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關于國家體育場的設計

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:46:58 [收藏]

    國家體育場處在北京的南北中軸線向北延伸到奧林匹克公園中心區的位置，上午的時候朱院長把整個公園的情況已經介紹了。
    在公園里面有幾個重要的場館，我們所說的三個比較重要的場館：國家體育場、國家游泳中心以及國家體育館，國家體育場里面體積最龐大，也是最重要的場館。從北京中軸線的南側向北看到的情景，可以看到水立方和鳥巢在中軸線的兩側。
    這是國家體育場的總平面，可以看到占地是不規則的性準，東側就是人工水系，西面就是中軸線上的景觀達到，之后再西側就是水立方。在鳥巢整個設計里面有兩個最主要的組成部分，一部分是我們現在看到的建筑的主體，也就是隆起來的建筑主體，這是一個南北長333米，東西寬298米的橢圓形。另外一部分就是布滿整個建筑用地的基座，這個基座把整個基地鋪滿，形成從四圍向中間隆起的局面，把四面八方的觀眾引導到中間最高的主體。在中間的基座下面容納了體育場各種復雜的功能，比如說貴賓、媒體、運動員、安保人員、內部管理人員等等。在基座里面同時還容納了一些為體育場賽后運營所需要的商業空間，有接近三萬平米的商業空間，這也在基座里面。
    在基座以上就是建筑的主體，這主要是作為觀眾的出入口。這可以看出來下面基座和主體的關系。這是國家體育場07年4月份的情況，可以看到建筑主體基本上完成，周邊的基座下面的設施正在施工的情況，可以看到左側還是一個大的深坑，這里面就是預留的商業空間位置。
    這是國家體育場剖面圖，上面是東西剖面，下面是南北剖面，從剖面圖上可以看到體育場建筑主體構成的關系。里面有一個看臺，我們叫碗型看臺，東西方向高起來，南北方向低下去的形狀。看臺后面的空間叫集散大廳，這是作為觀眾集散停留的空間，集散大廳和看臺是由混凝土結構支撐的，在集散大廳之外是支撐體育場的屋頂，以及把集散大廳包裹起來，這個是由鋼結構造成的，這也就是我們看到的體育場外觀。
    鋼結構和前面提到的支撐看臺的混凝土結構兩者在結合上是相互脫離的，當然也可以從剖面圖深看到基座和覆蓋的地下空間。這是體育場的屋頂平面圖，這個屋頂平面可以看到外輪廓是橢圓形，內部中間開口位置，也就是比賽場地上方的開口尺寸是南北方向182米，東西方向124米，也是一個橢圓形狀。
    這是整個體育場看臺的平面，包括看臺外側的鋼結構平面的形狀。看臺大約是半徑142米的圓形，從看臺的布置也可以看出來東西方向看臺座位數容納比較多，南北方向容納相對比較少的。
    體育場一層平面，從一層平面可以看到在一層觀眾集散大廳里面有24組服務盒，每一組服務盒里面有觀眾緊急疏散的電梯、樓梯，以及大量的衛生間，還有冷飲、快餐之類的觀眾服務設施。在服務盒之間是以不同分區命名的觀眾集散區，這是最初的體育場立面模型，我們整個設計過程持續了將近六年。分成這樣幾個大的階段，一個是競賽，也就是概念設計階段，這是2002年12月到2003年4月，之后由設計聯合體完成的方案中標。2003年完成了方案設計，到2004年3月份完成第一次初步設計，再之后出現了體育場的瘦身過程。這個過程里面先有一個局部的停工，同時設計進行比較大的修改，這個修改需要重新進行初步設計的工作，這個工作到2004年11月份完成，從2004年12月工程重新開工，同時也進行轉入全面的施工圖設計階段，到2005年6月30日分批完成交付給施工單位。05年下半年一直到08年6月份是全面施工的配合階段。
