1. 引言
深圳市世界大学生运动会体育中心（简称：“大运中心”）的一场两馆3个建筑，即主体育场、主体育馆、主游泳馆（图1），好似3个巨型水晶石，形状别致，晶莹剔透。其竖向构件与水平构件均以折面分布构成空间整体结构。3个场馆协调一致，造型各异，各有特点。体现了体育建筑的灵魂，达到了结构与建筑、力与美的完美结合，令人痴迷，令人探索。
图1 大运中心鸟瞰
2. 定义
2.1 命名
大运中心3个建筑的主结构由空间三角形网格组成（图2），属于空间网格结构[1~3]。其众多的三角形网格，围绕某个平面或曲面（统称“虚构面”）折里折外，呈空间折面相连的规律，组成“折面空间网格结构”。
图2 单层折面空间网格结构
折面空间网格结构一般呈外鼓、上拱状。按外观命名，侧面可称“背”，顶面称“冠”，背冠交接部称“肩”，外凸点称“峰”，内凹点称“谷”。对于顶面开大洞，洞边称“内环”。节点分“峰点”、“谷点”和“内环点“3大类。
以“冠、背、峰、谷”描述划分，背部节点分“背峰点”、“背谷点”，肩部节点分“肩峰点”、“肩谷点”，冠部节点分“冠峰点”、“冠谷点”。另有“内环点”和“支座点”（图3），归纳分为8类。
众多杆件可按两端节点命名，如“肩谷肩峰杆”、“肩谷背谷竖杆”。
图3 节点分类
1) 2.2 术语桁架与刚架
“桁架truss”指二力杆件铰接组成的结构体系,可以是平面的，也可以是空间的。对于双层或多层折面空间网格结构可以采用桁架铰接节点。对于单层折面空间网格结构须采用刚接节点[1]，可抽象理解为空间交织刚架。
2) 悬臂结构与空间结构
“悬臂cantilever” 指一端固支另端自由的构件，或至少有一条长边自由的板。悬壁板可以是单向单边支承，也可以是双向两边或三边支承。对于体育场建筑，传统上多指若干榀带悬挑的平面桁架、刚架、或合并桁架、合并刚架等组成的平面承重体系，可以设置伸缩缝，分成若干结构单元，相互独立。广州奥林匹克体育场、深圳市体育中心体育场就是平面悬臂的结构体系。
大运中心主体育场罩棚，椭圆平面长轴289m，短轴274m，尽管开了超大洞（长轴180m，短轴130m），支座铰接仍成立，在于20个单元互为支承，成为整体空间结构。习称“悬臂”结构，主要是强调悬臂特征不可忽视。
3. 结构分类
折面空间网格结构可参照《空间网格结构规程》分类。
1) 按有无二次结构分
折面空间网格结构中，主结构的每一个三角形网格形成一个空间折面，折面内可根据尺寸大小和建筑效果确定是否设二次结构梁，相应称为“带二次结构”和“不带二次结构”的折面空间网格结构。
2) 按杆件层数分
折面空间网格结构中，主结构构件可为实腹，也可为空腹。空腹时，构件为桁架、或桁架与刚架组合，有上下两层弦杆，或上中下多层弦杆，组成结构的三角形网格折面为两层或多层；实腹时为单层。故有“单层折面空间网格结构”和“双层或多层折面空间网格结构”之分。大运中心一场两馆结构均为单层折面空间网格结构。
3) 按虚构面类型分
虚构面为曲面时，折面空间网格结构属于网壳结构，称作“折面网壳”。单层时，属于单层网壳，称作“单层折面网壳”，相应有“双层或多层折面网壳”。 大运中心主体育场和主体育馆为单层折面网壳结构。主体育场平面为椭圆形，棚罩为马鞍形，称作“马鞍形单层折面网壳”。 主体育馆平面为圆形，剖面为拱形、圆弧形，称作“圆拱形折面单层网壳”。
虚构面为平面时，可按平面形状分类。大运中心主游泳馆折面空间网格结构的虚构面为门式，称作“门式单层折面空间网格结构”。
4) 按有无开洞分
折面空间网格结构屋顶可分为有无开洞两类。开洞是指有主结构构件断开的大洞。对于折面网格内的洞口，主结构构件不断开，对整体结构影响不大，不属于开洞结构。
4. 理论
