作者：武汉凌云建筑装饰工程有限公司 陶 焘
【摘 要】：本文主要介绍武汉五环体育中心“两馆一场”幕墙工程的设计过程。从建筑立意到表皮分析；从系统分类到节点构造；从理论优化到现场实施；全面的介绍了该工程的设计思路和设计方法。通过对各幕墙系统的重难点分析，设计关键点控制，为工程实现良好的功能性，经济性，取得良好的社会效应奠定了基础。
【关键词】：弹性支座、索支承外挂飘带、横向大跨度钢结构造型、倒锥面单索幕墙
2015年5月，经过激烈的竞争角逐，第七届世界军人运动会落户中国武汉。这是继08年北京奥运会之后，我国承办规格最高的国际体育赛事。赛事共征用35处场馆，其中8处为新建，剩余场馆为改造和翻新。 五环体育中心项目为新建场馆中规模最大的一处，将于2019年10月军运会期间承办田径、小球类、水上运动等项目比赛。建设用地位于东西湖区吴家山，临空港大道以西，金山大道以北，地块西临马投潭公园。整体项目包含三万人体育场、八千人体育馆、一千人游泳馆以及一个户外体育公园。该工程的建设旨在：
建筑高度：体育场46.2m，体育馆30.3m，游泳馆24.7m 基本风压：基本风压为50年一遇,W0=0.35KN/㎡ 抗震烈度：本工程抗震设防烈度为6度,基本地震加速度值0.05g；抗震设防类别体育场和体育馆为重点设防类（乙类），抗震措施按7度要求确定；游泳馆为标准设防类（丙类），抗震措施按6度要求确定。 建筑师将古典传承与现代精神相结合，昔日东西湖区的鱼米之乡特色与今日临空港区的奋斗进取发展在整体创意中得到清晰的体现。 取意自然：古云梦泽，良田沃野，东西湖区，因水而名。侧立面视角通过流畅的曲面走势表现出荆楚建筑“庄重与浪漫、恢宏与灵动、绚丽与沉静、自然与精美”的人文精神。
凌空腾飞：今临空港，展翅欲飞，资源汇集，优势明显。正立面视角通过对称与抽象表现出体育建筑的力量美：从形式与材料上体现“崇尚自然、浪漫奔放、兼容并蓄、超时拓新”的建筑特征。
体育场：混凝土结构与车辐式索承网格结构，上弦结构由72榀径向梁，径向梁末端为桁架结构；环向为1圈外环向梁和1圈内环桁架组成，主体结构钢材材质均为 Q345B。屋盖下弦结构由撑杆和拉索组成。
游泳馆，体育馆：主体为混凝土框架结构与张弦网格结构，地上分别为3、4层，屋盖结构主要由13榀纵向平面张弦梁、10榀纵向平面桁架梁、1道横向桁架、1道环向圈梁以及环向圈梁以外的悬挑结构组成。屋盖下弦结构由撑杆和下拉索组成。主体结构钢材材质均为Q345B。
对幕墙而言，主要与主体结构的屋面网架圈梁，立面混凝土柱，大平台混凝土地梁，等结构进行生根固定。由于这些结构大多为异形钢结构，此类结构的工程实例和经验都比较少。因此主体结构在拉索幕墙结构反力，安装施工偏差等方面给我们的设计和现场带来了不少的难题，具体的问题与解决思路在后面分系统中将进行介绍。 体育场馆类建筑本身的设计工作是复杂的庞大系统，同时并行多项专业。受项目投资预算，建筑运行效率，交通流线，施工定位等诸多限制，传统设计手法很难高效协调设计条件，一旦形体构造具有一定复杂性，这一任务变得更加难以完成。 为克服复杂建筑形体所带来的挑战，本项目的总体设计全面采用了参数化设计方法，各参建专业在统一的平台上开展深化设计工作。通过参数化手法进行设计解构，追踪效果和功能之间的最佳平衡。在本工程的设计过程中，我们首先对形成建筑的元素进行解构，将各个独具特征的成型元素从建筑整体模型中抽离并理清相互之间的几何关系，为幕墙系统设计的分类提供基础。 先来看的构成关系，如下图所示，本建筑表皮墙身按照从上自下的顺序可分解为“屋盖”，“骨架”,“表皮”, “功能”，“平台”五大组成部分。其中“骨架”,“表皮”, “平台”三者与幕墙密切相关。一些重要尺寸在建筑模型构建阶段参考我司的建议已设为固定。
