北京工人体育场结构改造设计方案及关键技术*

盛 平， 张龑华， 甄 伟， 王 轶， 赵博尧， 张 磊

(北京市建筑设计研究院有限公司， 北京 100045)

1 工程概况

北京工人体育场于1956年设计，1958年建成，为新中国成立十周年的十大建筑之一，是新中国体育史的见证者[1]。原北京工人体育场(图1)整体为椭圆形建筑，结构体系为钢筋混凝土框架结构，地上共四层，无地下室，总建筑面积约80 000m2。

图1 原北京工人体育场实景图

原北京工人体育场为综合体育场，由于2023年亚洲杯足球赛将在此举行开、闭幕比赛，因此需将其改造为专业足球场。为此，体育场内将不设田径跑道，而将原椭圆形场地改为矩形足球场地，看台座位的设置也需满足专业足球场的要求。与此同时，北京工人体育场原设计未考虑抗震设防，结构材料的强度也相对较低，基础为木桩加毛石基础。对这一已使用超过60年的标志性建筑，要使其满足高等级国际足球比赛的需求，其改造设计工作面临着巨大的挑战。本文将对结构改造设计过程中的设计方案及关键技术进行介绍。

2 改造要求及问题

2.1 改造要求

本次改造的主要要求如下：

(1)看台重排：进行2023年亚洲杯足球赛开、闭幕式的球场总坐席数需不少于65 000座，同时为保证观赛舒适性，座位宽度、间距、视角等要求均有所提高，场心形状的变化也导致如今的看台结构不能满足使用要求。为此需将看台和足球场草坪均向下延伸至-13.8m，同时将看台向上延伸，突破原屋顶高度。

(2)增设罩棚：为满足高等级足球比赛观赛舒适性的需求，同时有利于足球场草坪采光通风，体育场上方需增设完全遮蔽观众席且中部开口的罩棚。

(3)尊重历史：对历史建筑的改造应尽量保留原有建筑风貌，留住城市的记忆，特别是建筑外立面应尽可能维持原貌，屋顶钢结构罩棚的增设也应尽可能不显露。图2为北京工人体育场初版改造方案鸟瞰图，图3为与之对应的剖面示意图，可见屋顶钢结构罩棚几乎与建筑檐口相平。

图2 北京工人体育场初版改造方案鸟瞰图

图3 北京工人体育场初版改造方案剖面图

2.2 改造问题

此建筑方案基本能够满足足球场的使用需求，但其结构改造面临以下几方面问题。

(1)8度抗震设防标准难以满足

原北京工人体育场于1990年亚运会和2001年大运会期间进行过结构加固[2-3]，当时未考虑地震荷载的影响；在2008年奥运会前进行结构改造时，考虑到体育场已使用近50年的实际情况，抗震加固已难以达到8度抗震设防标准的要求，因此最终按《建筑抗震设计规范》(GBJ 11-89)中7度抗震设防和12年使用年限(2020年已期满)的要求进行抗震加固[4]。

前述历次对北京工人体育场的结构加固大都保留了原结构，采用的主要加固方法有加大截面、粘贴钢板、粘贴碳纤维、采用体外预应力、设置阻尼器等等[4-6]。前述加固已应用了大多数常规加固手段，继续加固难度很大。现改造加固不仅要满足专业足球场大幅提高的使用功能要求，还要达到现行的抗震加固标准中的8度设防要求。

(2)结构安全性能低

相关单位于2018年对北京工人体育场重新进行了结构检测鉴定，结果表明梁、板、柱混凝土强度在13～18MPa之间，钢筋强度设计值为240MPa，检测鉴定后判断北京工人体育场房屋安全性鉴定等级为Deu级，说明房屋结构安全性严重不符合鉴定标准的安全性要求，已经严重影响整体安全，建筑抗震能力整体严重不符合现行国家标准。

(3)基础及外围框架加固代价高

由于看台排布改动较大，体育场内部框架需全部拆除，而依据建筑改造方案，外围框架及建筑做法需要保留，并新增地下室结构。一方面，原体育场外围框架柱下采用木桩加毛石砌筑的独立柱基础，基础整体性差且埋深浅，新增的地下室对原体育场外围地下室基础的影响很大；另一方面，新增的屋顶钢结构罩棚使得外围柱负担的荷载加大，外围框架和基础需进行加固，费用较高。