折面网格尺寸较小时，板类受力变形特征明显。大运中心的一场两馆中，组成结构的三角形折面网格很大，内设三角形再分网格梁，4×4格，可谓密布，相当于有限元“空间折板”，也具有板类受力变形特征。大运中心方案设计师称之为“折板结构folded plate structure”，正是其设计理念或结构创新的理论基础（图4）。
我国上世纪五六十年代就有了V形折板（图4a）标准图，广泛用于工业与民用建筑。纺织厂主厂房的屋盖采用“折板结构”，满足采光通风要求。火车站看台顶棚采用“折板结构”，简洁大方。建国初期引进德国技术的北京某电子厂房屋盖采用了多波单向折板结构，由于带有圆角，既有棱角又圆润，造型别致，现被改造为著名的798艺术区。一些建筑小品实际就是空间折板结构（图4b、图4c）。一般环向为多波，径向为连续曲线。
图4 折板结构
本文的折面空间网格结构是各向多波，波峰波谷连绵不断，众多三角形网格折面相连，组成空间折板结构，所谓“板”即为“三角形网格折面”，成为系列的创新结构，跨度可以很大。
5. 特点
折面空间网格结构具有如下显著特点：
1) 节点的外折或内折状为其突出特点。折峰折谷形成粗造表面，风气流不畅，风载局部体型系数较大。
2) 地震效应小，风振效应大。
钢结构覆面采用PC聚碳酸脂板或玻璃等轻质材料，结构重力荷载小，地震作用小，这是十分有利的。但对超大跨、单层折面的空间网格结构，如果开洞不合适时，结构较柔，风振效应敏感，尤其是垂直方向的风振。对于海滨城市，风荷载可能成为该类结构的控制作用，风荷载的确定至关重要。决定风振效应的关键因素—自振周期，应重点研究控制。
3) 与一般网格结构相比，虚构面外刚度大大改善，虚构面内刚度有所弱化。
a) 结构整体稳定性特征和特征值需要特别重视。尤其是超大跨度、开有超大洞的单层折面空间网格结构。
b) 几何初始缺陷使峰谷波距矢高的稍许变化，其受力变形效应变化不大。可谓几何缺陷效应不敏感
c) 虚构连续面变成起伏峰谷，面内刚度弱化，使得温度效应不敏感。
4) 虚构曲面变成折面，曲线杆件变成直线杆件，主结构的每个三角形网格都是平面，覆面板都是平板，容易加工。
5) 节点汇交杆件不多，汇交角度均匀、适中。
折面空间网格结构，尤其是单层折面空间网格结构，其网格充分利用了三角形的几何稳定性，节点汇交杆件不多，汇交角度均匀、适中。大运中心一场两馆结构节点汇交杆件，一般在3~5个，最多10个，交角多在60°左右，最大82°，最小30°。
6. 技术改进探索
根据结构特点，围绕关注重点，在结构方案设计上，尽可能增加冗余度，改善稳定模态；增强刚度，减小内力峰值、挠度峰值和自振周期，促使两侧棚罩在主振型中保持同向，并采取可靠的节点形式。
6.1 支座采用铰接
支座固支的有利作用在于，可增加冗余度，降低结构内力峰值，同时提高结构刚度，降低风振效应，提高稳定特征值，性能改善的幅度与结构形体尺寸有关，应具体分析确定。
大运中心体育场的计算分析表明，与铰支相比，内力峰值、挠度峰值降低在5%以内，自振周期降低约10%。鉴于找形改进效果更为显著，为了简化支承结构受力，综合考虑到建筑效果，设计采用了铰支。 '
6.2 与看台脱开
与看台连接的有利作用类同支座固支。
对于大运中心主体育场的方案模型（找形改进前的模型）进行初步计算分析，20个单元全部与看台连接时，性能改善比较显著，但鉴于建筑效果的限制，仅分析了10个单元与高位看台连接的情况。
a) 三向线位移约束时，由看台结构中伸出3根杆件，下端铰支，上端汇集铰接于肩谷点。挠度可减少10%，周期可减少约20%。
b) 二向线位移约束时，类同a），2根二力杆连接。挠度、周期可减少约10%。
c) 空间单向位移约束时，在肩谷点交角中分线方向增加单向约束，挠度可减小约20%。
与看台连接的缺点在于，受力变形不明了，设计、计算分析、安装复杂化。对看台混凝土结构的地震作用增加。鉴于找形改进效果更为显著，综合考虑建筑效果，设计与看台脱开。
