热量的能力降低；同时高反射和低投射性能，将屋顶外来的热量反射回去，起到热屏障的作用，整体可以降低40%的顶棚热辐射量。同时，在吊顶LowE膜上方利用钢丝网隔空设置玻璃丝棉吸音层，形成顶棚吸音构造，比赛大厅内的声波通过膜材料的微孔进入空气层，再到吸音棉层，综合吸声系数（NRC）可达0.9。这种创新性的节能吸声复合吊顶，平行悬吊于屋面索网下方，形成内外一致、飘逸灵动的空间效果（图27）。

27 国家速滑馆室内吊顶实景（摄影：孙卫华）

4 结语

综上，本文首先复盘了屋面设计围绕绿色节能和结构最优的理性推导过程，阐述了国家速滑馆柔性屋面的生成逻辑，提出屋面变形需求这一核心问题；再通过屋面变形的量化数据和常规金属屋面的风险评估等方面，分析了屋面系统适应索网变形的诸多技术挑战和进行系统性技术创新的必要性；最终本项目屋面设计中以创造性的单元式屋面板块基层为基础，通过防水材料、变形构造、排水系统、复合吊顶等多种创新性的措施，首创了一种金属单元柔性屋面系统，解决了屋面系统适应索网变形的问题，兼顾了建筑效果、屋面安全、围护节能等设计要求，填补了装配式模块化屋面系统的空白。

对国家速滑馆“冰丝带”索网双曲面柔性屋面体系开展研究，既是对其设计过程的梳理和设计理念的剖析，也凸显了该屋面体系在促进建筑全生命周期的绿色低碳运行，提高建造预制率，控制施工周期和工程造价等方面的比较优势，具备了对类似超大跨空间场馆核心技术系统建设的推广价值，也更加彰显了国家速滑馆屋面体系技术创新的示范意义。□