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国家速滑馆是北京2022年冬奥会的标志性场馆，为北京市唯一新建的奥运场馆。主场馆建筑面积约8万m²，设计高度33m。屋盖采用单层双向正交索网结构，外圈设巨型环桁架，支承于看台斜柱上。支承屋盖的看台斜柱采用劲性混凝土柱。论文着重阐述了国家速滑馆主体结构设计中的一些关键问题及相应的处理措施，包括结构的基础设计、超限情况及抗震性能化设计、大震弹塑性分析、巨型柱承载力计算等，为类似工程设计提供参考。
English Abstract
The National Speed Skating Oval is the landmark venue of the Beijing 2022 Winter Olympics and the only newly built Olympic venue in Beijing. The main venue has a building area of approximately 80,000 m² and a design height of 33 m. The roof adopts a single-layer bidirectional orthogonal cable net structure, with a giant ring truss arranged on the outer ring, supported by grandstand inclined columns. The grandstand inclined columns supporting the roof adopt steel-reinforced concrete columns. This paper focuses on key issues and corresponding measures in the main structural design of the National Speed Skating Oval, including foundation design, structural over-limit conditions and seismic performance-based design, elasto-plastic analysis under rare earthquakes, and bearing capacity calculation of giant columns, providing references for similar engineering designs.
一、国家速滑馆的工程概况与建设意义
国家速滑馆是2022年北京冬奥会的标志性场馆，为北京市唯一新建的奥运场馆。主场馆建筑面积约8万m²，设计高度33m，可容纳1.2万名观众。场馆的设计理念来自于冰和速度结合的创意——沿着外墙曲面由高到低盘旋而成的“冰丝带”，象征着速度滑冰运动员高速滑动时所留下的轨迹，而“22”这个数字代表着北京2022年冬奥会的年份。22条“冰丝带”构成了独特的曲面玻璃幕墙。
作为冬奥会速度滑冰项目的比赛场馆，国家速滑馆对建筑空间、结构跨度、施工精度和场馆功能均提出了极高的要求。场馆需要在满足国际滑联（ISU）对冰面尺寸和赛事标准的同时，实现轻质高效的结构体系和绿色低碳的建筑目标。屋面单层双向正交索网结构的钢索重量仅有约600t，充分体现出集约化建设的理念。
二、结构选型的挑战与设计思路
国家速滑馆的最大特点在于其超大跨度的屋面覆盖要求。场馆的屋盖需要覆盖约1.2万m²的冰面及观众看台区域，跨度大、空间要求高。如何在满足大跨度覆盖的前提下，实现结构的轻量化、经济性和施工可行性，是结构设计面临的首要挑战。
传统的钢结构屋盖方案（如网架、桁架等）虽然技术成熟，但在如此大跨度下往往用钢量较大，难以兼顾经济性与建筑效果。为此，设计团队选择了单层双向正交索网作为屋盖的主要承重结构——这是一种高效的大跨度柔性结构体系，通过索的预应力张拉形成稳定的受力形态，具有自重轻、跨越能力强、材料利用率高的突出优势。
外圈设巨型环桁架作为索网的支承边界。环桁架不仅承担着索网端部锚固的作用，还承受着索网预应力产生的巨大水平推力，是整个屋盖结构的关键受力构件。环桁架支承于看台斜柱上，看台斜柱采用劲性混凝土柱——劲性混凝土柱将型钢与混凝土相结合，兼具钢结构的承载能力和混凝土结构的刚度优势，能够有效传递屋盖结构传来的巨大竖向荷载和水平力。
三、主体结构设计的核心问题