(4)外立面问题

体育场经过多次改造加固，立面外形以及构件尺寸已与原体育场相差较多，增设的阻尼器及钢支撑等显著影响了体育场外立面的整体效果，见图4。经过对各方面因素的综合考虑，最终决定将北京工人体育场按复建原则进行设计，尽量保留原建筑风貌，满足专业足球场的要求，同时大幅延长体育场的使用寿命。

图4 体育场外立面对比

3 整体复建方案

体育场复建方案为地下两层，地上六层，檐口高度为26.39m，屋顶最高点标高为47m，平面尺寸(长×宽)约为280m×213m，改造后的外形尺寸和建筑檐口高度与原体育场基本保持一致。体育场采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，抗震设防烈度为8度(0.20g)，设计使用年限为100年(耐久性)，屋顶设置中部开口的钢结构罩棚，改造后的体育场效果图见图5，体育场1层顶板平面布置图见图6，罩棚钢结构平面布置图见图7，结构剖面布置图见图8。

图5 改造后工人体育场效果图

图6 体育场1层顶板平面布置图

图7 体育场罩棚钢结构平面布置图

图8 体育场结构剖面布置图

本次改造复建对工人体育场初始设计中的3个遗憾[7]进行积极响应，力争让复建后的体育场做到安全、适用、美观。

(1)原体育场看台面层防护措施不够。混凝土看台结构长期暴露在酷暑严寒的大气作用下，具有较高的开裂风险。为此，看台结构按双层设计：下层为整体钢筋混凝土现浇层，上层为预制看台层，上下层间完全脱开。一方面，上部预制看台长度短，温度效应小，开裂风险低；另一方面，预制看台对下部受力结构起到保护作用，显著减小了环境作用对受力结构的影响。

(2)原体育场伸缩缝太多。体育场最大周长约794m，原结构沿径向设置24道伸缩缝，形成24组长约30m的相互独立的框架结构单元，结构整体性差，环向抗震能力弱[4]，抗连续倒塌能力差。另外，伸缩缝处防水失效风险高[6]。可见，减少甚至完全取消伸缩缝是保证结构整体安全性和防水可靠性的重要措施。

(3)原体育场高支模施工困难。虽然当代施工技术发展日新月异，但在结构选型(特别是罩棚)时考虑施工便捷性并合理减少用钢量仍能为简化施工带来巨大的时间和经济效益。

混凝土看台结构设计时，由于取消伸缩缝形成最长达近800m的环状超长混凝土结构，在温度作用下具有较大的开裂风险。为此，在体育场梁板中沿环向施加预应力，并根据温度应力分析结果对预应力值进行优化。降温工况下看台混凝土结构拉应力分布见图9。从图9可得，1层顶板因受地下室顶板约束作用强，在降温时形成的拉力较大，故施加预应力程度高，1层以上顶板施加的预应力视分析情况酌情减小。根据温度作用下内边界为圆角矩形的环状结构在内圆角附近拉力较大的特点，在局部区域加大沿环向的普通拉通钢筋配置量。屋檐处清水混凝土造型环带采用新型诱导缝解决开裂问题，见第4.5节。

图9 降温工况下看台混凝土结构拉应力分布/MPa

罩棚钢结构设计时，需满足特定的视觉效果和使用功能。为尽可能弱化新增罩棚对原建筑外立面的影响，罩棚顶标高不能太高；为保证观众观看屋顶360°环屏幕时视线不受遮挡，排除了单层拉索的柔性屋盖方案(图10)；采用两级拉索的弦支穹顶方案虽然能解决环屏幕的视线问题(图11)，但其繁复的视觉效果破坏了建筑方案中庄重简练的线条感。综合比选后决定采用单层开口拱壳的刚性屋盖方案以适应罩棚标高逐渐提升和避免遮挡实现的需求，并实现既定的建筑效果。