由屋面檐口向下直到主交通平台地面为幕墙专业的实施范围，在对外围护结构进行拆分的基础上，按照空间连续和系统相似原则，以大交通平台上下区域和室内外空间为两个主要分界，可以进一步可以归并为6个大类：①单索玻璃幕墙，②两馆索结构外挂飘带造型，③体育场大跨度钢结构飘带造型，④不锈钢造型门斗，⑤首层构件式幕墙，⑥室内幕墙。
在完成了上述基本分析的工作后，就是各具体系统的方案设计阶段了。我们已知幕墙系统可分为6个主要类型，下面将一一介绍各个幕墙系统类型的设计要点和过程中的经验教训。
作为两馆建筑的主要立面形式，玻璃幕墙的水平轮廓投影为椭圆形，在竖向剖面上又呈现出84°的外倾角。玻璃面材配置为6+1.52SGP+6+12Ar黑暖+10mm超白钢化夹胶中空玻璃，标准分格W1400xH2800mm，采用不锈钢缝用夹具进行6点固定。竖向钢拉索直径Φ36mm，索长度跟随檐口造型的起伏在10～15米范围内变化。 订制的不锈钢球铰夹板式驳接件分为四点夹具（用于玻璃四角）和两点夹具（用于玻璃两侧中部），布置方式见下图所示。
主要受力结构为竖向单索，钢索和索具直接选用配套厂家的成品零件。注意销轴耳板两肢的间距分开较大，间距为60mm。而对应的钢耳板支座的壁厚为25mm，安装后会存在侧向空余较大缺乏限位导致的销轴打滑和偏心受力的问题。
对此我们在上下拉耳支座的钢件两侧各加焊了一片环形耳板作为垫圈，填补了空余的空间，增大了耳板孔与销轴之间的接触面积，该措施可明显改善销轴与钢耳板连接处的受力状态。
单索幕墙在平面轮廓为椭圆，竖向为外倾面，该形体特点会导致同一根钢索左右两侧的受力状况不同。是否会引起侧向倾斜位移堆积效应过大导致胶缝被过度挤压甚至玻璃互碰？为解决这个疑问，我们选取椭圆形平面特定部位建立整体模型，真实的模拟拉索整体受力状态。经过结构核算，单索侧向最大变形6.4mm远小于胶缝宽度20mm，可满足安全性的要求。
根据建筑设计提供的两馆防火分区布置图，在楼梯间等部位存在水平和竖向的防火封堵。典型的结构条件如下图所示，洋红色为立面均布的拉索，大红色为需要设置防火封堵的部位。由于索结构体系的位移较大，与防火封堵需要严密的要求相违背。因此通过合理的方案在保证防火严密的前提下，还能与索结构的变形相协调便成为了本系统设计中的主要难题。
拉索幕墙位于防火分区处的玻璃分格使用钢龙骨来代替拉索固定玻璃及后端防火封堵材料。钢龙骨在风荷载作用下本身位移较小，前端玻璃变形基本为0，而相邻分格的拉索在风荷载作用下前端玻璃变形为索长的1/55，位移可达200mm左右。而结构核算的面板玻璃相对翘曲变形限值为70mm，直接从钢龙骨过渡到拉索极易导致玻璃的破损。我们希望在附近区域拉索的变形能实现平滑过渡，满足玻璃相对变形的限值要求。 玻璃幕墙承受的荷载可由计算得出，变形的限值也已经得到明确。一个力F，一个变形X，让我们联想起来曾经学过的物理学公式：胡克定律。
在玻璃能够承受翘曲应力的限值内，通过弹性系数不同的几个弹性支座，在3～4个阶差的范围内，将200mm挠度逐步过渡到防火封堵处的零位移变形。将几片玻璃的变形协调同步。弹性支座相当于拉索的转接系统，尾端固定在结构梁处，前端用不锈钢夹具固定到φ36的拉索上。采用本方案的转接装置，通过弹簧的弹力，可以有效的吸收可变荷载对玻璃面板造型的变形，保证幕墙的安全性。本工程最终设置了四种弹力大小不同的装置，结构计算的调试与确定具体弹性系数的过程如下： ① 通过玻璃最多承受70mm变形的限值，预估弹簧分级为4级； ② 按照索位移值200mm/4，得出变形X的初步值； ③ 将第一个最硬的弹簧支座假设为固定支座，得出F初步值； ④ 根据F和X，建模计算并调试出合适的K的系列值。
