鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘要：本文合撰原創體育建筑與挑戰性鋼結構之“美”與“力”，嘗試“創新”，概要綜述了深圳大運中心設計國際競賽的7個原創方案的專家評審遴選、優勝實施方案確定、方案調整；歸納介紹了國際頂尖主創建筑師的“原創設計理念”、技術專家意見和院士大師點評意見。著重介紹了挑戰性鋼結構的概念設計，用最精簡的語言和最淺顯的道理，解說理念之源；用最基礎的結構力學原理，系統闡述結構體系的可行性，指出其精髓所在。本文還介紹了實施方案的執行情況，如結構試驗研究、設計建造、及結構技術水平等。
關鍵詞：失重 原創 水晶 體育建筑 挑戰性鋼結構 單層折面 空間網格結構
1 引述
“重力，其統治性的原則為建筑學提供了一個普適的價值基礎。
建筑形式的本質是抵抗重力。
重力是不變的，回應重力的方式是多樣的[1]。”
失重[1]是建筑與結構、美與力的統一哲理，詮釋著建筑師“創新性（原創性）”建筑方案，蘊藏著挑戰性結構“失重課題”。“失重”即“原創性”，亦“挑戰性”。
深圳市世界大學生運動會體育中心（簡稱：“深圳大運中心”，圖1）為 2011年第二十六屆世界大學生運動會而興建。其建筑設計方案，是2006年邀請7個國際頂尖建筑設計團隊競賽，全國院士大師評審，脫穎而出的兩個優勝方案之一。其中一個為國外方案，一個為國內—我們深圳自己的方案。兩個優勝方案總圖布局合理，原創性強，國際一流，純凈統一，造型新穎，與結構結合完美，體現地域特色和體育精神，富有時代氣質和綠色環保節能特性。
圖1 基本建成的深圳大運中心場館(失重體育建筑)
實施建成的深圳大運中心建筑結構為鋼結構。體育場鋼結構（單層折面空間網格結構）設計極具挑戰性，設計水平達到“總體國際先進，結構體系等方面處于國際領先”，榮獲2011中國鋼結構金獎（國家優質工程）。
“災難的遺產[2]”源自“失敗乃成功之母”的哲理。競賽刺激，競賽殘酷，競賽孕育價值。優勝兩個，實施其一，落選的其他方案仍是珍寶，何況得到國際好評的大型國際競賽成果，其原創性亦有兩個優勝方案般的普適價值。
將“失重體育建筑與挑戰性鋼結構”之“美”與“力”合文，建筑競賽者與技術評審專家合撰，附競賽者名錄，編排特殊，權屬明示，嘗試“創新”。將7個競賽的原創建筑結構方案，連同國際頂尖主創建筑師的“原創闡述”、院士大師專家教授的珍貴點評意見，以及成功評審的方法，用最精簡的語言最淺顯的道理，全面介紹給同行，回饋給競賽者、評審者、組織者、深圳市政府和市民，介紹給社會，讓這一國際競賽成果的參考價值最大化，了卻多年的心愿。
2 場地與規模
深圳大運中心位于深圳市北部龍崗區奧體新城（圖2）東部（圖3）。規劃場地（圖4）南邊龍翔大道南側緊鄰神仙嶺小山脈，南部西側融合神仙嶺的深入，西北方向相望銅鼓嶺，東北方向望見一小山脈。場地的東北角為高教會館新址。方案設計國際競賽包括總圖規劃和一場兩館建筑方案。主體育場規模6萬座，主體育館1.8萬座，主游泳館3000座。國際規劃競賽成果建議，大北部西邊沿龍興路布置帶形體育商城，一場兩館如圖4布置[3][4]。
深圳大運中心設計 圖2 奧體新城區位 圖3 大運中心規劃場地 圖4 場地規劃圖
3 方案遴選
3.1 淘汰方案競賽獲得7個原創方案，經過兩個階段的專家評審。第一階段獲取深圳市專家技術評審的合格意見后，接受第二階段的全國院士大師教授的方案評審。
第二階段評審采取兩輪點評和記名投票方式。每輪首先由結構和體育工藝專家點評，確認第一階段技術評審的肯定意見后，進行建筑方案點評與投票。
