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北京奧運場館的空間結構

作者：鋼結構網    
時間：2009-12-23 10:03:10 [收藏]


    　　當世界邁入21世紀，回顧人類發展的歷史，我們可以發現其中一個顯著的特點就是其活動空間的不斷改善與擴充。在各種交流活動中，體育比賽無疑是一種最激動人心的方式。奧林匹克體育競賽館、世界杯足球比賽場……在世界各地崛起；學術、文化、藝術與商業上的交流等活動也促使一些大城市建成了規模龐大的會議展覽中心。因此，大跨度、多功能、形狀復雜、技術要求高的現代空間結構的建筑及其新技術應運而生，并在國內外迅猛發展。

    　　認識現代空間結構

    　　空間結構是指結構的形態呈三維狀態，在荷載作用下具有三維受力特性并呈現空間工作的結構。例如平板網架、網殼以及懸索結構等空間結構在我國都得到了廣泛應用，已為人們所熟悉。從國內外工程實踐來看，包括奧運場館在內的大跨度建筑多數采用各種形式的空間結構體系?，F代空間結構的形式十分豐富多彩，大體上可分為如下基本類型：

    　?。?）鋼筋混凝土薄殼結構；
    　?。?）空間網格結構，包括各種形式的網架結構、網殼結構；
    　?。?）張力結構，包括各種形式的懸索結構、薄膜結構或索－膜結構；
    　?。?）混合結構，由剛性構件和柔性索組合而成的一類結構形式，如各種形式的張弦結構、斜拉結構等。

    　　目前空間結構向著輕量、大跨方向發展，這種發展趨勢要求必須千方百計降低結構自重。降低結構自重的途徑一方面是研制運用輕質高強度新型建筑材料，另一方面是研究開發合理的結構形式。結構受拉部位采用膜材或鋼索，受壓部分采用鋼或鋁合金構件，這樣膜、索、桿相結合使用，形成雜交結構，可望實現理想的輕量大跨結構。

    　　新建奧運場館結構形式概覽

    　　2008年北京奧運會使中國人前所未有地近距離感受到奧林匹克的氣息，也為中國大跨空間結構的發展提供了廣闊舞臺。經過近5年的緊張籌備與建設，如今奧運場館已成功投入使用。系統地總結這些場館建設中所采用的先進設計理念和自主創新技術，對于推動我國空間結構的進一步發展具有重要作用。

    　　應該說，這些奧運場館建設反映了我國大跨空間結構發展的最高水平，其中所蘊含的先進設計理念，所采用的創新結構形式以及所開發的新材料、新技術、新方法，對于我國空間結構發展有十分重要的借鑒意義。

    　　典型空間結構

    　　仿生式網格結構――國家體育場

    　　國家體育場的“鳥巢”建筑方案是經全球設計競賽招標，并經專家評審和公眾投票后，在13個方案中脫穎而出的。“鳥巢”的外墻面為橢圓錐面，內墻面為橢圓柱面，屋面為馬鞍形，是圓環體內側表面的一部分；屋頂內外表面相互平行，相距12m；屋面與外墻面通過半徑為8m的圓弧連接。構成的巨大橢圓體長軸332.3m，短軸296.4m，最高點高度為68.5m。體育場中央開有185.3m×127.5m 的橢圓孔。主體鋼結構由24榀格構式剛架組成，它們繞著中央橢圓孔相互交叉布置，形成復雜而規律的空間網格體系。在此基礎上，加上以隨機方式布置的次構件，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。單純從結構角度看，將格構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，導致結構用鋼量過大，也使結構永久荷載所占比例過高。因此在2004年曾對設計方案進行過一次調整，即取消了原有的可開啟屋蓋，并相應擴大了屋頂開口；這樣調整仍然保持了“鳥巢”的設計理念，但用鋼量減少了22.3％，相應也提高了結構的安全性?！傍B巢”現在建成了，它那具有震撼力的獨特建筑造型在國內外引起巨大反響。總之，這種建筑與結構渾然一體，貌似無序的自由編織而成的結構體系不僅為國家體育場提供了新穎的建筑造型，也為大跨空間結構家族增添了一個富于個性的新成員。