    體育場有幾個很重要的理念，第一個叫回歸體育競賽和觀賽為本的體育場設計。我們看第一屆現代奧運會的體育場，就是雅典大理石體育場，我們可以看到這個體育場只有竟技場和看臺，并沒有很多現在看到體育場復雜的東西。我們認為人類建造體育場的目的就是競技和關上競技，設計本質就是營造最好的賽場氣氛，讓競技者和觀眾達到很好的狀態。
    設計最開始的起點用了很大精力和時間推敲看臺的設計，奧運會時候容納91000人的看臺，這個看臺特征投影是142米圓形，但是在三維形狀上來看又是一個南北方向低，東西方向高邊遠起伏的巨大碗形，這樣看臺既適應了體育場觀看比賽的視線方面的均衡。比如說東西方面觀眾視線是優于南北方向，布置的觀眾人數比較多，看臺自然的就高起來，而南北方向則相反就是低下去的形狀，不僅是視線防線均衡，同時這樣碗形看臺更接近古代人類最高的竟技場，像羅馬的竟技場是很古典的環圍的看臺的形狀，他可以讓運動員感受到所有觀眾的包圍和注視，讓它有非常好的競技狀態。同時觀眾和觀眾身體聯系在一起，也會有互相的影響，跟賽場運動員有一個很好的互動，這樣會形成很熱烈的賽場氣氛，這是一個體育場的根本。
    賽場內看臺和竟技場關系之間的視覺效果。這是一個實際的體育場內景照片，這個是拍在體育場比賽之前，我們在電視上看到這個體育場開閉幕式和比賽之間看臺和賽場是這樣一個互動關系，會更加的生動。
    體育場基本概念構成非常的簡單，首先有一個碗形的看臺，外面有一個外罩，這個外罩是由屋頂和外面鋼結構構成。這個外罩形狀也是順應了碗形看臺形狀，也是東西高，南北低馬鞍形，扣在一起兩者加起來就構成了鳥巢似的體育場。
    這是兩個模型的比較，左邊是在概念設計階段，就是競賽時候提交的體育場模型，右邊是經過修改的體育場模型。可以看到最大的變化，原來競賽的時候要求屋頂上有一個可移動屋頂，因為造價壓縮原因被取消了。同時比賽上方屋頂開口取消了，所以開口擴大成更大的橢圓形。同時可以看到，在兩個模型的比較，前面競賽階段的模型鋼結構構建密度在修改之后被大大降低，變成更合適的結構構建的密度。
    建筑基本的概念：看臺、鋼結構外罩的關系，以及構成的規律是沒有變化的。這個體育場里面也有一些特點，設計的邏輯和理念是不斷在延伸建筑每一個方面，設計的每一個方面甚至到細節里面。一個比較突出的一點，景觀的設計是編織結構邏輯的延伸，這個延伸體現在景觀基座上人行道構成的方式，形成一個很統一，很完善的整體建筑和環境的空間。
    結構和外觀的一體化設計。結構設計最開始就納入到跟建筑設計形狀的推敲，建筑外感的設計納入到一體的思考中來。這是由24根主柱和48根旁架梁編織而成，可以看到主結構生成的規律。主結構之外又加入了放射狀的次結構，以及從立面到樓梯的結構，最后構成了我們主次結構疊加之后的建筑結構，同時也就構成了整個建筑外觀的效果。
    把建筑的形式和結構統一在一起的設計帶來的挑戰是對于施工技術和施工控制的挑戰，通常來講結構是隱藏在建筑內部，這是沒有裝飾作用的。在這個設計里面不僅要完成結構受力的要求，另外直接也要變成對建筑形式的塑造。在施工過程以前的基礎設計，施工圖設計，鋼結構的加工、安裝，甚至細微到焊縫外觀的質量都需要非常嚴密的控制，才能夠完成既定的結構和外觀統一的效果。因為這樣一個要求，建筑師、結構工程師以及相關鋼結構加工廠的技術人員和工人都付出了很大的努力才達到了這樣的要求。