图10 单层索方案视线遮挡分析图

图11 双层拉索弦支穹顶方案视线遮挡分析图

罩棚的建筑意象为与故宫门窗槅心窗花相呼应的“三交六椀”造型(图12)。经过对刚性罩棚结构形式的多方案比选，最终选用了中心开口的单层拱壳方案，采用满布的小截面箱形斜撑保证罩棚结构的整体性并成为拱肋的侧向支撑，与建筑效果相匹配的同时也减少了二次围护结构的安装工作量。图13为罩棚结构的竖向传力体系示意图，通过拱肋将竖向荷载向与拱底相连的柱脚传递，并由2道内压力环与1道外拉力环平衡拱顶、底的水平荷载。拱肋底部与混凝土看台间通过设置摩擦摆隔震支座释放弯矩和水平力，大跨屋盖结构减隔震设计思路见第4.1节。

图12 故宫门窗“三交六椀”菱花图案及罩棚三维示意图

图13 罩棚结构主要竖向传力体系示意图

4 关键技术

本项目设计关键技术包括：高烈度区大跨屋盖结构减隔震设计、钢结构直接分析法设计、考虑设计-施工全过程的结构优化设计、新型加劲肋增强高瘦型箱形截面钢构件腹板局部稳定性技术、超长混凝土结构新型诱导缝技术。

4.1 大跨屋盖结构减隔震设计

屋盖结构壳面短轴跨高比约为12∶1，为避免竖向荷载下屋盖对混凝土结构产生过大推力，在拱底设置支座释放水平力，并同时达到隔震、释放温度内力的多重目的。由于满布交叉斜撑，故罩棚结构面内刚度很大，构成了大跨屋盖结构减隔震设计的基本条件。

对滑板支座、橡胶支座、摩擦摆支座进行了比选，基于以下原因选择了摩擦摆支座：1)摩擦摆支座通过改变曲面半径即可方便地调节屋盖结构的水平振动周期，可设计性强；2)摩擦摆支座具有一定的起滑力，通过合理设计可以抵抗风荷载作用；3)摩擦摆支座具有一定的回复力，引起支座滑动的作用力消失后有助于实现支座复位；4)受制于橡胶支座的第二形状系数，采用摩擦摆支座有利于减小支座尺寸。

本项目在每根拱肋底部设置摩擦摆隔震支座，摩擦材料采用超高性能聚四氟乙烯，静摩擦系数为0.035，动摩擦系数为0.015～0.025。为减小大震作用下的屋盖结构水平位移，在墩柱与外环梁间设置黏滞阻尼器，阻尼系数为130kN/(mm·s-1)，阻尼指数为0.3。大跨屋盖结构减隔震装置连接示意图如图14所示。

图14 减隔震装置连接示意图

基于对布置减隔震装置前后的结构进行对比分析可见，布置减隔震装置后的拱底水平推力减小约96%，温度作用下内外环梁及拱肋的轴力减小约97%，中震作用下屋盖结构双向水平地震力减小约80%，实现了预期设计目标。

4.2 钢结构直接分析法设计技术

轴压和压弯钢构件的常用设计方法为计算长度法，根据支座形式选用不同的计算长度系数进行稳定承载力设计。如下因素导致拱肋不能直接选用理想边界条件下的计算长度系数：1)柱底摩擦摆隔震支座和外环梁限制壳体外张变形的约束刚度未知；2)内环桁架约束壳体内缩变形、开口壳体下凹变形和拱肋端部转角变形的约束刚度均未知；3)拱轴力沿拱肋全长分布不均，拱截面也多次变化，无法直接确定采用欧拉法反算计算长度系数时，所需的轴力和截面刚度的取值部位。故采用直接分析法对拱肋稳定承载力进行评估。

参照相关规范[8-10]规定，对结构初始缺陷进行模拟，要点如下：1)将构件四等分以模拟弧拱和初始缺陷变形；2)以结构前几阶低阶整体屈曲模态作为结构整体几何初始缺陷模式，见图15，并添加与之对应的构件几何初始缺陷模式及荷载分布模式(在上抬变形区域布置活载，在下压变形区域不布置活载)；3)结构整体初始缺陷最大幅值选取最大悬挑长度的1/150；4)考虑几何非线性的影响；5)考虑残余应力和材料非线性的影响，采用构件综合缺陷代表值。

图15 直接分析法整体初始缺陷施加模式

采用直接分析法对屋盖结构整体稳定性进行评估，得到不同缺陷及荷载分布模式下的弹性全过程分析安全系数最小值为4.6>4.2，弹塑性全过程分析安全系数最小值为2.1>2.0，均满足设计要求。