    　　多面體空間網架――國家游泳中心

    　　國家游泳中心的“水立方”建筑方案是經全球設計競賽招標，并經專家評審和公眾投票后，在10個方案中脫穎而出的?！八⒎健钡脑O計理念可以概括為“方盒子”和“水分子”兩個概念：其主體結構由一種新穎的平板網架圍成方盒子形狀，其圍護結構則由形狀、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特，令人神往。此外，從奧林匹克公園總體規劃來看，“水立方”與“鳥巢”比鄰，一方一圓，一柔一剛，相互呼應，形成十分美妙的對比，體現了中國傳統文化中“天圓地方”的理念。

    　　“水立方”的鋼結構設計方案就是以經過適當改良的W-P模型為基礎，以多面體的棱為實體構件，形成由空心多面體單元構成的空間網格體系，再以適當的角度進行平面切割，形成平板狀的網格結構，以之作為“水立方”的屋頂和墻體的承重結構。這種結構體系新穎、獨特，其不規則的復雜形體其實是由相對簡單的元素經多次重復形成的，這是空間結構形態學的杰出創新?！八⒎健钡膰o結構由內外兩層ETFE氣枕組成，每層氣枕包含3~4層ETFE膜。整個建筑共包含3700多個ETFE氣枕，覆蓋面積達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健蓖鈱託庹淼膬葘幽ず蛢葘託庹淼耐鈱幽ど隙煎冎芏炔坏鹊男″凕c，以控制膜的透光度，達到隔熱散光的效果。

    　　張弦結構體系

    　　平面的張弦結構是以剛性構件（通常為格構式或實腹式的拱或梁）為上弦，以柔性的“弦”（通常為高強索）為下弦，并通過豎向撐桿連成一體的新型混合體系?？墒┘舆m當預應力使體系繃緊，猶如一張拉緊的弓，故稱為張弦結構。這種結構體系的原意是用張緊的“弦”來加強上弦的梁或拱，其自重相對較輕，且可通過調整預應力對受力性能進行優化，因而具有較好的技術經濟性能。當上弦為網殼或雙向交叉桁架等空間體系時，可以通過加設下弦索和豎向撐桿來進行加強，形成空間的張弦結構。

    　　張弦結構是近期在空間結構方面的重要創新形式。我國1997年建成的上海浦東國際機場候機樓首次將平面張弦結構應用于大跨度建筑中，其最大跨度為82.6m；之后建成的廣州國際會展中心（跨度126.5m）、深圳會展中心（跨度124m）和哈爾濱會展中心（跨度128m），也都采用了類似的結構形式。相比之下，此前的工程中各種形式的空間張弦結構應用還比較少；此次奧運場館建設則在這方面取得了重大突破。

    　　國家體育館屋蓋呈波浪形，南北長144m，東西寬114m，采用雙向正交張弦結構，是目前世界上跨度最大的雙向張弦結構。北京工業大學體育館（奧運會羽毛球館）采用凈跨度為93m 的弦支聯方型球面網殼，是目前世界上跨度最大的弦支網殼結構。北京大學體育館（奧運會乒乓球館）的矩形屋蓋采用由中央球面網殼與兩條螺旋形屋脊構成的復雜曲面造型，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殼結構――由一系列按輻射方向布置的張弦桁架再加上環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型網殼結構。

    　　國家體育館、北京工業大學體育館、北京大學體育館不約而同地采用了不同形式的空間張弦結構，說明這種輕盈優美、受力合理、用材經濟的新型空間結構形式已經成為大跨度建筑結構方案的合理選擇，也反映了建筑師試圖以一種更為理性的方式來貫徹“適用、經濟、美觀” 的設計原則。

    　　2008北京奧運場館種類多樣，規模各異，為中外杰出建筑師和工程師的創新思維提供了廣闊舞臺，從而創造出了豐富多彩又富有特點的一批優秀體育建筑。建筑師在所有場館設計中均努力貫徹“適用、經濟、美觀”的設計原則，并以“人文奧運、科技奧運、綠色奧運”三大理念作為指導方針。與此同時，針對少數有代表性的重要場館，更多地重視和強調其新穎性和標志性，突出了創新設計理念與現代奧林匹克精神的有機融合。這樣，不同的場館就具有不同的特點，顯示了既有共性又有差異的各種設計理念。正是這種不同設計理念的碰撞和交融，使這些奧運場館建筑異彩紛呈。
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