卡塔尔世界杯的中国设计：北京建院用安全、高效架起的赛场“骨架”

11月20日，2022卡塔尔世界杯将正式拉开大幕。首次在冬季举行世界杯的北半球，将宛如盛夏。

在这场预计将吸引约120万球迷前来观赛的世界级赛事面前，北京市建筑设计研究院有限公司（简称“北京建院”）正向世界展示全新的“中国设计”形象。

据悉，北京建院承担设计了卢塞尔体育场立面钢结构和屋顶索膜结构，而这也是这座世界杯主体育场最复杂的系统。这是北京建院践行国家“走出去”战略、打创“中国设计”品牌的又一重要成果。

与共和国同龄的北京建院是一家大型国有建筑设计咨询机构，七十年来始终活跃在工程建设领域的最前沿。从人民大会堂、毛主席纪念堂、国家大剧院到500米口径球面射电望远镜（FAST），从北京大兴国际机场、北京城市副中心到北京冬奥会速滑馆等标志性建筑，北京建院实现着从“中国制造”到“中国创造”的跨越。

在积累大批优秀的经典建筑作品和大量工程实践经验的背景下，北京建院正不断将我国自主前沿建筑+科技创新的成果带向全世界。此次参与承建卡塔尔世界杯主体育场——卢塞尔体育场的北京建院，也再次向世界展现出大国企业的工匠精神和创新力量。

“世界上最复杂的索膜结构体系”

“从高处俯瞰，卢塞尔体育场的屋顶呈双曲抛物面造型，像起伏的马鞍一样在空间中优雅展开，覆盖整个看台结构；从正面观察，体育场的外形酷似一个巨大的金碗，碗壁由上千个金色的三角形幕墙单元组成，金色的幕墙由下及上，一直延伸到体育场上部，与屋顶结构相连……”初见卢塞尔体育场，人们很难不被它的宏伟所震撼。

从功能性看，体育场的顶点标高和屋顶悬挑尺寸分别达到76.6米和95.9米；场内固定坐席数多达92400。

体育场壮观绚丽的建筑效果给人们带来视觉上的享受，高标准的建筑功能则保障着世界杯闭幕式和包含决赛、半决赛在内的10场比赛的顺利举办。这也给结构设计带来巨大挑战。

如何为这座体育场打造一副安全、高效的“骨架”，在完美实现建筑外形和功能要求的同时，又兼顾结构体系自身的优雅，成为北京建院结构设计团队需要攻克的重大难题。

“我们国家是首次参与世界杯主体育场这样的大型工程设计，它也是我做过最复杂的一个工程。从整个项目来看，最复杂最难的就是大跨屋顶的设计，这里涉及复杂的膜结构、索网结构和钢结构。”全国工程勘察设计大师、北京建院结构总工程师朱忠义表示。

朱忠义曾负责500米口径球面射电望远镜（FAST）、北京大兴国际机场、首都机场T3航站楼、国家体育馆等多项国内外重大工程的设计和科研工作，入选“国家百千万人才工程”、“北京学者”。2022年2月，作为“双奥建设者”的朱忠义以火炬手身份参与了北京2022年冬奥会的火炬传递。

在朱忠义看来，卢塞尔体育场的设计工作非同以往。“首先，卢塞尔体育场的结构要反映当地的文化——立面是体现当地特色的“大金碗”形象，而屋顶要在巨型的马鞍面上勾勒出叶脉的造型，同时还要满足世界杯主体育场苛刻的功能要求，要怎么实现这个独一无二的建筑？其次，卢塞尔体育场屋顶是非常平缓的，如何在这个平缓的曲面下做出轻盈、通透的索结构，是以前的工程中从未遇到过的挑战，也是这个项目的最大难点。”

“此外，体育场设计采用的是美国标准，材料标准采用的是欧洲标准，但我们想把中国的产品推出去，这也意味着，我们也要考虑如何将外国标准与中国设计、中国产品结合起来。这些都是挑战。”朱忠义表示。

从外观上看，这个跨度达278米的体育场的大跨度马鞍形屋顶。采用了由主索桁架、次索系和膜结构等组成的高效索膜结构体系，并且尺度巨大，被我国空间结构泰斗、中国工程院院士、浙江大学董石麟教授称为“世界上最复杂的索膜结构体系”。

艰苦攻关+多方创新展现“中国设计”新力量

如何一步步去攻克这个“世界上最复杂的索膜结构体系”？

索和膜都是柔性的结构单元。不同于常见的混凝土结构和钢结构，索膜结构需要施加预应力才能形成承载能力，结构的形状也与预应力直接相关。通俗地讲，就像日常的晾衣绳，只有当我们用力将它张紧，才能在衣服挂上去的时候不至于产生过大的变形；而我们对晾衣绳施加的力的大小，决定了衣服挂上去后绳子的形状。而北京建院工作的核心，就是要计算出组成屋顶结构的2304段柔性拉索各自的预应力，使由3层索网编织而成、覆盖5.7万平米的巨型屋顶在张拉后准确地落在建筑所需的形状上。

由于结构复杂，传统分析设计方法已经无法完全满足项目需求。面对挑战，朱忠义带领设计团队对设计方法开展攻关。通过无数次尝试和坚持不懈的探索，提出了创新设计方法，巧妙解决了项目的多层索膜结构形态控制难题，最终使直径达278米的巨型柔性屋顶结构的设计形态误差不超过1毫米。目前，以这套方法为基础，北京建院已经形成了柔性索结构形态分析的专利技术群，并在三亚体育场、日照体育场、大连梭鱼湾足球场等大型公共建筑的结构设计中发挥了核心作用。

（北京建院团队在现场）

立面钢结构作为屋顶索膜结构锚固的边界和支承体育场“大金碗”幕墙的骨架，项目团队在它的设计中也面临着巨大挑战。为满足规划要求，体育场的总体大小需要严格控制，而体育场内部的看台又要有足够的体量才能容纳超过9.2万名观众。所以，虽然体育场的绝对规模很大，但这种规划和功能的“内外夹击”使设计团队仅能在宽度有限的“缝隙”中布置立面钢结构，无异于“螺狮壳里做道场”。经过对多达近十种方案的分析和细致的梳理、比较，团队最终提出了曲线V柱桁架、压环桁架和幕墙桁架组成的整体结构方案。创造性地将支承体系与幕墙结构融为一体，在完美实现建筑效果的同时，将体育场的尺寸由330m大幅减小至309m，用钢量降低近万吨，节约钢结构造价40%。

安全是世界杯主体育场的重中之重。为了确保设计的安全性，北京建院团队在设计过程中对结构防连续倒塌性能进行了模拟，直观地研究各关键部位构件在极端情况下发生破坏时，可能引起整体结构连续破坏的高风险区域。通过在设计时针对性地加强这些区域中的构件，可以在满足经济性的同时提高结构防连续倒塌性能，确保危险发生时不会因局部构件损坏导致结构整体倒塌，避免造成更大的人员、财产损失，提高体育场在突发情况下的安全性。

这些努力和收获，是北京建院用突破向世界汇聚成的一个全新“中国设计”形象，也由此赢得各方认可。在参建的国内团队中，他们是可靠的技术支撑；面对外方团队，他们是值得信任的合作伙伴。通过越来越多这样“走出去”的实践突破，中国设计也正成为连接中国和世界新的文化桥梁。（北京时间吴珊）