    鋼結構在大學實驗室里面，在施工圖設計過程中對關鍵的節點和實驗進行測試的效果，上面兩張圖是縮小的剛結構構建實驗的狀況，下面兩張圖是鋼結構構建在工廠里面進行加工的情況。這是在浙江工廠里面其中一根體育場鋼結構主柱情況，在工廠里面進行預拼裝。所有鋼結構構建都是在工廠里面進行加工，進行預拼裝，檢測誤差達到合乎要求之后分解運到北京現場來，然后在北京現場組裝焊接，首先在地面焊接組裝成相對大塊構建，之后用重型吊車把構建安裝到預定的位置。這是體育場第一根主柱結構下半部分進行現場安裝的狀況，這是一個歷史性的時刻。
    這張圖片可以看到里面混凝土看臺和外面鋼結構施工的情況，鋼結構首先分塊進行施工，需要在整體完成之前要有很多臨時支撐的塔架。這是鋼結構次結構構建，在現場等待安裝的圖片。
    體育場鋼結構形成一種鏤空的外觀效果，當人們在體育場外面看體育場的時候是那樣一個效果，當人們身在體育場之中，透過網格看外面的時候又是另外一個效果。這像中國古建筑和園林里面漏窗一樣的效果。
    這是鋼結構上組合的里面大樓梯，他把觀眾從地面帶到上面看臺，地面大樓梯也是鋼結構的一個組成部分。這是地面大樓梯和里面混凝土結構支撐的看臺，以及看臺下面集散大廳空間的情況，這是接近完工的地面大樓梯和集散大廳的情況。
    這個體育場里面除了鋼結構之外，我們還有一種膜結構引入設計里面，這個膜結構是固定在鋼結構上面。一類是鑲嵌在鋼結構屋頂上旋透明的ETME膜結構，這個材料跟國家游泳中心膜結構材料是一致的，但是構造上是不同的。另外一層膜結構是固定在屋頂下版面辦透明的PDSE膜結構，這起到吸聲，以及遮蔽屋頂里面的設備，使得陽光通過又不因為透過陽光鋼結構在場地面上形成很大的陰影，這個膜可以起到這樣的作用。
    這個設計上使用了三維設計方法，跟我們通常設計使用的方法和工具有所不同。這個體育場里面都空間化，三維化，我們以往工具不能夠完成這個設計任務，所以這個設計工作里面引入了一種軟件，在這個軟件的環境里面可以把體育場模型精確的在計算機里面建立起來，建筑師為這個模型推敲細部。由于模型可以提供一個非常準確的，而且可變可調的精密的環境，所以可以實現最后模型完成，以及完成所有推敲設計之后，這個模型可以進行精確的空間坐標的讀取。這一點對于設計師是非常關鍵的，因為這關系到體育場是不是能夠被精確的建造起來。
    在三維模式里面建立的立面大樓梯和結構構建，這是真實的建筑空間。這是在模型里面，這個是在實際的空間里面。這是模型里面的鋼結構，這是真實的鋼結構。這是一些局部的節點，這是連接大樓梯和集散廳緊急疏散橋的細節。這是一個很復雜結構的節點，只有在模型里面才能夠真正精確的設計出來。這是其中一根，這是一個彎扭，這個構建在模型建立起來之后，我們通過模型可以讀取到很多空間坐標，這些可以被鋼結構加工廠還原成鋼板下料圖紙，變成相應的裁切鋼板，然后焊接成彎扭的鋼結構。
    這個體育場設計里面使用了基于計算機模擬技術的安全疏散體系，這是一個很龐大的體育場，9.1萬人如何在有限時間里面安全、快速的撤離，離開體育場，這是一個很重要的課題。這是上層看臺觀眾疏散的路線，這是中層看臺觀眾疏散的路線，這是下層看臺疏散的路線。我們利用計算機模擬技術在計算機里面精確的建立起體育場的模型，把所有的觀眾輸入這個模型，然后真實的通過計時器模擬觀眾疏散的情況。在模擬的軟件里面也會輸入相應的參數，比如說觀眾走步的頻率，他的速率，還有一些特別的狀況，可能有一些人夾三，可能有一些人先跑到一個出口，覺得人多了又跑道另外一個出口等等這樣一個參數放到模擬工具里面。