首輪初步點評，主要找出問題，投票淘汰了2個。
3.2 優勝及實施方案第二輪點評投票后，2號和7號脫穎為優勝方案（圖5、圖6），均具規劃總圖可改性，或三足鼎立，或帶狀布置，推薦給業主（政府），選取實施方案。
圖5 2號水晶石方案
圖6 7號銀簍方案
建筑大師有點偏愛2號，并建議其兩館互換位置。競爭者1號方案（美國HOK）主創建筑師David后來指著2號方案說：“clear（純凈一致）！如果我評，也選它”。2號方案贏得了競賽，1號方案主創建筑師的普適價值境界折服了業主和作者。
兩個優勝方案各有特點，難以取舍。政府試想組合為“一鉆兩銀”或“一銀兩鉆”的一場兩館（“鉆”指2號“水晶石”方案，“銀”指7號“銀色編簍”）。建筑師強調兩個優勝方案各自的一場兩館之風格統一、“家族”完整、不可分割，暗示組合方案不抵兩個原創方案那么統一、經典、純凈。
政府本著“科學民主集中制”的原則，首先是科學，按照評審專家意見將2號原創方案（圖5）的兩館互換位置后的調整方案作為實施方案（圖1）。
4 建筑方案
4.1 建筑技術
第一階段技術評審的規劃、建筑、體育工藝等專家認為，7個競賽方案基本合格。具體意見為：
1) 5號方案副場不在體育場北向有違體育工藝。
2) 3個方案為三角形布置，4個帶狀。1號和 4號方案增加了1個建筑單體，4個方案對規劃條件做了一定的調整或優化， 5號方案規劃調整較大。
3) 有一個方案的體育場建筑造形原創性不夠。
4) 各方案的主要技術指標如表1、表2、表3。
4.2 優勝方案
2號“水晶[6]石”方案（圖5），一場兩館三足鼎立，形態各異，風格統一，造形別致。立面表皮采用玻璃，屋頂采用PC板，晶瑩剔透，宛如一族巨型水晶石，連同人工湖，與神仙嶺、銅鼓嶺等周邊山貌，協調統一，形成“山、水、石[13]”人文景觀，“山、水、燈”夜景（市民留言），透明的表皮顯露著折板結構的力感，美與力的結合，象征體育精神，成為青春靚麗、生機勃勃的海濱不夜城—深圳的標志！
體育場圍護采用單層透光材料，體育館采用透光材料襯夾層復合鋁板，游泳館采用夾層透明材料，功能與立面及自然通風采光結合良好，符合通風節能綠色環保理念。
“2號方案，做得好不亞于鳥巢[13]！”同濟教授錢鋒點評。
7號“銀簍”方案（圖6），一場兩館帶狀分布，采用雙層鋁合金編簍肌理立面，銀光閃爍[13]，富有現代生機。體育場雙層鋁合金屋面內輔透光膜材，與交疊錯縫編織立面表皮，形成自然通風環境，兼遮陽功能，創造出適宜觀賽的室內柔和光影。編簍肌理立面，視覺沖擊力強，外揚力道，體現體育精神[11]。
4.3 落選方案
1號“彩帶”方案（圖7），巨型“彩帶”作為建筑及連廊的罩棚（屋蓋），將一場兩館連為整體彩帶，恢宏大氣，輕盈飄逸[5]。唯飄帶的范圍與尺度夸張有過[10]。
圖7 1號彩帶方案
3號方案（圖8），一場兩館三足鼎立。體育場為風采獨特和變化的“麻花拱[13]”索網建筑形體，為城市注入永恒的印象和活力，體育館為延展的“菊花”殼體。游泳館屋面為起伏波浪輕型建筑，屋檐水波延伸，細致生動，與波浪屋頂交響呼應[7]。
圖8 3號方案
4號“貝殼”方案（圖9），純凈、圓潤、飽滿的體育場、體育館、訓練館（任務書以外）、游泳館，帶狀分布，與體育商業街結合為休閑舒展的一體，宛如靜靜鑲嵌在沙灘中的幾只貝殼，享受著清澈海水一浪高過一浪的輕撫。埋在沙灘中的貝殼體育場，傾斜的環狀曲線，潔白的屋頂與下部形體鮮明對比，在傾斜的不穩中尋求到完美的力學穩定，充滿力量與動感，不同的角度，不同的感受[8]。
圖9 4號貝殼方案
