建筑结构丨世界体育场馆中规模最大的屋面索网结构——国家速滑馆索网结构成功完成张拉

32万人闗注建筑结构

来源：北京建院

建设单位：北京国家速滑馆经营有限责任公司

设计单位：澳大利亚博普勒斯设计有限公司

北京市建筑设计研究院有限公司

监理单位：北京帕克国际工程咨询股份有限公司

总包单位：北京城建集团有限责任公司

2019年3月19日，随着最后一根稳定索安装就位，国家速滑馆索网结构张拉作业正式完成。在参建各方共同努力下，国家速滑馆索网结构以高标准实现张拉成形，向工程主体结构完工、按期实现封顶封围迈出坚实一步。

国家速滑馆屋顶索网张拉

国家速滑馆是2022年北京冬奥会的标志性场馆，赛时将作为速度滑冰项目的比赛和训练场地。北京建院作为设计方，完成了初步设计和施工图设计阶段全专业的设计工作。

国家速滑馆平面为椭圆形，屋顶呈马鞍形曲面，外侧的天坛曲线幕墙勾勒出富有动感的“冰丝带”轮廓。为实现复杂的建筑体型，我们的设计团队提出了由屋顶索网、环桁架和外侧幕墙斜拉索组成的钢结构主受力体系，巧妙搭建起支撑建筑绚丽“外衣”的“骨架”。

为了将这副“骨架”打造成无懈可击的钢筋铁骨，设计团队针对上万种不同工况进行了计算分析，覆盖这座功能复杂的奥运建筑从建造到使用面临的各种可能情况。同时，设计团队还委托浙江大学空间结构研究中心开展了结构模型试验研究，在实验室里搭建起一座几何相似比为1:12的“迷你骨架”，从施工可行性到受力性能对设计成果进行了全方位验证，确保整个工程设计万无一失。

结构试验模型

设计详解

“骨架”内部，环桁架为索网提供闭合的椭圆形边界，支承于48根看台柱与环梁组成的混凝土结构上；斜拉索上端拉接于环桁架外侧，下端与混凝土结构相连，主要起平衡索网内力、提高环桁架稳定性和为幕墙结构提供支承的作用。索网、环桁架和斜拉索三者共同组成了一套刚柔相间、刚柔相济的协同受力体系。

国家速滑馆钢结构主受力体系：刚、柔的“间”与“济”

国家速滑馆屋顶索网由正交的49对承重索和30对稳定索编织而成，平面投影为椭圆形，长轴和短轴尺寸分别为198m和124m，张拉后形成屋面造型所需的马鞍面。

工程难点一： 索网的“刚化”过程

索网与建筑外形完美契合，传力途径简洁高效，是打造速滑馆建筑效果和形成稳定受力体系的核心元素。与常规的混凝土结构、钢结构等刚性结构不同，索网由柔性的钢索组成，构件只能承受拉力，不能受压或受弯，因此体系自身并不具备承担外来荷载的能力，需要通过施加预拉力，并基于预拉力和几何位形建立几何刚度，使体系“刚化”为结构，方可形成承载能力。对于一个严格给定成形后目标形状的索网结构，施加的预拉力必须精确控制，否则将难以实现预定的建筑几何外形。

解决方法：

结构设计团队通过形态分析，得到了索网需施加的预拉力大小与相对分布，使预拉力在目标位形与结构自重等荷载达到平衡，且结构满足各种荷载工况下的性能要求。

索网的施工过程在宏观层面可分为地面组装、整体提升、同步张拉三个主要步骤，前两项工作已于前期完成，刚刚完成的索网张拉就是依据设计结果，在前期承重索提升到位的基础上，通过同步张拉稳定索对柔性的“索网”施加预拉力、最终形成具有刚度的“结构”的过程，因此本次张拉作业是索网结构施工、乃至整个速滑馆工程建设的重中之重。

地面组装

整体提升

同步张拉

工程难点二： 复杂索网边界的实现

环桁架与斜拉索形成的复杂索网边界为场馆结构的设计和施工带来了挑战。为了避免索网张拉在混凝土结构内引起巨大内力，我们的设计团队提出索网张拉过程中环桁架支座水平向自由滑动、待张拉完成后再进行固定的思路。该思路要求索网张拉时钢结构主受力体系以自平衡状态工作，环桁架仅向下部结构传递竖向力，由此减轻混凝土结构的负担。然而由于支承刚度减小，环桁架在索网张拉过程中将出现不可忽视的水平变形，这会对索网和斜拉索的成形状态产生不利影响，若处理不当，将难以准确实现预期的建筑造型。

解决方法：

结构设计团队创造性地提出了考虑复杂边界条件的索网结构形态分析方法，实现复杂边界条件下对索网及边界结构成形状态的精确控制。运用该方法，设计团队得到了与目标位形和目标索力完全吻合的钢结构主受力体系张拉成形状态，以及实现这一目标所需的索网、环桁架和斜拉索的加工下料与安装定位几何尺寸。

索网张拉过程钢结构主受力体系边界条件示意图

在包括索网张拉在内的钢结构主受力体系的设计、加工和安装过程中，上述理念得到了有效贯彻，保证了结构安全与张拉完成后受力体系的合理状态。由北京城建集团有限责任公司总包、北京市建筑工程研究院有限责任公司专项分包的施工团队，在当前索网张拉作业已经完成的情况下，正在现场根据气候条件、施工进度安排等择机开展支座的固定工作，形成整个场馆稳定的主受力体系，为后续施工创造作业条件。

70年来，北京建院始终专注建筑设计主业，为社会营造大量建筑精品。我们非常荣幸承担了冬奥会北京赛区唯一新建场馆——国家速滑馆的全专业设计工作。截至目前，我们共参与国家速滑馆、首都体育馆园区改扩建、北京冬奥村人才公租房、国家体育馆改扩建、国家游泳中心改造等七个项目的设计及改造工作。作为与共和国同龄的大型建筑设计咨询机构，北京建院正一如既往，全力以赴为2022年冬奥会服务。