國家體育場建筑結構設計

1體育場館及配套設施2008年，第29屆夏季奧運會在中國首都北京舉行。國家體育中心是它的主要體育中心，俗稱“鳥巢”。本體育場坐落在北京市海淀區(qū)奧林匹克公園內，北四環(huán)路北，北辰東路西，中軸線延長線東，規(guī)劃的成府路南，在北四環(huán)路與體育場之間規(guī)劃建設城市次干道———南一路。國家體育場共有座席100000座，其中固定座席80000座，臨時座席20000座。體育場用于北京2008年奧運會田徑、足球比賽以及奧運會開幕式和閉幕式。體育場還應能舉行足球世界杯等重大國際比賽，并應能舉行大型文藝演出等活動。體育場總建筑面積約為250000m2，體育場建筑最高點為69.21m，屬特級體育建筑。本工程為地上建筑，建筑物四周由緩坡堆積，形成0層，坡頂標高6.8m。體育場局部設地下一層，主要為汽車庫、媒體用房、部分設備機房等。地上為8層，其中，0層主要為機電設備用房、競技工藝用房、媒體用房、商業(yè)用房、車庫、廚房、內部環(huán)路等，四層主要為包廂、套房、廚房、集散大廳等。其它層主要為集散大廳、咖啡廳、小賣部、工藝、媒體等用房。本工程結構形式為鋼結構+框架剪力墻結構。外殼由鋼結構有序編織成“鳥巢”，鋼結構外殼里面的看臺及附屬用房采用框架剪力墻結構，部分框架柱子為斜柱，十二個核心筒為剪力墻結構?；A形式為樁基。奧運會期間，體育場外設約10000m2的臨時媒體用地。體育場北面設兩個熱身場地，一個為永久場地，另一為臨時場地，用于田徑、足球熱身及訓練使用。從使用上講，國家體育場要考慮近期與遠期相結合，近期主要為2008年奧運會承擔開幕式、閉幕式、田徑比賽、男子足球決賽等任務，也是2008年傷殘人奧運會的主會場。遠期要考慮世界田徑錦標賽、世界杯足球賽等特殊重大比賽；國家體育場還要承擔亞運會、亞洲田徑錦標賽、洲際綜合性比賽、全國運動會、全國足球聯(lián)賽等各類常規(guī)賽事；以及文藝表演、團體活動、商業(yè)展示會等非競賽項目。2了國家高爾夫球場10kv電源供電設備的主要比選國家體育場10kV供配電系統(tǒng)的設計應執(zhí)行國家及行業(yè)現(xiàn)行規(guī)范，滿足奧組委對2008年奧運會的要求和業(yè)主方提出的設計大綱及其它設計要求，還要符合北京電力公司的有關規(guī)定，參照有關專家的評審意見。具體設計依據有：(1)國家及行業(yè)規(guī)范；(2)業(yè)主方提供的設計大綱及其它設計要求；(3)“國家體育場電氣專業(yè)初步設計專家組評審意見”；(4)北京市建筑設計研究院的“國家體育場初步設計審查意見（匯報稿）”；(5)北京電力公司“關于國家體育場供電初步設計審核意見的函”（2004.4.14）；(6)北京電力公司京電營12號文件“國家體育場供電初步設計第二次審核會會議紀要”（2004.5.12）。國家體育場采取四路獨立的10kV電源供電，擬定分別由新建的安慧變電站、南泥溝變電站和奧運中心區(qū)變電站提供電源，該四路電源分別兩兩引入國家體育場內部兩座總變電所，各分變電所由總變電所提供電源。假設奧運中心站提供兩路10kV電源，安慧站和南泥溝站各提供一路電源。設體育場內總變電所分別為1號變電所（簡稱“1號主站”）和3號變電所（簡稱“3號主站”）。綜合上述依據，國家體育場10kV供配電系統(tǒng)的核心為：上一級變電站發(fā)生故障時，該站的饋出線路全部失電，其余上級變電站引來的電源應能保證體育場全部用電負荷的正常運行。而每一路電源所帶負荷不宜超過10000kV·A，最大不得超過12000kV·A。3變電站各時間點用電體育場負荷的最主要特點是體育場占地面積大，負荷較為分散，并且含有特別重要的一級負荷。因此，國家體育場共設8個變電所，參見圖1。1#變電所：兼高壓配電，為國家體育場主變電站之一。進線來自安慧變電站及奧運中心站。1#變電所除為本所四臺變壓器供電外，還為2#、4#、7#變電所和6#箱式變電站配電。該變電所主要為1、2、3號核心筒附近的負荷供電。2#變電所：進線一路引自1#變電所，另一路引自3#變電所。該變電所主要為4、5、6號核心筒附近的負荷供電。3#變電所：為國家體育場另一主變電站。進線來自南泥溝變電站及奧運中心站。3#變電所除為本所變壓器供電外，還為2#、4#、5#、8#變電所配電。該變電所主要為7、8、9號核心筒附近的負荷供電。4#變電所：進線一路引自1#變電所，另一路引自3#變電所。該變電所主要為10、11、12號核心筒附近的負荷供電。5#變電所：進線兩路均引自3#變電所。奧運會期間，該變電所主要為場外臨時媒體負荷供電。奧運會后，為商業(yè)用房提供電源。6#變電所：為箱式變電站，為熱身場地提供照明電源。進線兩路均引自1#變電所。7#變電所：與1#柴油發(fā)電機房相鄰，兩路進線均引自1#變電所。該變電所主要為1#冷凍站負荷供電。8#變電所：與2#柴油發(fā)電機房相鄰，兩路進線均引自3#變電所。該變電所主要為2#冷凍站負荷供電。