5號方案（圖10），一場兩館三角分布。體育場如航母，體育館如飛船，泳池館屋面結合造形與室外池的雨水收集系統，組成高科技的綜合體。延橢圓長軸布置的索承屋蓋兩端上翹，宛如中國古建飛檐，與周邊起伏山戀強烈對比。長屋檐下兩側的巨柱圍廊，30度上揚，宛如張開的雙臂迎向城市，象征飛揚向上的體育精神[9]。唯規劃調整較大，副場不在體育場北向有違體育工藝[12]。
圖10 5號方案
6號“夢幻”方案（圖11）， 一場兩館帶狀分布，統一采用“雙層皮”的外遮陽立面，用中國古典美學演繹傳達內斂感情，向世界展示中國，展示深圳，承擔2011世界大運會主會場重任。穿孔遮陽板立面，生態節能。游泳館立面輔一水波紋肌理，動感、活潑、優美的形象載體，代表著立面與功能的表里統一[10]。夜光下，“夢幻斑斕！”
圖11 6號夢幻方案
5 結構方案
5.1 落選方案的結構技術
1號方案體育場縱向獨立空間桁架平面承重體系（圖12b）技術可行，但由于跨度超大和高風壓，可能難以達到期望的視覺效果，每榀桁架設在看臺中央的支承柱影響觀看功能，經濟性一般。兩館采用雙向交叉桁架，技術先進可行[12]。
a V形柱桁架 b 超跨桁架
圖12 2號彩帶結構方案
3號方案體育場采用巨型空間雙螺旋桁架拱與索網形成空間組合結構[7]（圖13a），最大限度地達到結構體系自平衡，結構輕巧，傳力明確。體育館折疊網殼結構，受力合理。游泳館采用波面鋼結構，有創意，斜向桿系規律性強。一場兩館技術可行，經濟性優良[12]。
a 體育場拱索結構 b 拱索計算模型 c 體育館、游泳館結構
圖13 3號結構方案
4號貝殼結構方案（圖14）。充分利用了多道環力作用，并巧妙地將索與桁架組合，形成空間環向索承桁架與放射狀立體索承桁架，形成空間組合結構，技術先進，系統的初步分析計算表明經濟可行。兩館采用張弦桁架結構，受力明確，技術可行[12]，經濟性較好。
a 體育場結構模型 b 體育場結構軸力圖 c 體育館結構 d 游泳館結構
圖14 貝殼結構方案
5號方案體育場采用預應力型鋼砼斜柱，縱向桁架平面承重體系，跨度超長，經濟性一般。體育館橫向空間張弦桁架單向平面承重（圖15b），桁架梁下撓，有違力學規律，技術可行[12]，經濟性一般。
a 體育場 b 游泳館
圖15 5號結構方案
6號體育場建筑結構方案（圖16a）是在7號方案的基礎上增加巨型空間桁架縱向平面承重拱架作為放射形布置的桁架之支承梁，形成空間組合結構，改善了結構性能，平面拱架與橢圓平面的協調性需要優化。蜂窩狀網架（圖16b）、新型圓弧弦桿網架結構（圖16c）是另一種新設想，尚須完善與邊界條件適應性等方面的結構布置技術。兩館采用正交、曲線桁架結構。一場兩館技術可行[12]、體育場經濟性尚好，兩館經濟性較好。
a 交叉管桁架結構 b 蜂窩型網架 c 新型圓弧弦桿網架結構
圖16 6號方案體育場結構
5.2 優勝方案的結構技術
7號方案體育場放射形布置，帶有副榀的空間桁架懸挑結構（圖17a），屬于單向平面承重結構體系。技術可行、經濟性良好。屋面防雨圍護板設在下弦，上弦外設編織鋼板網，屬于暴露鋼結構，需有特別防腐保養措施。兩館采用單向張弦梁剛架，受力明確，縱向支撐需與建筑效果結合設計[12]，經濟性較好。
a 體育場 b 體育館、游泳館
圖17 7號結構方案
2號水晶石結構（圖18）“一場兩館結構均為空間折面網殼（由于新規范將網殼與網架統稱，故后述改為“空間網格結構”），是一種創新、構思新穎，桿件受力合理，結構輕巧，結構力感與建筑造形結合完美。美觀、實用、經濟性優良[12]。”
a 體育場 b 體育館 c 游泳館
圖18 2號水晶石結構方案計算模型
