一、 簡介
河南省體育中心體育場位于河南鄭州市綜合投資區(qū)，系河南省重點工程，建筑面積46301m2。
體育場罩棚為螺栓球和焊接球點網(wǎng)架結構。跨度：前面273.016m。后面251.678m。高度：前面51.486m，后面33.918m。如此大跨度的體育罩棚，在目前國內(nèi)尚屬首例。本屋面罩棚體系不同于常規(guī)屋面體系，是一種特殊屋面體系，相當于幕墻體系，需要有工藝設計環(huán)節(jié)，參照幕墻設計管理規(guī)定。
二 、工程特征：
該工程地區(qū)粗糙度為B類，抗震設防烈度按7級設計。建筑耐火等級為I級。設計荷載下壓Wk1=1.35KN/m2。雪荷載Sk=0.27 KN/m2。該工程氣勢宏偉，造型別具一格，外裝飾效果整齊統(tǒng)一，充分體現(xiàn)出強大的生機和活力。
針對該工程的特點，設計時采用浮動連接方式，定距壓緊式結構，巧妙的解決了適應主體結構變形、結構排水等問題，而且安裝方便。
三、工況分析
本工程屋面系統(tǒng)是以球網(wǎng)架及鋼龍骨做為承，網(wǎng)架與主體結構連接，罩面鋁板系統(tǒng)通過次龍骨與主龍骨連接，從而實現(xiàn)外立面造型。從受力角度講，屋面鋁板受重力荷載、風荷載、雪荷載、地震作用、溫差作用以及各種聲波輻射等綜合作用，其受力復雜，這些荷載均通過次龍骨傳遞到主龍骨，再由主龍骨傳到網(wǎng)架系統(tǒng)，由網(wǎng)架系統(tǒng)傳到主體結構支座上。
四、模型建立
由于本工程屬于大型空間設計，與普通幕墻設計有本質(zhì)區(qū)別，設計過程由建模開始。對網(wǎng)架、網(wǎng)架支座、主龍骨、次龍骨、屋面鋁板系統(tǒng)整體建立三維模型，利用有限原理對其進行實物與力學模型的轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)化為梁單元，從而確立計算模型，并將周邊約束施加到作用點上，進行力學、變形及穩(wěn)定性計算。通過計算確定允許的變形量，根據(jù)模型受到全部荷載而變形后的形狀和尺寸，進行屋面板塊的分格設計及系統(tǒng)結構設計，從而確保板塊分格尺寸準確以及正常施工和使用功能。
五、變形量分析
根據(jù)計算，本工程網(wǎng)架系統(tǒng)最大位移接近正負80mm，（位于網(wǎng)架拱形前端中間位置）。由于此變形導致整體幾何形狀下沉，使原設計幾何輪廓變化。我們的分格設計是根據(jù)變形后的尺寸進行的分格。從而保證加工出的板塊能夠順利地安裝到相應位置上。如果分格設計不考慮此變形，則設計出的板塊尺寸將比實際需要尺寸略大，造成板塊間預留變形縫被占用，無法實現(xiàn)溫差變形，造成功能喪失。為此，網(wǎng)架整體的變形分析計算對本工程設計極為重要。
六、分格設計
立面分格設計以建筑師的思路和外裝飾效果為原則，充分融合我司的產(chǎn)品特點，在立面分格上進行了仔細的構思，該罩面工程外形由于是球體的一部分，按常規(guī)考慮會使異型板材的數(shù)量巨大，不但加工、施工不便，而且會增加成本。在設計分格時采用計算機三維繪圖方法，對屋面進行了模擬分析，利用地理學中的經(jīng)、緯線原理,使分格尺寸在球形屋面上保證了最大限度的一致性，不但方便了生產(chǎn)加工，而且滿足了外裝飾效果；另外我們對球形屋面按排水溝位置進行了分區(qū)編號，使安裝工人很容易找到板塊的對應位置，極大地方便了施工。從內(nèi)視效果看，次龍骨的布置整齊而有規(guī)律，在空間上與主龍骨縱橫交錯，使交流、開放的時代主題得到體現(xiàn)，增強了其觀賞性。
本工程典型分格主要有以下幾種：
（1）屋面罩面鋁板局部分格。異型板材規(guī)格少，按排水溝位置將屋面分區(qū)，安裝方便，外視效果整齊、美觀。