国家速滑馆主体结构设计涉及多个层面的关键技术问题，主要包括：基础设计——如何在大跨度屋盖荷载作用下合理设计基础，确保整体结构的稳定；超限情况及抗震性能化设计——作为超限高层建筑，如何确定合理的抗震性能目标并采取相应的加强措施；大震弹塑性分析——如何通过弹塑性时程分析评估结构在罕遇地震下的抗震能力；巨型柱承载力计算——如何准确计算看台斜柱（巨型柱）在复杂受力状态下的承载力。
在上述背景下，论文系统阐述了国家速滑馆主体结构设计中的关键问题及相应的处理措施。
论文围绕国家速滑馆主体结构设计中的关键技术问题，从以下几个方面展开：
国家速滑馆主体结构由屋盖结构和下部支承结构两大部分组成。
屋盖结构采用单层双向正交索网体系，这是目前大跨度空间结构中最为高效的结构形式之一。双向正交索网由相互正交的两个方向的拉索组成，通过预应力张拉形成稳定的空间曲面形态。索网具有自重轻、跨越能力强、建筑造型灵活等优势，能够以极低的用钢量（约600t）实现超大跨度覆盖。
索网的外圈设置巨型环桁架作为边界支承构件。环桁架是索网预应力传递和锚固的核心构件，承受着巨大的环向拉力和竖向剪力。环桁架的截面尺寸、构件布置和节点构造均经过精心设计，以确保其在全寿命周期内的安全性和可靠性。
下部支承结构由看台斜柱构成。屋盖的荷载通过环桁架传递给看台斜柱，再由斜柱传递至基础和地基。看台斜柱采用劲性混凝土柱——在混凝土柱内配置型钢，使柱兼具混凝土的高刚度和型钢的高承载力。看台斜柱倾斜角度约20°，柱顶设置混凝土环梁。
国家速滑馆的基础设计是主体结构设计的重要组成部分。由于屋盖结构跨度大、荷载重，基础需要承受来自上部结构的巨大竖向荷载和水平力。论文对基础选型、地基处理、基础与上部结构的协同工作等方面进行了阐述，包括基础形式的选择依据、地基承载力的验算方法以及基础在复杂受力状态下的设计要点等。
国家速滑馆作为大型公共建筑，在结构高度、跨度、规则性等方面超出了现行规范的一般规定，属于超限高层建筑。论文介绍了结构的超限情况判定，包括高度超限、扭转不规则、楼板不连续等具体超限类型的识别与评估。
在此基础上，论文阐述了抗震性能化设计的方法与实施路径。性能化设计根据结构的重要性等级和预期性能目标，确定不同地震水准下的结构性能要求——在多遇地震下保持弹性，在设防地震下允许部分构件进入塑性但控制损伤程度，在罕遇地震下确保结构不倒塌。论文介绍了为实现上述性能目标所采取的设计策略和构造加强措施。
为确保国家速滑馆在罕遇地震作用下的安全性，论文对结构进行了大震弹塑性分析。弹塑性分析通过建立结构的精细化有限元模型，输入符合场地条件的地震波，模拟结构在罕遇地震下的非线性动力响应。
分析结果揭示了结构在大震作用下的塑性铰发展顺序、层间位移角分布、承载力储备等关键信息。通过弹塑性分析，可以识别结构的薄弱部位和潜在破坏模式，从而有针对性地采取加强措施。论文还介绍了基于弹塑性分析结果的结构抗震能力评估方法，验证了结构在罕遇地震下“大震不倒”的性能目标的实现。
看台斜柱作为支承屋盖的关键构件，其承载力计算是主体结构设计的核心内容之一。论文介绍了巨型柱承载力计算的方法与要点。看台斜柱（巨型柱）在结构中承担着传递屋盖荷载的关键任务，其受力状态复杂——既承受巨大的竖向压力，又承受水平地震作用和风荷载产生的弯矩和剪力。
论文阐述了巨型柱在轴压、偏压及压弯等不同受力状态下的承载力计算方法，包括材料强度的取值、截面承载力的验算以及稳定性分析等。同时，论文还讨论了劲性混凝土柱中型钢与混凝土的协同工作机制，以及如何通过合理的配钢率和构造措施保证柱子的延性和抗震性能。
通过对国家速滑馆主体结构设计的系统阐述与分析，可以得出以下主要结论：
（1）单层双向正交索网是大跨度屋盖的高效结构方案。 国家速滑馆屋盖采用单层双向正交索网结构，钢索重量仅约600t，充分体现了大跨度结构的轻量化和集约化设计理念。
（2）外圈巨型环桁架与看台斜柱构成了可靠的支承体系。 索网外圈设置巨型环桁架作为边界支承，环桁架支承于看台斜柱上，看台斜柱采用劲性混凝土柱。这一传力路径清晰、受力合理，能够有效传递屋盖结构产生的巨大荷载。
（3）抗震性能化设计保障了结构在多级地震下的安全性。 通过超限情况判定和抗震性能化设计，明确了结构在不同地震水准下的性能目标，并采取了相应的设计策略和构造措施。
（4）大震弹塑性分析验证了结构的抗震能力。 通过弹塑性时程分析，评估了结构在罕遇地震下的非线性响应，验证了“大震不倒”的性能目标的实现。
（5）巨型柱承载力计算是保证结构安全的关键环节。 看台斜柱作为关键受力构件，其承载力计算需综合考虑轴压、偏压及压弯等多种受力状态。
（6）该文为类似大跨度公共建筑的结构设计提供了参考。 国家速滑馆主体结构设计中的关键技术问题和处理措施，可供类似大跨度、超限公共建筑的结构设计借鉴和参考。