4.3 考虑设计-施工全过程的结构优化设计

本工程在设计阶段与施工单位就施工方法进行讨论，并确定采用“内环桁架和外环梁分段安装、主拱肋整根吊装、交叉斜撑嵌补”的施工方案，单榀拱肋安装时，内环尚未成型，场心地面固定的高约50m的胎架无法承担由拱肋自重产生的推力，故合拢前的“拱肋”实为受弯梁。以某榀拱肋为例，考虑与不考虑施工次序下，拱肋的弯矩数值甚至弯矩方向都有很大差别。由于本屋盖结构为刚性屋盖，因此结构自重在所有荷载中所占比例较大，设计过程中不能忽略施工次序的影响。

考虑和不考虑施工次序的典型拱肋弯矩示意见图16。从图16可得：考虑施工次序后，在拱肋自重作用下中部拱肋承受正弯矩，内环桁架处拱肋承受负弯矩。当钢结构罩棚合拢后，在二次结构自重、活荷载、雪荷载作用下中部拱肋承受负弯矩，内环桁架处拱肋承受正弯矩。故考虑施工次序后的拱肋弯矩绝对值减小，对于结构优化具有重要意义。

图16 考虑和不考虑施工次序的典型拱肋弯矩示意图

4.4 新型加劲肋增强高瘦型箱形截面钢构件腹板局部稳定性技术

为实现挺拔的视觉效果，罩棚构件均采用高瘦型箱形截面。相比于直接增大腹板厚度，采用加劲肋增强腹板局部稳定性有利于节省用钢量。采用传统的加劲肋形式将面临以下问题。

(1)封闭横肋：与高瘦型箱形构件四面壁板焊接时缺乏操作空间(交叉斜撑构件宽度仅300mm)，且在横肋间距不超过构件高度时才能达到较好的加强效果[10]，用钢量大。

(2)一字形通长纵肋：按《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)[8]要求，一字形通长纵肋的单侧外伸长度需大于10倍腹板厚度。为保证建筑效果，本项目无法设置外纵肋，故构件内部净宽需大于20倍腹板厚度，这已超过大部分构件的宽度。

采用仅在两侧腹板布置1～2道通长T形纵向加劲肋的方式解决上述问题。由于左右两侧T形纵向加劲肋间无连接，因此可将肋板分别与各侧腹板焊接后，将带肋腹板与翼缘焊接形成箱形截面，施工简单快捷；由于T形肋的抗弯刚度比一字形肋大，布置T形肋可以达到更明显的防局部屈曲效果。高瘦型箱形构件T形肋布置如图17所示。通过有限元分析并采用直接分析法考虑加劲肋的初始缺陷，验证了加劲肋的加强效果，保证了典型高瘦型箱形构件T形肋的布置提高腹板局部稳定性的可靠性。加肋前后轴压构件应力分布图见图18。

图17 典型高瘦型箱形构件T形肋布置图

图18 加肋前后轴压构件应力分布图/MPa

4.5 超长混凝土结构新型诱导缝技术

屋檐处存在长达794m的清水混凝土造型环带，见图19，其直接暴露于室外，易受环境温度的影响，同时又具有较高的视觉效果要求，设计难大。为此，研发带变形钢筋的新型诱导缝，通过变形钢筋的伸缩能力在诱导缝处释放温度内力。

图19 清水混凝土屋檐环带示意图

当混凝土结构受拉时，由于带变形钢筋的新型诱导缝处开槽导致截面削弱，而使混凝土首先在此处开裂，弯折钢筋在受拉过程中通过拉直变形使钢筋应力不显著增长，从而保证了非诱导缝部位结构不产生过大拉力，避免或延缓非诱导缝部位结构开裂。实际工程中，将新型诱导缝有规律地均匀布置于屋檐环带，由于裂缝分布整齐，即使诱导缝处轻微开裂，也基本不影响视觉效果。

5 结语

经比选，北京工人体育场改造最终按复建原则进行设计，屋顶新增的钢结构罩棚采用了中部开口的大跨单层拱壳方案，基本保留了原体育场的建筑风貌，满足了高等级专业足球赛事的使用需求，并通过所述的多项设计关键技术，达到了安全、优雅、适用、经济的目的。期望改造工程让北京工人体育场重新焕发生机，更好地服务于北京人民和中国的足球体育事业！