摘 要：本文针对大庆市实验中学体育馆屋盖工程设计，给出了建址的选取三原则，对建筑造型的整体进行了叙述，屋顶采用网架结构体系，充分体现出实验中学的特色与优势。在此基础上对结构有限元设计进行了叙述，验证了构件的承载力和整体刚度变形，既实现了轻屋面的结构设计理念，又保证了室内的自然采光，显得宽敞明亮，给人舒服高雅的感觉。可为开展同类工程设计提供参考。
ABSTRACT: In view of the Daqing City laboratory middle school gymnasium roof engineering design, this article gives the site selection three principles, the architectural modeling overall were described, and grid structure is used on the roof, fully reflects the characteristics and advantages of experimental middle school. On the basis of structural finite element design were described, the components of the bearing capacity and stiffness of the whole deformation are verified, which realizes the light roof structural design concept, but also ensure the indoor natural lighting, appear bright and spacious, comfortable and elegant feeling to people. For the similar engineering design reference.
关键词：体育馆 ；建筑造型 ； 结构设计
Keywords：Gymnasium；Architectural Modeling ；Structural Design
中图法分类号 TU441.3文献标识码A
1.工程概况
大庆市实验中学位于大庆市开发区秀水路，北临滨州湖，南与东北石油大学毗邻，是经市政府决定成立的市重点中学。经过多年的办学，在校领导的带领下在历届高考中已硕果累累，高考成绩斐然，已经跨入省重点高中的行列。为办好教学的同时保证教职员工的身心健康，修建了多功能体育馆，其中包括篮球、乒乓球、羽毛球和台球等场地，占地面积4万多平方米，内部有2个标准的篮球场地，四周是看台。二层是乒乓球和羽毛球场地，视野开阔，为保证员工开展各项活动打下良好的基础。由于内部有各种场地，所以不能设置柱子，因此保证大跨度空间的实现成为设计者们棘手的问题。经过多个方案的尝试，最后选为变高度四角锥网架平面结构做支撑体系，结构形式为多点支撑，四周采用网架相互连接形成整体，屋盖支撑的优点是重量轻，可实现的跨度大，施工速度快，周期短，整体造价较低。体育馆的整体外貌如图1所示。本文介绍了本屋盖的结构形式，采用有限元软件ANSYS开展了仿真分析，对杆件和整体变形进行了验算，最后对节点进行了详细介绍，这一设计过程为类似实际工程的建设提供了宝贵的参考资料，使结构初步设计人员对网架结构设计有一些了解，方便以后工程中应用网架结构，因此，开展网架结构的静力分析是至关重要的。
图1 整体外貌
2.建址选择
实验中学迁址的选择本着三个方面的原则：
是远离吵闹的市区中心，避免外界环境对学校的干扰，同时缓解中心地带的车辆拥挤问题，避免交通的拥堵，给行人和车辆带来很大的不便。
是便于学生的出行
交通便利，方便学生节假日出行，给接送孩子提供较好的场所。
是生源较多的位置
保证生源是一个学校生存下去的前提，附近最好是居民区，很多家庭为孩子上学方便，都是采取就近的原则，这样父母好照顾孩子，同时孩子放学期间可以回家休息，花费在路上的时间少，节约了大量时间，这是很多家长会考虑到的。
秀水路9号正好符合上述3点要求，作为校址是最佳的地点，市政府接到报告后，考虑到实验中学在我市的地位和影响，特批了这块非常紧张的地段，为城市的以后发展打下良好的基础。
3.结构型式的选取
起初结构形式有多个方案[1,2]，如柱面网壳结构，网架结构，还有钢结构等等，考虑到跨度较大，采用普通钢框架结构材料浪费严重，造价高，最终在柱面网壳和网架结构中选出一种，柱面网壳能增大室内的净高，但带来的问题是两侧山墙较高，无疑使结构受风荷载的作用较大，而且还有一个推力传递的过程，为抵抗弯矩无形中增加了结构支撑构件的截面尺寸，因此柱面网壳方案不可行。选择网架结构优点是可实现多点支撑体系，无水平推力作用，若采用正放四角锥网架，在曲线造型上不好处理，于是选取了单跨四角锥网架平面结构支撑屋顶，降低材料的用量，造价低，方案可行。
4.有限元仿真
4.1分析的过程
有限元仿真是代替理论计算的较好手段，通过软件建模，加载和求解，最后获得杆件的内力和整体变形，通过验算调整杆件的截面，使得承载力和稳定性满足要求，同时网架的刚度也要足够大，避免发生整体破坏。
4.2有限元建模
采用三维杆单元模拟杆件，定义单元类型为LINK8，输入实例常量截面的面积和直径，给出材料的属性，钢结构弹性模量为E=2.06×1011N/m2，泊松比为0.3。通过节点连线直接生成杆单元的直接建模法，荷载施加在节点上，静力求解。
4.3 有限元结果与验算
体育馆屋顶全部为单跨平面四角锥网架结构，采用焊接空心球节点连接。采用ANSYS[3]对网架结构进行有限元分析结果表明，该四角锥平面网架刚度大，承载力高，可实现的跨度大[4]，经验算杆件的承载力和整体变形均满足要求。
5.节点设计
图2 节点设计
在两端通过钢柱支撑来传递荷载，再传递到结构基础，受力合理，传递路径明确，不但作为结构的一部分，而且外观美观，造型好，体现出一所中学的特色，和给职工创造活动场所的态度，使得职工在锻炼的同时身心健康，为祖国的教育事业贡献更大的力量。
6结 语
本文针对大庆市实验中学体育馆屋盖工程设计，给出了建址的选取三原则，对建筑造型的整体进行了叙述，屋顶采用网架结构体系，充分体现出实验中学的特色与优势。在此基础上对结构有限元设计进行了叙述，验证了构件的承载力和整体刚度变形，既实现了轻屋面的结构设计理念，又保证了室内的自然采光，显得宽敞明亮，给人舒服高雅的感觉。可为开展同类工程设计提供参考。
参考文献
[1] GB50017-2003.钢结构设计规范[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2003.
[2] GB50010-2010.混凝土结构设计规范[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.
[3] 郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2005.
[4] 张文福，王秀丽.空间结构[M]. 北京：科学出版社，2006.
[第一作者] 贾连春（1977-），男，本科，监理工程师，大庆市人，主要从事土木建筑工程监理工作。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。