結構方案越新穎、越創新，就越有競爭力，越易取勝；但最具風險，因為結構專家具有一票否決權。由于新穎抽象，令人費解，不斷遭遇質疑，不斷有人詢問。作者[1]在給出上述第一階段結構技術評審意見后，受邀向第二階段方案評審專家作了匯報介紹，得到第二階段方案評審結構專家、清華大學郭彥林教授的一致肯定，驚險闖關。當時的淺顯釋疑主要如下。
1) 競賽文件有比較充分的技術說明。
建筑師闡釋為“水晶石”理念，結構師稱作“折板結構folded plate structrure[6]”，概念正確。初步的受力變形分析計算表明，經濟可行。
2) 傳統結構與結構師迎接挑戰的創新能力：
建國初期的紡織廠房、電子廠房及火車站站臺多采用混凝土折板結構（圖19a）。當代聞名的北京798藝術區（圖19b），原為當年的電子廠，德國引進技術，很多廠房都是折板結構，其折角做了圓潤構造處理，相當美觀，被藝術家原樣保留裸體結構（無包裝、無吊頂），僅凈化而用之。
我國有V形折板標準圖，非預應力跨度達18m，預應力達27m。
有些公建則為單曲邊折板空間結構（圖19c）、折板拱組合殼結構（圖19d）。
以此為基礎，在計算機分析能力和結構應用技術高度發達的當代，應該相信結構師能夠迎接挑戰，證明創新結構的可行性，揭示創新結構受力特點，革新發展出經濟可行的水晶石結構。
a b c d
圖19 折板結構
3) 水晶機理與折紙手法的感悟：
建筑師設計理念為“水晶”，取自“水晶機理”，是追求的目標。
其實，實現這一目標的工法可由“折紙手法”得到啟示。
a 一張薄紙，支不起來。專業上講：“沒有抗彎剛度”，不可承重。如單向折皺，則單向折起，產生單向剛度，可單向承重，如同圖19ab。
b 兩端不等距折皺，變成平面折扇，沿圓周線圍合，即單曲邊折紙尖塔（圖19c）。
類推，折皺、裁剪、彎弓、組合，就象折紙燈籠一樣，折紙組合形成拱殼狀（圖19d）。
再想象，矩形紙，正交等距或不等距雙向折皺，鼓起何樣？三角形折皺鼓起何樣？換用圓片紙、圓環紙呢？橢圓紙、橢環紙呢？是否想象或產生大運水晶石建筑形體的感覺？甚至想象或創造出更新穎的體形。
4) 結構類型
2號競賽方案設計師稱之為“折板結構folded plate structrure”，折板就是三角形網格面，屬于單層折面網殼。
5) 下弦在哪里？
由于桿件折來折去，人們自然想用桁架結構理念來理解這類結構，深層次是力之傳遞問題。所以回答：上下弦是“抽象的”，剛度是“折來折去”折出來的，傳力是“空間的”。
6) 變形可控嗎？
只要結構概念成立，強度和變形是可以控制的，連同其他一系列技術問題都需要通過結構（幾何找形）、桿件材料和截面、甚至節點的優化設計來實現。
7) 經濟性？
業主擔心創新結構用鋼量指標太高。作者[1]當時只能說該結構新穎，非受力需要的構造桿件較少，輕巧，用鋼量自然比鳥巢要小得多。
6 實施方案的結構技術
該創新結構引起全國各界人士的興趣，以及院士專家教授的關注，必然受到政府和各參建單位的高度重視，持科學地態度、方法和對策，“人肉”探索，攻克每個難題。
挑戰性的結構之設計首先應從基本概念和原理入手。有了清晰的概念，才可設計出創新性的結構。
6.1 幾何構成
大運中心場館結構的幾何構成[14]，按兩維單元的平面結構構成原理示意為圖20。
由“Г形（平面）剛架”與“桁架（空腹）式Г形剛架”組合，可形成“（組合）桁架式Г形剛架（圖20a）”，屬于平面懸臂承重結構。將Г形剛架結構單元，沿體育場平面周邊放射形布置一周，加上環周系桿及支撐，就是傳統的體育場平面承重結構體系。建國初期的體育場多采用混凝土結構或實腹式鋼結構Г形剛架，抑或混凝土柱與屋面懸臂鋼桁架組成的Г形剛架。上世紀末八九十年代，多采用平面鋼桁架式Г形剛架。近些年盛行立體桁架式，如7號競賽方案，屬于帶有副榀立體桁架子結構的立體桁架式。
