随着我国城市化进程的加深，老旧城区土地和空间资源更显珍贵，城市人口聚集效应也对配套设施及功能提出了更高要求，城市配套设施亟需更新升级。在现有城市空间中，通过精细化设计，以及对新技术的运用，在建筑原址的有限空间中进一步“向上向下”挖掘空间的立体开发可能性，同时提升原有空间的使用效率，成为了解决这一问题的方式之一。
德亨学校位于西山区，承担着广福路与陆家路周边区域人口的基础教育功能。学校原本仅有一栋综合教学楼和少量配套用房，以及有限活动场地，设施老旧配套不足，且周边被大量住宅楼包围。
为满足教学配套功能达标完成硬件升级，给师生提供更多且更舒适的教学活动空间，学校管理方要求，需要对学校原有硬件功能进行梳理、整合、提升和补充建设。该项目采用EPC工程总承包模式，由云南省设计院集团有限公司第三建筑设计研究院负责相关设计工作。
项目区位
按校方要求，设计团队需要在现有校园空间内补充建设教学楼、食堂、风雨操场和田径场等建筑和设施。但在拥挤局促的校园用地范围内，尤其是田径场本身占地面积大，且与主要教学空间有防噪音间距要求，采用传统平面布局设计思路显然是无法达成相关目标的。这个棘手问题让设计师的工作一度陷入僵局。
在一次评审会上，有建筑师大胆提出是否可以采用竖向叠加手段，将田径场叠放在风雨操场的屋顶，这样就可节约出大块用地空间用以建设其他功能用房。建筑师的想法固然巧妙，但结构工程师却因此犯了难，因为一般的风雨操场，由于室内主要作为运动场或大型活动空间，功能要求与体育馆类似，需要采用高大无柱空间结构，而此类建筑为尽量减轻屋面荷载，屋盖一般都采用不上人的大跨度钢结构形式。
建筑师提出在风雨操场屋顶上设置田径场，这势必让屋盖荷载瞬间增大很多，使用工况也将发生很大的变化，对于无柱大跨度建筑的结构设计而言，困难和挑战的增加将会是几何级数的。
集思广益和头脑风暴总能带来突破，经过多轮探讨和评审后，设计团队最终决定将风雨操场半埋处理，利用半埋部分作为结构计算的嵌固端，同时将露出地面的上半部分作为为室内采光通风通道。屋盖结构选型则采用多点支撑型空腹桁架结构形式，来承托上部屋面的田径场。
通过这些措施，既有效控制了建筑高度，让屋顶田径场不会产生“天若悬河”的不适感，也能满足结构嵌固的计算要求和人防的防护要求，最重要的是实现了大跨度无柱空间与田径场的竖向叠合。
室内空腹桁架屋顶完成实景
一、通过提升技术，增强建筑安全性。
风雨操场屋盖结构跨度为X向39.0米，Y向74.7米。由于风雨操场室内对净空高度、空间观感、设备安装和灯光及声学要求都比较高，而传统桁架结构杆件多，自重大，且形态凌乱观感不佳，管线设备穿越不便，加之设置在屋顶的田径场荷载大，使用频率高，且存在明显的人群激励振动荷载，因此本项目定案采用双向空腹桁架结构，杆件数量少，使得操场形态规则，受力性能更为优越。
二、发挥材料特性，提升建筑经济性。
为更好地解决靠近柱边的第一、第二节间竖腹杆弯矩及剪力过大的问题，沿柱边部分加设斜腹杆，把剪力转化为轴力形式传递。本项目桁架屋盖的上弦杆采用矩形钢筋混凝土材料，下弦杆采用矩形钢管，局部腹杆采用矩形钢管的复合形式，充分发挥结构构件材料的特性，降低自重，有效解决上弦杆件与混凝土屋面的连接问题，有一定的经济性。
三、避免产生共振，提高建筑舒适性。
在抗震设计方面，根据规范要求，本工程屋盖竖向自振频率不得低于3Hz，但考虑足球场在使用过程中，存在明显的人群激励振动荷载干扰，为避免结构产生共振，进而形成振幅过大给人带来不适感，因此在结构计算中，把自振频率提高到不低于4Hz的要求进行设计控制，模型分析最不利点竖向振动加速度峰值约为0.117m/s²，满足国家规范0.15m/s²的限值，在使用舒适性、经济合理性上找到了平衡点。
一阶振幅图
最不利节点的竖向振动加速度
由于本项目所采用的技术在省内尚属首例，国内同类项目经验及实际使用数据寥寥无几，为确保建筑安全性和使用舒适性，并在该领域积累更多的实际数据经验，设计团队与业主方达成共识，在本工程竣工验收半年后，对屋盖楼板开展了实体竖向第一阶振动频率测试和竖向振动加速度测试。前者采用环境脉动法和人工激励（跳落冲击）法，后者采用人工激励法（随机跑、同步跑、同步跳落冲击）。
测试分别在屋顶选取了五个特征点，通过不同荷载情况下进行分析拟合，实测得出的检测数据均在设计范围内，满足国家相关规范要求。通过实体验证，用详实的科学实验数据证明了设计的安全性及合理性。
测试点位分布图
实验荷载工况施加实景图
人工激励下中心测点幅频曲线
人工激励（随机跑）加速度时程
本项目从落成到投入使用，收到了业主单位的好评和良好的社会反馈，并获得了集团2022年度优秀工程设计建筑结构与抗震设计专项一等奖。
本项目的探索实践，为当下老旧城区拥挤空间内的老校园功能提升改造设计探索出了一条高效、切实可行的技术路径，也为同类项目积累了丰富的数据经验和实操经验，真正实现了“用技术向老旧城区要空间”。
田径场建成实景效果
云南省设计院集团有限公司
第三建筑设计研究院供稿
