盧賽爾體育場屋面排水模擬分析

盧塞爾體育館（Lusail Stadium）作為開幕式揭幕戰(zhàn)和決賽舉辦場地，是2022年國際足聯(lián)世界杯的主要場館之一。該場館由中鐵建總包，北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司負(fù)責(zé)鋼結(jié)構(gòu)及索膜結(jié)構(gòu)、屋面雨水排水的設(shè)計(jì)和模擬分析工作，全工程采用歐美和海灣地區(qū)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。體育館設(shè)計(jì)容量為8萬人，最高可容納9.2萬人同時(shí)觀賽。 ? 盧塞爾（Lusail）地處波斯灣西南岸的卡塔爾半島，是因卡塔爾世界杯而興建的面積約20km2的新興城市，位于多哈西北部約15km，屬于典型熱帶沙漠氣候，常年受副熱帶高氣壓帶控制，年均降雨量不足80mm。近年來最大的一場降雨發(fā)生在2015年11月，12小時(shí)降雨量高于80mm，造成較嚴(yán)重的內(nèi)澇。 ? ? ? 作為世界上同類型索網(wǎng)體系中跨度最大、懸挑距離最大的索網(wǎng)屋面單體建筑，盧塞爾體育館屋面采用雙曲面構(gòu)造，屋面總面積達(dá)67000 ㎡，整體呈南北低，東西高，最大高差近25m。體育館屋面由三部分構(gòu)成，由內(nèi)而外分別是挑棚，覆膜屋面和外部壓環(huán)。 ? ? 根據(jù)屋面構(gòu)造形式，在內(nèi)側(cè)挑棚和覆膜屋面之間設(shè)置了一道排水內(nèi)天溝，用于排除挑棚和部分覆膜屋面排水；在覆膜屋面和外側(cè)壓環(huán)之間設(shè)置了一道排水外天溝，用于排除覆膜屋面、外側(cè)壓環(huán)和內(nèi)天溝排水，平時(shí)亦可作為屋頂?shù)臋z修通道。在南北屋面排水外天溝最低點(diǎn)分別設(shè)置一處集水沉箱，屋面雨水最終通過外天溝末端集水沉箱中的雨水管排至室外，屋面雨水排水形式為重力流。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 屋面雨水天溝位置示意圖 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 集水沉箱位置示意圖 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?集水沉箱透視圖 ? 由于覆膜屋面的構(gòu)造特色，每個(gè)覆膜單元之間會(huì)形成“▽”型排水通道，覆膜屋面雨水可沿此排水通道排至內(nèi)外天溝。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??屋面覆膜排水示意圖 ? 卡塔爾地區(qū)雖年均降雨量低，但近年極端天氣頻發(fā)，2015年和2018年都出現(xiàn)了極端降雨，造成大型建筑屋面排水不暢，甚至造成積水和局部內(nèi)澇。為確保世界杯比賽期間屋面排水安全，給場館設(shè)計(jì)提供參考，對(duì)屋面雨水排水進(jìn)行CFD模擬分析。 ? 1、模擬分析方法 采用ICEM CFD進(jìn)行物理建模和網(wǎng)格劃分，其中膜面模擬分析時(shí)面網(wǎng)格數(shù)約為980萬個(gè)，四面體網(wǎng)格數(shù)約為500萬個(gè)。數(shù)值模擬采用ANSYS旗下fluent軟件進(jìn)行分析，降雨、流動(dòng)和集水箱分別采用不同模型。其中降雨采用DPM模型（離散相模型），湍流模型選用k-e模型；膜面和天溝采用EWF模型；集水箱采用VOF模型。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 屋面覆膜及外天溝網(wǎng)格劃分 2、屋面徑流分析 水流深度（film-thickness）模擬結(jié)果見圖。膜面的高點(diǎn)處水深很?。ㄋ{(lán)色），膜間溝槽水深較大（綠色或黃綠色），說明膜間溝槽具有良好的匯流作用。膜面接近外天溝處有明顯的沖刷現(xiàn)象，沖刷方向指向外天溝。膜間溝槽水深在0.003m ~0.1m范圍。內(nèi)外天溝越靠近沉箱高程越低，相應(yīng)的水流深度越深，屋面最大水流深度出現(xiàn)在外天溝末端（接近沉箱處），約為0.1m，最大流速為1.0 m/s，現(xiàn)有內(nèi)外天溝擋水板設(shè)計(jì)高度均滿足應(yīng)對(duì)極端暴雨需求。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?極端降雨屋面水深分布示意圖 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?穩(wěn)態(tài)屋面流速示意圖 ? 屋面雨水徑流穩(wěn)定后，屋面上停留水的總質(zhì)量為1945.5 KN（不包含沉箱內(nèi)水的質(zhì)量），其中膜面停留水總質(zhì)量為1060.8 KN，內(nèi)外環(huán)停留水總質(zhì)量為53.6 KN，外環(huán)停留水質(zhì)量為831.1 KN，極端雨水總荷載在鋼桁架承擔(dān)范圍內(nèi)，局部最大荷載滿足覆膜材料承擔(dān)要求，不會(huì)造成不可逆形變。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 穩(wěn)態(tài)屋面雨水荷載示意圖 ? 3、集水箱分析 流態(tài)穩(wěn)定后，末端集水箱水體積分布如下，從圖中可以看出，極端降雨條件下，最大水深約為0.6m，集水箱尺寸及深度滿足要求，集水箱排水管排水流量滿足屋面排水需求，不會(huì)造成屋面積水。 ? 結(jié)論 通過對(duì)盧塞爾體育館屋面雨水排水分析，可知在極端暴雨情況下，屋面及天溝排水最大積水深度滿足設(shè)計(jì)要求，不會(huì)造成外溢；百年一遇最大屋面雨水荷載對(duì)覆膜材質(zhì)和屋面桁架影響在結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)；末端集水箱及排水管排水流量滿足設(shè)計(jì)要求，不會(huì)因末端排水不暢造成水箱積水外溢。 ? 展望 對(duì)于超大型建筑屋面，根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)特殊氣候條件和特殊構(gòu)造采用重力流排水，通過模擬驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，也為以后大型屋面雨水排水設(shè)計(jì)提供了新思路。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2021年7月初時(shí)的施工狀態(tài)