Tekla在2022卡塔尔世界杯教育城体育场项目中的应用

摘要：卡塔尔教育城体育馆，是2022年卡塔尔足球世界杯主场馆之一。此场馆由碗型混凝土看台，底层V型钢柱支撑上层钢结构主平台，轮辐式悬索钢屋盖和外立面幕墙组成。本文主要介绍TS在该项目深化设计中的具体应用及如何处理异面结构，辅助绘图，并达到提高生产力的目的。

1. 工程概况

卡塔尔教育城体育馆（QFS）位于卡塔尔首都多哈教育城，是2022足球世界杯比赛场馆之一，赛事期间，设计容纳44,000人。该项目结构形式为，碗型混凝土看台+轮辐式悬索钢屋盖，借鉴了伊斯兰教建筑特色，室内外均裹以半透明的三角板，其颜色和图案能根据太阳方位及人工照明的变化而改变。体育馆全年使用冷却系统，为卡塔尔教育城的学生、教职工及当地社区居民提供体育馆及周边设施，鼓励一代又一代的卡塔尔居民实现他们的健身目标。

该工程总用钢量约7000吨，拉索750吨，构件最大单重约32吨。钢屋盖为重力预应力轮辐式悬索斜撑主次梁结构。结构平面长轴250m，短轴200m，馆内檐口高50m，最高最大悬挑跨度约61m。索网体系由外环梁、内环索和内外环间径向索组成。环索空间成马鞍型，平面投影成环形，V形斜撑将屋面支撑于索夹节点上。在该项目中，武汉敦信承担的工作是除索结构外其他主钢结构的深化设计，深化工作全部在Tekla 中完成。

2. 结构及节点介绍

体育馆钢结构体系大致分为6个部分，包括底层 V 柱支撑结构、平台层框架钢结构、外立面幕墙钢结构、屋面支撑立柱、轮辐式悬索体系和屋面钢结构。如下图分解，V型圆管柱靠体育馆外侧支撑钢平台，主钢平台设钢柱支撑外立面幕墙钢结构，屋面钢结构由屋面支撑柱和轮辐式悬索体系互相支撑，组成整个体育馆的钢结构体系。

3. 深化设计重点及解决方案

3.1空间结构的放样定位

体育场馆类，多为不规则或异面结构，关键定位点和杆件定位极为重要。如果设计方可以提供完整的计算模型芯线则可以解决很多初级问题。但在实际施工中，多数提供计算分析模型会说明仅供参考，实际定位依图面提供3D坐标定位，而且也会有杆件不交于一点或后期有调整。这就需要我们自行定位并核查设计图提供的准确性和完整性。

V-Column，V柱是靠近场馆外侧支撑主钢框架的主柱，此部分定位依据设计方提供的3D座标放样，再结合混凝土层高定位V柱底标高。

钢结构框架部分通过定位圆环状轴线，明确杆件在圆环状轴线上同心、均匀分布。再利用提供的IFC混凝土模型，确定钢结构支撑外侧边缘。

Facade部分（外立面幕墙），依据设计提供的整体座标体系点位控制座标，整理数据文档。再利用Open API整体输入坐标点位并转为实体杆件，对每一个三角面及相邻三角面进行计算，取角平分面定位杆件旋转角度。

轮辐式悬索体系中有很重要的一个压力环，有水平预拱需求，确保拉紧后可收缩到需求位置，此处模型我们按照需求采用了预拱和非预拱双模型建模。工厂实际加工为施加预拱的模型，其他连接杆件如Roof和立柱杆件采用最终状态施工。

Roof 通过设计图提供的座标及放样标准核对设计提供的分析模型确认无误后，直接利用Tekla导入芯线模型为实体，完成定位工作。

3.2节点细部深化

钢结构平台为二维杆件，节点数量较多，我们通过自开发节点，通过Excel表格的形式控制不同类型、不同规格杆件节点的数据。同时，在节点计算修改节点数据后，只需修改对应Excel数据，刷新修改节点，就可实现节点的修改，提高了模型中节点修改的便利性。在工期紧张，节点计算未通过审核时可有效地前置模型工作，保证工期。

本项目的难点之一在于场馆外立面（Facade）矩形管杆件连接节点。Facade 主结构外表面要求精度极高，因为室内外均需裹以半透明的三角板，其颜色和图案会根据太阳方位及人工照明的变化而改变。但设计方提供的杆件均为外侧控制点交于一点，组成不同的三角面，但所有三角面均不会共面，每支矩形管的角度和旋转方向均不相同。所以，从美观考虑，业主方要求节点范围内杆件连接端不能超过钢柱外表面2mm，超过部分需要采用局部切割再填补三角板再打磨处理。

3D空间，人工找辅助面、空间点比较困难，且要在找到基准平面后再切割并补充三角板，工作量巨大。TS在有规则可依，且节点数量较多时，可有效发挥其优势。我们基于Tekla Open API针对性开发了模型插件节点，自动计算矩形管牛腿端部超出柱面尺寸，再依超出尺寸进行切割增补三角板。完美呈现了业主需求，极大的提高了生产效率和增加了可靠性。

3.3复杂杆件图面的辅助绘图

在处理二维杆件时，我们有标准顶视图或前视图可参考，采用二维尺寸可清晰表达。当然，对于3D杆件我们也可采用投影方式，来类似标注尺寸。但实际3D杆件叠加，端部投影重叠，无法清晰、准确的表达所需定位尺寸，且工作量大。

以下以本场馆外墙立面（Facade）矩形管钢结构立面为例说明复杂杆件图面的辅助绘图。Facade外立面为多个异面三角形组成，每个杆件均不在同一面内，立柱也是采用多个杆件焊接拼合而成。所以我们取立柱的一支杆件作为基准面，取端部向上1000mm作为基准原点，立柱长度方向为基准轴，再依此为基准点对其他3D牛腿采用3D座标点位标注（采用表格形式表达，且同时可生成Excel文档供工厂处理不同需求的数据）。同时，为便于工厂制作，对于二维立柱采用尺寸标注组立定位，局部剖面接触点定位尺寸仍然采用二维尺寸标注，同时增加局部3维图供参考。

以上做法满足了设计意图和工厂加工需求，但是对绘图来说工作量巨大，且工期紧迫。所以我们针对性的开发了不同类型杆件的图面辅助绘图。针对下述杆件主视图尺寸自动标注，剖面视图自动处理，3D座标表格自动生成。配合辅助绘图，这样就可以较大的解放生产力。