由上图可见每两块玻璃间的变形差均未超过限值70mm。综合考虑两个馆另外几处防火封堵的部位确定四个弹性系数和对应的变形长度。
最终的定型的弹性支座产品的组成零件包括316不锈钢外套管，套管内设有节板，弹簧设置在套管内，定位节板与导杆连接。与主体结构和幕墙拉索之间采用两端铰接的安装方式。四个弹性支座的零件图按照弹簧弹性系数由大到小顺序排列如下：
弹性支座位于结构梁底，在安装完毕之后，会由内装施工单位封闭于吊顶内，在美化外观的同时保护了该装置的安全性和耐久性。
建筑檐口为起伏造型，立面高度也随之变化，结构设计根据拉索跨度、荷载、弹性支座影响等参数对拉索的预拉力进行分级分区的设计，用拉索立面展开图的形式包含在施工图中一同出图。
本方案较好的解决了单索幕墙在遇到结构边界条件突变的情况下导致的相邻钢索挠度变形不一致时，玻璃受到翘曲荷载较大的问题。本工程利用弹性支座来实现逐级渐变的位移控制，满足了单索幕墙遇到结构变化时的系统解决方案。在结构安全的前提下，较好的满足了建筑师所要求的效果，得到了建筑师的高度认可。 两馆单索幕墙立面上下分布有三条飘带，面材为5mm穿孔铝板。单块板面最大规格：1400x2600mm，出玻璃面最大悬挑距离800mm。三条飘带固定外倾角为73°，沿椭圆形平面轮廓扫掠同时高度方向起伏成型。
拉索幕墙属于柔性幕墙体系，在其外侧固定铝板较为困难。考虑到建筑师要求的外露杆件尽量纤细轻巧的要求，采取了四点支撑的固定方式。借用玻璃幕墙φ36mm的拉索，转接不锈钢撑杆装置穿过竖向玻璃胶缝，铝板上安装类似合页的不锈钢爪件。高度调节到位后将撑杆与合页用螺栓固定。
订制不锈钢撑杆装置由两段组成，尾端底座由夹具固定在φ36mm的拉索上，前端装置由不锈钢齿板和撑杆组成；铝板在左右边框距离上下边缘各1/5处（充分利用边框的力学性能）设置不锈钢合页连接件；由于建筑造型外圈为弧面效果，而单块铝板优化为平板，合页连接件件刚好能满足以折带曲后拼接角度的需求。 从竖剖上看，连接撑杆与铝板边框构成“U型”的构架，本身为刚性构架，与拉索连接的根部索夹具为铰接，避免飘带对拉索产生弯矩。两个连接点通过直径40mm的连接撑杆向拉索传递水平荷载。同时结构设计师也验算了飘带支撑体系的抗倾覆能力，得出了悬臂构架前端最大的变形量。
穿孔板的面材为5mm双层穿孔铝板，通过铝合金型材边框组成封闭的盒体。盒体内包含有夜景灯具及其配套的走线和设备，外观干净整洁。双层面板形成盒体，整体刚度更强，安装后的效果更平整。
铝板安装构造采用订制的不锈钢合页连接件，通过合页转轴可以适应以折代曲后的平面飘带铝板之间的夹角。同一根撑杆对应两片合页，一片合页为圆孔限位转轴，另一片合页为长孔滑移转轴，可有效适应安装时的误差，符合幕墙的设计原理。
安装完角度调节到位后，可通过紧定螺钉锁死转轴，避免向悬臂撑杆的根部索压块传递弯矩。
待铝板安装距离调节到位后，撑杆与根部索压块之间由锁紧环装置对前后调节螺纹进行限位，将整个体系前后固定牢靠。
在确定设计方案后，还需要根据飘带距离玻璃面（或拉索面）的距离来确定撑杆的系列尺寸。各零件的配合关系都具有一定的前后调节量，螺纹套管本身能有±80mm的调节量，该构造为初步调节。不锈钢爪件能使铝板在进出方向约有40mm左右的调节距离，为第二步的精确调节。 根据飘带长度确定撑杆规格：撑杆规格长度共设置4种，每种进出方向通过螺纹套管有±45mm的调节量。安装位置由下到上，长度依次变长逐级覆盖所有的外挑长度。