a 體育場 b 體育館、游泳館
圖20 水晶石結構幾何構成單元
Г形空間剛架幾何單元（圖20a），沿趨近于圓環的橢圓線圍合成空間剛架結構，即大運體育場結構；圖20b門式空間剛架幾何單元沿圓周放射布置圍合，就形成大運體育館結構（圖18b）；沿矩形平面長邊布置，兩端Г形空間剛架封閉，即形成大運游泳館結構（圖18c）。
一場兩館統一的幾何單元構成原理是水晶石結構的理論精髓，這一結構體系用于建筑結構屬于國際首創，設計水平處于國際領先。
6.2 支座形式
既然是空間剛架，而非平面剛架，故“鉸支”成立。前面已述，其實，圖20只是一個示意，并非支座是固支，鉸支即可。
由于建筑美觀要求，故設計為球鉸。大運體育場球鉸支座的設計極具挑戰性，其分析研究與設計成果同樣處國際領先水平。
由于幾乎用盡了動靜平衡力學分析研究方法，綜合應用了跨越多學科領域知識與材料技術，與結構體系的提出應用，同樣具有挑戰性。
6.3 建筑風格體形與結構分類折面圍繞某個空間面“折上折下”或“折里折外”，這個空間面稱作單層折面空間網格結構的“虛構面”，虛構面其實就是建筑體形面，可用于這類建筑結構的體形描述和分類。體育場為“橢圓平面馬鞍屋面形”、體育館為“圓形平面門式”、游泳館為“矩形平面門式”單層折面空間網格結構。
折面空間網格結構都是“水晶機理”，或“折板（折紙）”機理（手法）。3個場館形狀各異，但風格完全一致，這符合結構設計的理想追求。
6.4 傳力路線
根據上述結構的幾何構成分析，可以基本理解受力傳力路線。經過力學分析，體育場的軸力圖（圖21a）抽象的顯示了傳力路線實際是一個空間拱（圖21b）；體育館、游泳館傳力路線可以由幾何構成單元圖（圖20）理解為門式剛架受力簡圖（圖21c）。
a 體育場軸力圖（隱約抽象拱） b 體育場結構虛構拱 c 體育館、游泳館受力簡圖
圖21 水晶石結構傳力圖
6.5 方案優化與經濟性
施工圖設計人員及早介入外方方案調整，同步各自計算分析，及時發問探討，并提出研究課題，如：罩棚與看臺結構相連利弊、結構單元數（支座數及桿件長度）與恢宏立面、三環（內環、馬道環、肩谷環）設置與純凈室內、鞍體垂直度及鞍面矢高與體育上揚張力、桿件箱形截面或圓管與折面棱角或圓潤倒角、變形控制標準確定等等，與建筑師密切配合，與國家規范編委研討，逐個突破，不斷優化，最終取得經濟、美觀、可靠的設計結果，實際用鋼量約226kg/m2。
6.6 可靠性
最早被質疑用鋼量會很大，設計完成后又遭質疑用鋼量比鳥巢小的太多、強度夠嗎？
實際上，該工程結構設計條件和設計過程是經過事先周密策劃，除通過規范編委審查、方法和成果都經過院內和國內頂尖專家逐個專題多次研討評審確認、經過第三方審查外，另有2個國內外專業公司復核、結構整體（1/10）及節點試驗（1/3）的科學驗證（圖24），院士大師鑒定，確認了設計成果的可靠性。
設計還布置了試加工以及施工安裝、合攏、卸載（腳手架卸載、結構承載）等過程的測控，以及全壽命周期的健康監測監視，確保萬無一失。
7 建筑效果與技術成就
建筑效果當初被質疑的水晶石結構大運中心的一場兩館建筑已建成，實際建筑效果（圖1）與原創設計效果（圖5）一致，原創設計師是滿意的，相信當初的評審專家和各級領導以及留言市民也會為自己的選擇和期望而欣慰。對于向城市、向社會、向市民交出的這一答卷，相信 “不留敗筆、不留遺憾、不留罵名！”的既定目標應該達到了“少留敗筆、少留遺憾、少留罵名！” 之修正期盼!