（2）屋面鋁板、格柵局部分格。鋁板與格柵的分格相協(xié)調(diào)，與總體建筑風格相統(tǒng)一，觀賞性強。
七、結構及功能設計
1.鋁板罩面系統(tǒng)選型依據(jù) 具有優(yōu)良的水密性能，具有良好的適應變形性能和整體強度、保證內(nèi)外視效果并降低工程造價是本次罩面系統(tǒng)選型的依據(jù)。
2.鋁板罩面系統(tǒng)的主要結構形式及特點
本工程屋面鋁板系統(tǒng)采用C型鋼做龍骨。鋼龍骨與副框之間有彈性膠墊相隔，橫豎龍骨之間、豎龍骨與次龍骨之間的連接實現(xiàn)了三維調(diào)整，有效地適應了主體結構的變形。優(yōu)良的內(nèi)外視效果：設計時使分格尺寸在球形屋面上盡量達到一致，減少異形板的數(shù)量，方便了生產(chǎn)加工，降低成本，這樣使整個建筑在外視效果上整齊劃一，美觀大方。通過巧妙地布置次龍骨及屋面龍骨，使龍骨分布均勻、整齊，得到了較好的內(nèi)視效果。
3.鋁板格柵的結構形式
鋁板格柵根據(jù)其在裝飾面上的位置采用了兩種不同的結構形式：
（1）大面格柵：將雙面噴涂的弧形穿孔鋁板同加強鋁型材緊固，形成弧形格柵頁片，頁片的兩端同次龍骨連接，形成格柵整體。
（2）后檐口處格柵：
后檐口裝飾格柵采用了50槽鋼及鋼板制成鏤空的變截面裝飾鋼架，不同寬度的頁片通過裝飾鋼架同次龍骨連接，保證了此處獨特的裝飾效果。
4.排水天溝的設計
做為屋面排水的重要設施，如何既有效地完成排水功能，又得到良好的裝飾效果，是我們設計要重點解決的問題。根據(jù)這個思路，我們設計了暗藏式排水天溝系統(tǒng)。
5．防雷設計
按照《建筑防雷設計規(guī)范》（GB50057-93）要求，建筑物防雷設計，不僅要考慮頂層雷擊，還要考慮側(cè)向雷擊。由于本工程大面積使用鋁板，屬重要防雷建筑。合理的防雷措施將使外飾面免受雷擊，達到安全使用功能。在設計中，采用防雷電纜將面材——鋁單板同龍骨導通，龍骨同網(wǎng)架通過連接件連通，形成10米×10米的避雷網(wǎng)絡，屋面體系通過網(wǎng)架體系可靠接地，不但可以有效地避免雷電對屋面自身的損害，從而保證建筑的安全，而且可以避免鋁板表面積累靜電吸附灰塵從而影響外視效果。
幕墻形成了自身的防雷體系，并與主體結構可靠接地，共同形成防雷體系，接地電阻小于4歐姆。
6、內(nèi)視效果的工藝設計：
罩棚幕墻的內(nèi)視不同于其它幕墻，而有著嚴格的要求。由于罩棚最低點與看臺最高點有兩米之差。主次龍骨的排布，鋁單板加強筋的排布等都會對內(nèi)視效果造成舉足輕重的影響。設計時，主龍骨排布延緯線方向連續(xù)。用球點托盤擋住伸縮間隙。次龍骨與橫框均采用不銹鋼螺栓連接。次龍骨間距4米均勻排布。橫框800mm均勻排布。內(nèi)視呈800×4000網(wǎng)格形狀，龍骨表面均涂防火漆處理，與網(wǎng)架金屬表面處理協(xié)調(diào)一致。
由于罩面工程宏大，受形狀影響，每榀間距約12米。呈近似梯形，且上下邊界處會出現(xiàn)三角形、梯形、五邊形板塊。如果每塊板加強筋自行均布，則安裝后整體板塊加強筋不對線，左右錯位，內(nèi)視非常混亂。設計時，充分考慮以上問題，從分格圖入手，每榀的三個分格，中間分格為4米，呈矩形，兩邊呈直角梯形，矩形板加強筋距均布。直角梯形從直角邊開始，按矩形板加強筋距離向邊側(cè)排布。這樣，整體安裝時，每榀板加強筋全部對線，內(nèi)視效果非常漂亮，實現(xiàn)了內(nèi)視的設計要求。
八、設計選材：
1． 鋼材：
實現(xiàn)罩棚幕墻連接的主次龍骨的鋼材選擇有著嚴格的要求。主龍骨既能滿足大跨度的強度、撓度要求，又要滿足網(wǎng)架變形的要求，以實現(xiàn)在網(wǎng)架變形時對次龍骨不造成破壞性擠壓。
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