为支持现场快速选定每个连接部位所需的撑杆型号，我们通过BIM程序，将全部撑杆的长度统计汇总，根据长度匹配上合适的撑杆连接杆零件型号。
BIM对全部的撑杆长度进行分类编号，提供安装位置和空间定位 由于安装飘带时现场无脚手架设施，考虑到两馆建筑立面高度较低，完全处在移动升降平台机器的使用范围内（该设备一般在40m以下的高度都可以使用）。经过与金属屋面分包单位协调，我们两家共同租用移动升降平台车来完成立面飘带铝板，和金属屋面檐口铝板的安装工作，并完成立面玻璃幕墙与檐口的收口工作。
本方案为解决柔性单索幕墙外挂遮阳穿孔铝板提供了一种解决方案，有如下优点： 1)满足建筑师期望的通透、轻盈的效果。结构构件减少到最少，避免粗笨； 3)结构传力途径清晰，内层玻璃与外层飘带的变形不相互影响； 体育场立面主体结构由72根结构柱组成，柱间距平均在9～12m左右，因此飘带造型的支撑系统必须有足够的强度与刚度来满足横向大跨度的力学计算要求。立面效果主要由上，中，下三层飘带铝板组成，上飘带和中飘带固定外倾角67°，下飘带为内外逐渐翻转变化的倾角。 体育场飘带板的安装节点形式与单索幕墙外挂飘带基本一致，只是尺寸差异更大，同时下飘带造型更复杂。难点主要在钢结构，常规思路设计容易导致结构构件笨重，且飘带上下边沿线为不规则空间曲线，常规幕墙使用的钢方管龙骨难以适应曲面的变化。
体育场飘带造型的分格模型，红框处为下飘带过渡到外翻造型 在配合设计院做方案设计阶段，建筑师希望效果能参考“华沙体育场”的外围护结构。两处工程有类似之处，都是主体结构仅提供竖向结构柱，水平方向跨度较大，同时面材都是穿孔板作为装饰性面材，构件自重较轻。
经过对该参考工程的结构分析，实际上是一种无立柱结构（主体结构柱即为竖向结构），飘带板是由“外挑牛腿+水平杆件”组成的二次钢结构来实现。在理解的基础上，根据与建筑师的进一步沟通，我们设计了相类似的结构形式。整个体系由钢牛腿、横向钢龙骨、飘带板自身边框代替竖龙骨共同组成结构体系。结构传力传力途径清晰，构件轻巧。
为了更好的适应飘带空间曲线变化，采用钢圆管作为横向钢龙骨，避免了矩形龙骨的弯弧同时附带截面扭转，简化了工艺。C型钢牛腿是由250x150x10mm的钢方管整体焊接而成连接到主体结构柱上，上下端横向连接两根φ245x10的钢圆管；每根圆管在铝板的分格处焊接不锈钢底座用于挂接安装铝板使用。所有钢结构构件均在工厂加工，易于保证精度质量。该系统整个传力路线清晰，且钢架自身具有足够大的刚度与强度。
飘带板继续采用与两馆飘带相同的点式固定。铝板的不锈钢爪件设置在铝板高度方向1/5处，待高度调节到位后与圆管上的不锈钢底座用螺栓连接。模具铸造的不锈钢转接底座和合页连接件，能实现空间三维调节，能够吸收钢架施工和加工误差所带来的影响，便于安装。
安装底座为不锈钢，钢结构为碳钢，涉及两种不同的钢材材质的相互焊接。我们查询了《GB/T983-1995不锈钢焊条》标准中对“异种钢焊接”的相关条文要求，选择了用于不锈钢与碳钢之间的焊接E309焊条，并对现场进行了交底强调。
除开采用上下两根钢圆管的典型部位，由于体育场的飘带变化范围较大，在工程中我们根据实际需要，对较矮区域和较高区域两种不同情况分别设计了对应的方案。矮造型区，只能排下一根横向钢圆管。
高造型区主要位于场馆两侧的主入口区,正好借助外翻最远的造型,形成雨篷效果.根据结构计算反馈,在较为充裕的空间内,排下三根横向钢圆管作为支承结构.雨篷区域在飘带板下方采用白色彩釉玻璃作为装饰与挡雨构造.
