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北京奧運(yùn)場(chǎng)館的空間結(jié)構(gòu)

作者：鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-23 10:03:10 [收藏]


    　　當(dāng)世界邁入21世紀(jì)，回顧人類發(fā)展的歷史，我們可以發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是其活動(dòng)空間的不斷改善與擴(kuò)充。在各種交流活動(dòng)中，體育比賽無疑是一種最激動(dòng)人心的方式。奧林匹克體育競(jìng)賽館、世界杯足球比賽場(chǎng)……在世界各地崛起；學(xué)術(shù)、文化、藝術(shù)與商業(yè)上的交流等活動(dòng)也促使一些大城市建成了規(guī)模龐大的會(huì)議展覽中心。因此，大跨度、多功能、形狀復(fù)雜、技術(shù)要求高的現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的建筑及其新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并在國(guó)內(nèi)外迅猛發(fā)展。

    　　認(rèn)識(shí)現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)

    　　空間結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)的形態(tài)呈三維狀態(tài)，在荷載作用下具有三維受力特性并呈現(xiàn)空間工作的結(jié)構(gòu)。例如平板網(wǎng)架、網(wǎng)殼以及懸索結(jié)構(gòu)等空間結(jié)構(gòu)在我國(guó)都得到了廣泛應(yīng)用，已為人們所熟悉。從國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐來看，包括奧運(yùn)場(chǎng)館在內(nèi)的大跨度建筑多數(shù)采用各種形式的空間結(jié)構(gòu)體系。現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的形式十分豐富多彩，大體上可分為如下基本類型：

    　?。?）鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)；
    　?。?）空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，包括各種形式的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；
    　　（3）張力結(jié)構(gòu)，包括各種形式的懸索結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)構(gòu)或索－膜結(jié)構(gòu)；
    　?。?）混合結(jié)構(gòu)，由剛性構(gòu)件和柔性索組合而成的一類結(jié)構(gòu)形式，如各種形式的張弦結(jié)構(gòu)、斜拉結(jié)構(gòu)等。

    　　目前空間結(jié)構(gòu)向著輕量、大跨方向發(fā)展，這種發(fā)展趨勢(shì)要求必須千方百計(jì)降低結(jié)構(gòu)自重。降低結(jié)構(gòu)自重的途徑一方面是研制運(yùn)用輕質(zhì)高強(qiáng)度新型建筑材料，另一方面是研究開發(fā)合理的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)受拉部位采用膜材或鋼索，受壓部分采用鋼或鋁合金構(gòu)件，這樣膜、索、桿相結(jié)合使用，形成雜交結(jié)構(gòu)，可望實(shí)現(xiàn)理想的輕量大跨結(jié)構(gòu)。

    　　新建奧運(yùn)場(chǎng)館結(jié)構(gòu)形式概覽

    　　2008年北京奧運(yùn)會(huì)使中國(guó)人前所未有地近距離感受到奧林匹克的氣息，也為中國(guó)大跨空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了廣闊舞臺(tái)。經(jīng)過近5年的緊張籌備與建設(shè)，如今奧運(yùn)場(chǎng)館已成功投入使用。系統(tǒng)地總結(jié)這些場(chǎng)館建設(shè)中所采用的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念和自主創(chuàng)新技術(shù)，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)空間結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要作用。

    　　應(yīng)該說，這些奧運(yùn)場(chǎng)館建設(shè)反映了我國(guó)大跨空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的最高水平，其中所蘊(yùn)含的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，所采用的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式以及所開發(fā)的新材料、新技術(shù)、新方法，對(duì)于我國(guó)空間結(jié)構(gòu)發(fā)展有十分重要的借鑒意義。

    　　典型空間結(jié)構(gòu)

    　　仿生式網(wǎng)格結(jié)構(gòu)――國(guó)家體育場(chǎng)

