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北京奧運場(chǎng)館的空間結構

作者：鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-23 10:03:10 [收藏]


    　　當世界邁入21世紀，回顧人類(lèi)發(fā)展的歷史，我們可以發(fā)現其中一個(gè)顯著(zhù)的特點(diǎn)就是其活動(dòng)空間的不斷改善與擴充。在各種交流活動(dòng)中，體育比賽無(wú)疑是一種最激動(dòng)人心的方式。奧林匹克體育競賽館、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模龐大的會(huì )議展覽中心。因此，大跨度、多功能、形狀復雜、技術(shù)要求高的現代空間結構的建筑及其新技術(shù)應運而生，并在國內外迅猛發(fā)展。

    　　認識現代空間結構

    　　空間結構是指結構的形態(tài)呈三維狀態(tài)，在荷載作用下具有三維受力特性并呈現空間工作的結構。例如平板網(wǎng)架、網(wǎng)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(shí)踐來(lái)看，包括奧運場(chǎng)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(lèi)型：

    　?。?）鋼筋混凝土薄殼結構；
    　?。?）空間網(wǎng)格結構，包括各種形式的網(wǎng)架結構、網(wǎng)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(lèi)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(zhù)輕量、大跨方向發(fā)展，這種發(fā)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(zhì)高強度新型建筑材料，另一方面是研究開(kāi)發(fā)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(shí)現理想的輕量大跨結構。

    　　新建奧運場(chǎng)館結構形式概覽

    　　2008年北京奧運會(huì )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(fā)展提供了廣闊舞臺。經(jīng)過(guò)近5年的緊張籌備與建設，如今奧運場(chǎng)館已成功投入使用。系統地總結這些場(chǎng)館建設中所采用的先進(jìn)設計理念和自主創(chuàng )新技術(shù)，對于推動(dòng)我國空間結構的進(jìn)一步發(fā)展具有重要作用。

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

    　　典型空間結構

    　　仿生式網(wǎng)格結構――國家體育場(chǎng)

    　　國家體育場(chǎng)的“鳥(niǎo)巢”建筑方案是經(jīng)全球設計競賽招標，并經(jīng)專(zhuān)家評審和公眾投票后，在13個(gè)方案中脫穎而出的?！傍B(niǎo)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(huán)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(guò)半徑為8m的圓弧連接。構成的巨大橢圓體長(cháng)軸332.3m，短軸296.4m，最高點(diǎn)高度為68.5m。體育場(chǎng)中央開(kāi)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(zhù)中央橢圓孔相互交叉布置，形成復雜而規律的空間網(wǎng)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(wú)章”卻顯得十分自然，宛如金屬樹(shù)枝編織而成的巨大鳥(niǎo)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(guò)大，也使結構永久荷載所占比例過(guò)高。因此在2004年曾對設計方案進(jìn)行過(guò)一次調整，即取消了原有的可開(kāi)啟屋蓋，并相應擴大了屋頂開(kāi)口；這樣調整仍然保持了“鳥(niǎo)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(niǎo)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?？傊?，這種建筑與結構渾然一體，貌似無(wú)序的自由編織而成的結構體系不僅為國家體育場(chǎng)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(gè)富于個(gè)性的新成員。

    　　多面體空間網(wǎng)架――國家游泳中心

    　　國家游泳中心的“水立方”建筑方案是經(jīng)全球設計競賽招標，并經(jīng)專(zhuān)家評審和公眾投票后，在10個(gè)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(gè)概念：其主體結構由一種新穎的平板網(wǎng)架?chē)煞胶凶有螤?，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(lái)看，“水立方”與“鳥(niǎo)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(jīng)過(guò)適當改良的W-P模型為基礎，以多面體的棱為實(shí)體構件，形成由空心多面體單元構成的空間網(wǎng)格體系，再以適當的角度進(jìn)行平面切割，形成平板狀的網(wǎng)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(shí)是由相對簡(jiǎn)單的元素經(jīng)多次重復形成的，這是空間結構形態(tài)學(xué)的杰出創(chuàng )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(gè)建筑共包含3700多個(gè)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?zhù)密度不等的小鍍點(diǎn)，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(shí)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(guò)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(chēng)為張弦結構。這種結構體系的原意是用張緊的“弦”來(lái)加強上弦的梁或拱，其自重相對較輕，且可通過(guò)調整預應力對受力性能進(jìn)行優(yōu)化，因而具有較好的技術(shù)經(jīng)濟性能。當上弦為網(wǎng)殼或雙向交叉桁架等空間體系時(shí)，可以通過(guò)加設下弦索和豎向撐桿來(lái)進(jìn)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(chuàng )新形式。我國1997年建成的上海浦東國際機場(chǎng)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(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(lèi)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(chǎng)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(cháng)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(yè)大學(xué)體育館（奧運會(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)殼結構。北京大學(xué)體育館（奧運會(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(wǎng)殼結構――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(chēng)之為矩形平面弦支肋環(huán)型網(wǎng)殼結構。

    　　國家體育館、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構，說(shuō)明這種輕盈優(yōu)美、受力合理、用材經(jīng)濟的新型空間結構形式已經(jīng)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(lái)貫徹“適用、經(jīng)濟、美觀(guān)” 的設計原則。

    　　2008北京奧運場(chǎng)館種類(lèi)多樣，規模各異，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，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)館設計中均努力貫徹“適用、經(jīng)濟、美觀(guān)”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(shí)，針對少數有代表性的重要場(chǎng)館，更多地重視和強調其新穎性和標志性，突出了創(chuàng )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(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(chǎng)館建筑異彩紛呈。
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