    這個模擬工具最重要驗證的目標就是疏散八分鐘原則，這個據我所知是在國內大型體育場安全疏散時間計算體系里面首次被引用，以往大型體育場設計疏散時間，我們只關注最后一位觀眾從離開坐席到室外地面的整體時間。比如說在廣州和上海體育場，他們大概十二、三分鐘整體疏散時間，但是國際體育場設計通常原則有八分鐘的概念，也就是在八分鐘之內觀眾如果能夠疏散到安全的地帶，他會實現有序的心里狀態下的疏散，超過八分鐘觀眾就會有一些焦急不安的心態，這會影響到疏散，甚至會發生一些安全的事故。所以在體育場設計里面，我們通過一個集散大廳安全區的方式，來實現了八分鐘的原則。體育場有上中下三層看臺，每一層看臺都有一個或兩個對應的集散打廳，這個是完全開場的，但是不是完全的體育場里面，這里面所有的火災可控，這可以看作安全區，看臺上所有觀眾控制他的疏散時間首先是八分鐘之內到達看臺對應的集散大廳安全區，之后通過各自的樓梯疏散到完全的室外地面。國家體育場的疏散時間有兩個，一個是八分鐘是不是可以到達安全區，一個是退場以往的總的疏散時間。
    怎么來測驗是不是八分鐘，我們使用了計算機模擬技術。前面這個是中下層看臺模擬圖，右上角是不同的人，多少人在不同空間里面描述。左上角是一個計時器，計算機給一個指令觀眾開始疏散的時候計時器同時在計時的，直到所有觀眾離開看臺，計時器會有時間技術，來檢測是不是滿足八分鐘要求，如果滿足結構就合理，如果不能滿足我們就修整設計里面的一些情況。比如說安全出口是不是要擴大，觀眾疏散的路徑是不是有障礙等等，直到所有的贛中疏散都能夠滿足八分鐘原則的要求，這是上層看臺模擬的狀況。
    最后體育場模擬結果還是非常理想，上中下三層看臺八分鐘原則都可以滿足，同時整個體育場9.1萬人全部離開體育場到達室外，我們模擬時間是13分鐘，這個指標對于9.1萬人體育場來說也是很不容易的。實際的觀察當中，因為體育場實際過程中疏散更復雜一點。比如說不是所有觀眾在滿場狀態下離開，有一些在表演過程當中離開，大部分是在完全結束離開，這種狀況下我們觀察上成看臺，他們大概在6分半到七分鐘就可以完全離開了，當然沒有非常精確或者實際理想狀態的檢測。從實際奧運會整個過程檢驗來看，體育場的疏散系統還是比較令人滿意的。
    2005年1月20日復工的時候基礎照片，這是在施工過程當中混凝土結構。鋼結構主結構開始施工，鋼結構到2006年10月份全部完成，在9月17日整個鋼結構自主受力成功。
    這是整個奧林匹克公園全景，這是國家體育場，這是冬天的時候一張從北向南俯瞰的照片，這是景觀廣場，這是在水邊的夜景，這是正西面貴賓出入口和體育場正西方向晚上的情況。可以很清楚的看到鋼結構碗形看臺的形狀。
    這是西面主入口，這是立面大樓梯，這是集散大廳，這是里面的看臺，這是整個看臺全景的空間，這是貴賓區的自動扶梯，自動扶梯的內部。這是我們在體育場第三層，有一整層全部是餐廳空間，大概有一萬平米，這跟基座一起成為奧運會賽后很重要的組成部分。這是體育場一部分帶空調空間的幕墻，這是幕墻上面印刷的圖案，這是在景觀基座上鋪地石材的圖案，這還是整個奧運會公園。好謝謝大家！



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