7.1 結構水平中國工程院士專家組評審認為，深圳大運體育場結構設計技術水平達到“總體國際先進，結構體系等方面國際領先”，獲2010中國鋼結構金獎（國家優質工程），權威性的肯定和工程實踐證明了競賽方案階段的技術評審意見，經受了考驗，完成了承辦世界大運賽事的重任。
a 箱形截面焊接節點 b 主桿箱形截面鑄鋼節點 c 焊接平面鉸支座
圖22 水晶石結構節點比選方案
a 主桿圓管鑄鋼節點 b 鑄鋼球鉸支座
圖23 水晶石結構工程節點照片
a 體育場整體試驗模型 b 體育館整體試驗模型 c 節點試驗模型
圖24 試驗模型
8 鳴謝
本文直接引用了7個競賽方案的效果圖和有關原始資料，建筑方案原創建筑師的論述[5]-[11]、方案評審專家點評意見[12][13]。
感謝方案競賽單位[5]-[11]，感謝第一階段技術評審專家：張弛規劃師（當時的職稱，下同）、楊華高級規劃師、高青教授級高級建筑師（本文審稿人）、肖明高級建筑師、袁勇高級工程師（體育工藝）、郭滿良教授級高工（結構）、陳志強教授級高工（結構）、牛曉陽教授級高工（暖通）、凌智敏教授級高工（強弱電）。
感謝第二階段方案評審專家：鐘訓正院士（建筑）、朱榮遠教授級高級規劃師、王富海教授級高級規劃師、郭明卓設計大師（建筑，本文審稿人）、黎沱芬設計大師（建筑）、張家臣設計大師（建筑）、錢鋒教授（建筑）、張伶伶教授（建筑）、劉毅高級建筑師、湯順宏高級工程師（體育工藝）、郭彥林教授（結構）。
感謝市政府、工務署、體育局和規劃局的各級領導，尤其感謝體育局場館建設管理處負責建筑方案征集競賽的袁勇處長。
感謝承擔深圳大運中心規劃建筑設計國際競賽的代理單位深圳市鑫中建建筑設計顧問有限公司，感謝參加和關注該項目設計與建造的所有人士，尤其是優勝方案公示期間留言的市民。
參考文獻
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[2] 郭滿良等，災難的遺產—紐約世貿雙塔樓坍塌分析，建筑結構，2002年9月
[3] 張弛等，深圳市奧林匹克中心（大運中心曾用名）設計規劃要求，深圳市規劃局，深圳市體育局，中國城市規劃設計研究院深圳分院，2005年12月
[4] 郭滿良，袁勇等，深圳市世界大學生運動會體育中心詳細規劃及一場兩館建筑方案設計國際邀請競賽，競賽文件、及詳細規劃、主體育場、主體育館和游泳館設計任務書（共4冊），深圳市工務署，深圳市體育局，深圳市規劃局，深圳市鑫中建建筑設計顧問有限公司2006年4月30日
[5] David等（美國HOK），深圳市世界大學生運動會體育中心詳細規劃及一場兩館建筑方案設計國際邀請競賽方案（下同）（1號），2006年6月25日
[6] 曼哈德 •馮•格康等（德國GMP），（同上，下略），2號方案
[7] 澳洲COX， 3號方案
[8] 北京市建筑設計研究總院， 4號方案
[9] 澳洲BLIGH VOLLER NIELD, 5號方案
作者簡介：郭滿良1 黃朝捷1 凌江1 肖明2
（1深圳市建筑設計研究總院，深圳，518031， 2中國建筑西南設計院深圳分院，深圳，518030）
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