卢赛尔体育场屋面排水模拟分析

卢塞尔体育馆（Lusail Stadium）作为开幕式揭幕战和决赛举办场地，是2022年国际足联世界杯的主要场馆之一。该场馆由中铁建总包，北京市建筑设计研究院有限公司负责钢结构及索膜结构、屋面雨水排水的设计和模拟分析工作，全工程采用欧美和海湾地区设计标准。体育馆设计容量为8万人，最高可容纳9.2万人同时观赛。   卢塞尔（Lusail）地处波斯湾西南岸的卡塔尔半岛，是因卡塔尔世界杯而兴建的面积约20km2的新兴城市，位于多哈西北部约15km，属于典型热带沙漠气候，常年受副热带高气压带控制，年均降雨量不足80mm。近年来最大的一场降雨发生在2015年11月，12小时降雨量高于80mm，造成较严重的内涝。       作为世界上同类型索网体系中跨度最大、悬挑距离最大的索网屋面单体建筑，卢塞尔体育馆屋面采用双曲面构造，屋面总面积达67000 ㎡，整体呈南北低，东西高，最大高差近25m。体育馆屋面由三部分构成，由内而外分别是挑棚，覆膜屋面和外部压环。     根据屋面构造形式，在内侧挑棚和覆膜屋面之间设置了一道排水内天沟，用于排除挑棚和部分覆膜屋面排水；在覆膜屋面和外侧压环之间设置了一道排水外天沟，用于排除覆膜屋面、外侧压环和内天沟排水，平时亦可作为屋顶的检修通道。在南北屋面排水外天沟最低点分别设置一处集水沉箱，屋面雨水最终通过外天沟末端集水沉箱中的雨水管排至室外，屋面雨水排水形式为重力流。                                                                                       屋面雨水天沟位置示意图                                                                               集水沉箱位置示意图                                                                                          集水沉箱透视图   由于覆膜屋面的构造特色，每个覆膜单元之间会形成“▽”型排水通道，覆膜屋面雨水可沿此排水通道排至内外天沟。                                                                                   屋面覆膜排水示意图   卡塔尔地区虽年均降雨量低，但近年极端天气频发，2015年和2018年都出现了极端降雨，造成大型建筑屋面排水不畅，甚至造成积水和局部内涝。为确保世界杯比赛期间屋面排水安全，给场馆设计提供参考，对屋面雨水排水进行CFD模拟分析。   1、模拟分析方法 采用ICEM CFD进行物理建模和网格划分，其中膜面模拟分析时面网格数约为980万个，四面体网格数约为500万个。数值模拟采用ANSYS旗下fluent软件进行分析，降雨、流动和集水箱分别采用不同模型。其中降雨采用DPM模型（离散相模型），湍流模型选用k-e模型；膜面和天沟采用EWF模型；集水箱采用VOF模型。                                                                                               屋面覆膜及外天沟网格划分 2、屋面径流分析 水流深度（film-thickness）模拟结果见图。膜面的高点处水深很小（蓝色），膜间沟槽水深较大（绿色或黄绿色），说明膜间沟槽具有良好的汇流作用。膜面接近外天沟处有明显的冲刷现象，冲刷方向指向外天沟。膜间沟槽水深在0.003m ~0.1m范围。内外天沟越靠近沉箱高程越低，相应的水流深度越深，屋面最大水流深度出现在外天沟末端（接近沉箱处），约为0.1m，最大流速为1.0 m/s，现有内外天沟挡水板设计高度均满足应对极端暴雨需求。                                                                                  极端降雨屋面水深分布示意图                                                                                稳态屋面流速示意图   屋面雨水径流稳定后，屋面上停留水的总质量为1945.5 KN（不包含沉箱内水的质量），其中膜面停留水总质量为1060.8 KN，内外环停留水总质量为53.6 KN，外环停留水质量为831.1 KN，极端雨水总荷载在钢桁架承担范围内，局部最大荷载满足覆膜材料承担要求，不会造成不可逆形变。                                                                                 稳态屋面雨水荷载示意图   3、集水箱分析 流态稳定后，末端集水箱水体积分布如下，从图中可以看出，极端降雨条件下，最大水深约为0.6m，集水箱尺寸及深度满足要求，集水箱排水管排水流量满足屋面排水需求，不会造成屋面积水。   结论 通过对卢塞尔体育馆屋面雨水排水分析，可知在极端暴雨情况下，屋面及天沟排水最大积水深度满足设计要求，不会造成外溢；百年一遇最大屋面雨水荷载对覆膜材质和屋面桁架影响在结构专业设计允许范围内；末端集水箱及排水管排水流量满足设计要求，不会因末端排水不畅造成水箱积水外溢。   展望 对于超大型建筑屋面，根据项目建设地点特殊气候条件和特殊构造采用重力流排水，通过模拟验证了设计的可行性，也为以后大型屋面雨水排水设计提供了新思路。                                                                                        2021年7月初时的施工状态