    　　國(guó)家體育場(chǎng)的“鳥巢”建筑方案是經(jīng)全球設(shè)計(jì)競(jìng)賽招標(biāo)，并經(jīng)專家評(píng)審和公眾投票后，在13個(gè)方案中脫穎而出的?！傍B巢”的外墻面為橢圓錐面，內(nèi)墻面為橢圓柱面，屋面為馬鞍形，是圓環(huán)體內(nèi)側(cè)表面的一部分；屋頂內(nèi)外表面相互平行，相距12m；屋面與外墻面通過半徑為8m的圓弧連接。構(gòu)成的巨大橢圓體長(zhǎng)軸332.3m，短軸296.4m，最高點(diǎn)高度為68.5m。體育場(chǎng)中央開有185.3m×127.5m 的橢圓孔。主體鋼結(jié)構(gòu)由24榀格構(gòu)式剛架組成，它們繞著中央橢圓孔相互交叉布置，形成復(fù)雜而規(guī)律的空間網(wǎng)格體系。在此基礎(chǔ)上，加上以隨機(jī)方式布置的次構(gòu)件，最終形成了“雜亂無章”卻顯得十分自然，宛如金屬樹枝編織而成的巨大鳥巢。單純從結(jié)構(gòu)角度看，將格構(gòu)式剛架用于如此大的跨度并不十分理想，其梁柱連接部位及跨中部位受力均較大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)用鋼量過大，也使結(jié)構(gòu)永久荷載所占比例過高。因此在2004年曾對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行過一次調(diào)整，即取消了原有的可開啟屋蓋，并相應(yīng)擴(kuò)大了屋頂開口；這樣調(diào)整仍然保持了“鳥巢”的設(shè)計(jì)理念，但用鋼量減少了22.3％，相應(yīng)也提高了結(jié)構(gòu)的安全性。“鳥巢”現(xiàn)在建成了，它那具有震撼力的獨(dú)特建筑造型在國(guó)內(nèi)外引起巨大反響?？傊?，這種建筑與結(jié)構(gòu)渾然一體，貌似無序的自由編織而成的結(jié)構(gòu)體系不僅為國(guó)家體育場(chǎng)提供了新穎的建筑造型，也為大跨空間結(jié)構(gòu)家族增添了一個(gè)富于個(gè)性的新成員。

    　　多面體空間網(wǎng)架――國(guó)家游泳中心

    　　國(guó)家游泳中心的“水立方”建筑方案是經(jīng)全球設(shè)計(jì)競(jìng)賽招標(biāo)，并經(jīng)專家評(píng)審和公眾投票后，在10個(gè)方案中脫穎而出的。“水立方”的設(shè)計(jì)理念可以概括為“方盒子”和“水分子”兩個(gè)概念：其主體結(jié)構(gòu)由一種新穎的平板網(wǎng)架圍成方盒子形狀，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)則由形狀、大小各異的許多ETFE薄膜氣枕組成，就像許多晶瑩剔透的“水泡泡”或“水分子”，形成的建筑形象十分新穎獨(dú)特，令人神往。此外，從奧林匹克公園總體規(guī)劃來看，“水立方”與“鳥巢”比鄰，一方一圓，一柔一剛，相互呼應(yīng)，形成十分美妙的對(duì)比，體現(xiàn)了中國(guó)傳統(tǒng)文化中“天圓地方”的理念。

    　　“水立方”的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案就是以經(jīng)過適當(dāng)改良的W-P模型為基礎(chǔ)，以多面體的棱為實(shí)體構(gòu)件，形成由空心多面體單元構(gòu)成的空間網(wǎng)格體系，再以適當(dāng)?shù)慕嵌冗M(jìn)行平面切割，形成平板狀的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，以之作為“水立方”的屋頂和墻體的承重結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)體系新穎、獨(dú)特，其不規(guī)則的復(fù)雜形體其實(shí)是由相對(duì)簡(jiǎn)單的元素經(jīng)多次重復(fù)形成的，這是空間結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)的杰出創(chuàng)新?！八⒎健钡膰o(hù)結(jié)構(gòu)由內(nèi)外兩層ETFE氣枕組成，每層氣枕包含3~4層ETFE膜。整個(gè)建筑共包含3700多個(gè)ETFE氣枕，覆蓋面積達(dá)10×104m2 ，是世界上最大的ETFE工程。其ETFE氣枕的基本單元投影平面為不規(guī)則多邊形，它們大小不一，形狀各異，最大的直徑近9m，最小的直徑則不足1m?！八⒎健蓖鈱託庹淼膬?nèi)層膜和內(nèi)層氣枕的外層膜上都鍍著密度不等的小鍍點(diǎn)，以控制膜的透光度，達(dá)到隔熱散光的效果。