6.3 结构单元数
折面空间网格结构单元数的多少，直接影响到结构构件的长度，对超大跨度结构中的压杆稳定尤为重要，最终影响到经济性、安装难度、合理性等。当然，这涉及到建筑立面效果、罩棚柱与看台结构柱的位置协调性和平面交通等问题。应综合分析，权衡利弊。
大运中心主体育场结构单元为20个，支座20个，其间距40m左右，最大杆件长度约50.7m，最大压杆长度约30m，主要取决于建筑效果。
6.4 加强环杆
折面空间网格结构在虚构面内刚度较小，不利于结构的整体刚度和稳定性，结构变形较大，宜在不影响建筑效果的前提下，尽可能加设环杆。如利用马道梁兼顾环拉杆，将罩棚肩谷节点相连形成肩谷环。
大运中心主体育场的分析计算表明，马道梁环拉杆可降低挠度峰值10%左右，降低周期约25%。肩谷环提高结构整体性，显著改善自振周期，控制在1.2s左右。
与主体育场比较，大运中心主体育馆的肩谷环对结构内力和变形的改善较为显著。
6.5 杆件截面形式
次结构杆件受弯为主，应采用箱形截面（图4）。
主结构杆件截面形式可选择圆管、箱形、或棱形。
箱形截面有如下特点：
a) 棱角鲜明，可突出杆件的棱线，与结构的空间折线、折角以及次结构杆件矩形截面形式相协调，具有方向感。
b) 箱形截面可根据结构受力要求和平面内外的支撑条件调整强弱轴抵抗矩，增大结构刚度，降低结构内力峰值、挠度峰值、自振周期。有效控制杆件的立面宽度，使结构更显轻盈。且经济性指标好。但箱形截面的空间定位要求高，且杆件设计验算内容繁杂。
c) 箱形截面板件加工组焊简单，但量大琐碎。
圆管截面有如下特点：
a) 使棱角鲜明的结构转角圆润，刚柔并济。
b) 设计计算简单，有利于创新复杂结构的推广应用。
c) 圆管组焊工作量相对要少，但空间相贯厚壁管的焊接技术要求较高。
设计时，应综合考虑建筑师美观要求、受力特点、设计条件、加工安装条件、经济条件等因素。大运中心项目主要考虑建筑师的要求采用圆管截面。
6.6 节点形式
节点分3种情况，次杆件之间宜采用焊接节点（图5），主次杆件之间宜采用栓焊连接（图6），下面主要探讨主结构杆件之间的节点。
图5 次杆件焊接节点
图6 主次杆件焊接节点
铸钢节点外形圆滑美观，自应力小。缺点是自重大，加工技术要求高，造价高。焊接节点自重小，有利于超大跨结构；受力明确，板件及焊缝质量检测简单而化整为另，可逐一排除焊缝质量隐患，降低风险。焊接节点的缺点是，设计制图及加工琐碎。
大运中心项目设计，对美观要求高，低位及杆件汇交多的节点采用了铸钢节点，其他采用了焊接节点。
6.7 结构找形
在领悟建筑创意理念的前提下，建筑师与结构师密切配合，达到结构与建筑、力与美的完美结合。大运中心主体育场通过调整马鞍内环两端高差、外环高差以及冠峰凸出高度等，使结构挠度、内力、周期等性能改善显著。调整平面椭圆趋圆度，使支座反力大大减小，水平反力切向角加大，改善了结构性能。
计算分析表明，结构找形后，与看台连结、增设环杆、截面形式等对结构性能的敏感性大大降低，侧面反映结构性能更趋稳定、合理。
7. 关键技术探讨
对于这一创新结构，设计中重点研究了如下关键技术：
1) 垂直风振效应分析研究
2) 挠度控制标准的确定
3) 构件计算长度的分析研究
4) 双非线性整体稳定分析研究
5) 超大铸钢节点材质、构造及应力分析研究
6) 球铰支座三态（接触、几何、材料）非线性全过程分析研究
参考文献
[1] 网架结构设计与施工规程JGJ 7-91 1992.04.01
[2] 网壳结构技术规程 JGJ 61-2003
[3] 空间网格结构技术规程 JGJ 7-200X JGJ 61-200X 2006.11
[4] 建筑用铸钢节点技术规程 CECS 235: 2008
[5] 沈士钊 陈昕 网壳结构稳定性 科学出版社 1999