410方案4：單一線雙線分斷+第三網互聯(lián)根據相關規(guī)范、北京市供電公司、北京奧組委、專家評審意見等，國家體育場采用圖2的供配電方案。該方案四路電源分別兩兩引入到國家體育場內部兩座主站1#變電所和3#變電所，兩個主站均為單母線分斷方式，1DL3、3DL3為母聯(lián)斷路器；兩主站相對應的母線采用單向聯(lián)絡，1DL4、3DL4為站聯(lián)斷路器。兩主站共有四段母線，相鄰兩母線均有聯(lián)絡，母聯(lián)或站聯(lián)。4.1多路進線濾波器下表列舉出進線斷路器與聯(lián)絡斷路器之間的邏輯關系。四路進線斷路器為1DL1、1DL2、3DL1、3DL2;1DL3、3DL3為母聯(lián)斷路器；1DL4、3DL4為站聯(lián)斷路器。4.2簡要圖圖3簡圖編號與上表狀態(tài)編號相對應，兩者斷路器編號也一致。4.3電源方案的分析4.3.1整體負荷的影響如圖3(15）所示，正常運行時，四路電源分別帶各自母線，母聯(lián)和站聯(lián)均斷開。1#站兩段母線所帶的負荷均為6850kV·A,3#站內兩段母線的負荷為5350kV·A。該負荷為變壓器的安裝負荷，實際負荷約為安裝負荷的50%左右。此時，系統(tǒng)帶全負荷正常運行。4.3.2奧運保水電源在奧運病情下的正常運行圖3(7）、（11）、（13）、（14）所示，當一路停電時，其它三路電源能否帶全負荷？以（7）圖為例，當奧運中心站2#電源停電時，3DL2斷開，3DL3閉合，3-2母線及3-1母線由南泥溝站供電。此時該回路上總安裝容量為10700kV·A,設變壓器的負荷率為70%，則實際負荷為7490kV·A。而1-1、1-2母線供電情況不變。因此，當奧運中心站2#電源停止供電時，母聯(lián)投入后，奧運中心站1#、安慧站和南泥溝站提供的電源可以保證體育場全負荷正常運行。若母聯(lián)自投失敗,則進行站聯(lián)備投。此時3DL4閉合，其它母聯(lián)和站聯(lián)斷路器斷開，3-2母線與1-2母線均由安慧站供電。該回路總安裝容量為12200kVA，同樣設變壓器的負荷率為70%，則實際負荷為8540kV·A。而1-1、3-1母線供電情況不變。因此，當奧運中心站2#電源停止供電時，站聯(lián)投入后，奧運中心站1#、安慧站和南泥溝站提供的三路電源可以保證體育場全負荷正常運行。對斷路器關系簡圖（11）、（13）、（14）而言，用相同的分析，得出相同的結論，即當四路電源中有一路電源停止供電時，母聯(lián)或站聯(lián)投入后，剩余的三路電源可以保證體育場帶全負荷正常運行。4.3.3#電源開通圖3(3）、（5）、（6）、（9）、（10）、（12）所示，當四路電源中有兩路停電時，剩余的兩路電源能承擔體育場全部負荷嗎？以（3）圖為例，如果南泥溝站和奧運中心站2#電源停電，3DL1和3DL2斷路器斷開，1DL4和3DL4斷路器閉合，3-1和1-1母線由奧運中心站1#電源供電，該回路總安裝容量12200kV·A，設變壓器的負荷率為70%，則實際負荷為8540kV·A;3-2和1-2母線由安慧站供電，該回路總安裝容量12200kV·A，同樣設變壓器的負荷率為70%，則實際負荷為8540kV·A。因此，當兩路電源停止供電時，站聯(lián)投入后，剩余的兩路電源可以保證體育場全負荷正常運行。用同樣的方法可以得出相同的結論，讀者不妨一試。4.3.4奧運煤炭公司發(fā)生動態(tài)圖3(1）、（2）、（4）、（8）所示，當四路電源中有三路停電時，剩余的一路電源能承擔體育場全部負荷嗎？以（1）圖為例，如果安慧站、南泥溝站和奧運中心站2#電源停電，1DL1接通，1DL2、3DL1和3DL2斷路器斷開，母聯(lián)斷路器1DL3和3DL3閉合，站聯(lián)斷路器1DL4閉合，3DL4斷開。奧運中心站1#電源為1-1、1-2、3-1、3-2母線供電，該回路總安裝容量24400kV·A，設變壓器的負荷率為70%，則實際負荷為17080kV·A，遠大于供電公司的要求。因此，當四路電源中有三路電源停止供電時，母聯(lián)和站聯(lián)投入后，剩余的一路電源不能保證體育場全部負荷正常運行。但如果將部分次要負荷卸載后，重要負荷的供電將可得到保證。用同樣的方法可以得出相同的結論。4.3.5臨時開啟奧運時間，使用柴油發(fā)電機最短時，總發(fā)電效率為高圖3(16）所示，當四路電源全部停電，毫無疑問，體育場全部負荷不能正常運行。在奧運會比賽期間，如果出現(xiàn)此事故，肯定問題已經十分嚴重，比賽還有必要繼續(xù)進行嗎？！盡管如此，我們還采取了應急措施：一是為建筑物設置永久柴油發(fā)電機，為體育場內固有的特別重要負荷供電，如消防負荷、通訊機房、網絡機房等。另一措施專為奧運會設置的，通過設置若干數量的臨時柴油發(fā)電機為奧運特別重要負荷供電，這些負荷有臨時媒體負荷、計時記分等比賽負荷、安保類負荷等。這些負荷很重要，當僅在重要國際比賽時才使用，使用頻率極少，因此采用臨時租用發(fā)電機是最佳、最經濟的選擇。因此，當四路市電全部停電后，由