由于建筑设计中的主体结构柱采用的清水混凝土装饰效果，并未额外做一层铝板包柱。C型钢牛腿与主体结构柱相连部位采用的后置埋件存在外露的情况，仅靠抹灰装饰无法遮住锚栓与钢板。最后我们采用了订制铝单板作为装饰罩板美化外观效果。
入口大门斗在以前的光谷网球中心工程取得了不错的效果。建筑师要求本工程中继续沿用无缝不锈钢外包钢架形式的门斗效果。两馆的大门斗宽度约为18m，高度4.5m。每隔3m宽设置一道子弹头造型的人员分流隔墙。 由BIM设计根据建筑表皮模型进行细化，提供外包不锈钢的外轮廓尺寸。结构所根据节点图中的相对位置关系建出门斗钢结构杆件的实体模型在交由BIM来进行合模校对，无误后再进行钢结构图纸的深化设计输出工作，同时现场并行放线工作。
不锈钢板按照单块加工成型后，运抵现场进行拼接。在拼缝处焊接为整体，并对焊缝进行打磨。在通过刮腻子找平后，最终在表面喷涂氟碳漆以及抗污染光触媒涂层。
该系统位于整个建筑群大交通平台的下方，外围周边为车辆和行人通道。该幕墙系统是本工程各幕墙类型中最为常规的一个。铝合金龙骨未重新开模，选取的是厂家现有模图。由于为常规幕墙形式，在此不进行详细介绍。其主节点如下：
该系统主要的设计优化内容是将面材由中空玻璃的形式变更为夹胶中空玻璃，以利于合同价格的调整，下一章节将进行详细说明。
我司在进场施工后的进度较好，基本达到了预定的各项时间节点要求，同时良好的施工质量和现场管理水平也得到业主和总包单位的好评。鉴于以上原因，业主将两馆的部分室内装修工程作为增补，交由我司完成。两馆室内幕墙主要有：吸音穿孔铝板幕墙、A类防火玻璃隔断幕墙、评论员席位玻璃幕墙等。 吸音穿孔板幕墙由5mm穿孔铝板作为面层材料，内部封闭32K的吸音玻璃棉作为主要吸声材料。由于游泳馆室内潮气较大，因此选择了憎水性的吸音玻璃棉，同时在玻璃棉和穿孔板之间放置了一层无纺布和一层防水膜作为防潮保护层，保护吸音棉、幕墙钢龙骨和转接件等内部构造。
本工程有着多项技术创新：拉索结构弹性支座、柔性结构外挂飘带、水平大跨度钢结构等。设计团队成员在两年多的设计过程中，积极作为、团结协作，始终掌握着工作的主动性。对设计方案的选定、外单位跨专业协调、生产加工与现场支撑做到心中有底、节奏合理。使设计团队得到了锻炼和成长，积累了场馆类异型工程的设计经验，尤其是与BIM和结构所的协同设计能力得到进一步提高，为今后承担更复杂的设计任务奠定了基础。 在军运会开幕的当天，《人民日报》用一个版面介绍了本工程。随着军运会各项赛事的顺利举行，工程出彩的建筑效果和良好的使用表现也赢得了社会各界的称赞，在国内外媒体的广泛宣传报道中提升了武汉的城市形象，达到了预期的建设构想。今后体育场还将作为武汉卓尔足球俱乐部的主场，在中超联赛中发挥作用，继续接受社会的广泛瞩目。
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本文刊发在《幕墙设计》杂志2020年第五期