    　　張弦結(jié)構(gòu)體系

    　　平面的張弦結(jié)構(gòu)是以剛性構(gòu)件（通常為格構(gòu)式或?qū)嵏故降墓盎蛄海樯舷遥匀嵝缘摹跋摇保ㄍǔ楦邚?qiáng)索）為下弦，并通過豎向撐桿連成一體的新型混合體系?？墒┘舆m當(dāng)預(yù)應(yīng)力使體系繃緊，猶如一張拉緊的弓，故稱為張弦結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)體系的原意是用張緊的“弦”來加強(qiáng)上弦的梁或拱，其自重相對(duì)較輕，且可通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力對(duì)受力性能進(jìn)行優(yōu)化，因而具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。當(dāng)上弦為網(wǎng)殼或雙向交叉桁架等空間體系時(shí)，可以通過加設(shè)下弦索和豎向撐桿來進(jìn)行加強(qiáng)，形成空間的張弦結(jié)構(gòu)。

    　　張弦結(jié)構(gòu)是近期在空間結(jié)構(gòu)方面的重要?jiǎng)?chuàng)新形式。我國(guó)1997年建成的上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓首次將平面張弦結(jié)構(gòu)應(yīng)用于大跨度建筑中，其最大跨度為82.6m；之后建成的廣州國(guó)際會(huì)展中心（跨度126.5m）、深圳會(huì)展中心（跨度124m）和哈爾濱會(huì)展中心（跨度128m），也都采用了類似的結(jié)構(gòu)形式。相比之下，此前的工程中各種形式的空間張弦結(jié)構(gòu)應(yīng)用還比較少；此次奧運(yùn)場(chǎng)館建設(shè)則在這方面取得了重大突破。

    　　國(guó)家體育館屋蓋呈波浪形，南北長(zhǎng)144m，東西寬114m，采用雙向正交張弦結(jié)構(gòu)，是目前世界上跨度最大的雙向張弦結(jié)構(gòu)。北京工業(yè)大學(xué)體育館（奧運(yùn)會(huì)羽毛球館）采用凈跨度為93m 的弦支聯(lián)方型球面網(wǎng)殼，是目前世界上跨度最大的弦支網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。北京大學(xué)體育館（奧運(yùn)會(huì)乒乓球館）的矩形屋蓋采用由中央球面網(wǎng)殼與兩條螺旋形屋脊構(gòu)成的復(fù)雜曲面造型，平面投影93.2m×72m，凈跨度為80m ×64m，采用了一種較為特殊的弦支網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)――由一系列按輻射方向布置的張弦桁架再加上環(huán)向豎直支撐和屋面水平支撐組成，或可稱之為矩形平面弦支肋環(huán)型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。

    　　國(guó)家體育館、北京工業(yè)大學(xué)體育館、北京大學(xué)體育館不約而同地采用了不同形式的空間張弦結(jié)構(gòu)，說明這種輕盈優(yōu)美、受力合理、用材經(jīng)濟(jì)的新型空間結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)成為大跨度建筑結(jié)構(gòu)方案的合理選擇，也反映了建筑師試圖以一種更為理性的方式來貫徹“適用、經(jīng)濟(jì)、美觀” 的設(shè)計(jì)原則。

    　　2008北京奧運(yùn)場(chǎng)館種類多樣，規(guī)模各異，為中外杰出建筑師和工程師的創(chuàng)新思維提供了廣闊舞臺(tái)，從而創(chuàng)造出了豐富多彩又富有特點(diǎn)的一批優(yōu)秀體育建筑。建筑師在所有場(chǎng)館設(shè)計(jì)中均努力貫徹“適用、經(jīng)濟(jì)、美觀”的設(shè)計(jì)原則，并以“人文奧運(yùn)、科技奧運(yùn)、綠色奧運(yùn)”三大理念作為指導(dǎo)方針。與此同時(shí)，針對(duì)少數(shù)有代表性的重要場(chǎng)館，更多地重視和強(qiáng)調(diào)其新穎性和標(biāo)志性，突出了創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念與現(xiàn)代奧林匹克精神的有機(jī)融合。這樣，不同的場(chǎng)館就具有不同的特點(diǎn)，顯示了既有共性又有差異的各種設(shè)計(jì)理念。正是這種不同設(shè)計(jì)理念的碰撞和交融，使這些奧運(yùn)場(chǎng)館建筑異彩紛呈。
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