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北京奥运场馆的空间结构

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-23 10:03:10 [收藏]


    　　当世界迈入21世纪，回顾人类发展的历史，我们可以发现其中一个显著的特点就是其活动空间的不断改善与扩充。在各种交流活动中，体育比赛无疑是一种最激动人心的方式。奥林匹克体育竞赛馆、世界杯足球比赛场……在世界各地崛起；学术、文化、艺术与商业上的交流等活动也促使一些大城市建成了规模庞大的会议展览中心。因此，大跨度、多功能、形状复杂、技术要求高的现代空间结构的建筑及其新技术应运而生，并在国内外迅猛发展。

    　　认识现代空间结构

    　　空间结构是指结构的形态呈三维状态，在荷载作用下具有三维受力特性并呈现空间工作的结构。例如平板网架、网壳以及悬索结构等空间结构在我国都得到了广泛应用，已为人们所熟悉。从国内外工程实践来看，包括奥运场馆在内的大跨度建筑多数采用各种形式的空间结构体系。现代空间结构的形式十分丰富多彩，大体上可分为如下基本类型：

    　　（1）钢筋混凝土薄壳结构；
    　　（2）空间网格结构，包括各种形式的网架结构、网壳结构；
    　　（3）张力结构，包括各种形式的悬索结构、薄膜结构或索－膜结构；
    　　（4）混合结构，由刚性构件和柔性索组合而成的一类结构形式，如各种形式的张弦结构、斜拉结构等。

    　　目前空间结构向着轻量、大跨方向发展，这种发展趋势要求必须千方百计降低结构自重。降低结构自重的途径一方面是研制运用轻质高强度新型建筑材料，另一方面是研究开发合理的结构形式。结构受拉部位采用膜材或钢索，受压部分采用钢或铝合金构件，这样膜、索、杆相结合使用，形成杂交结构，可望实现理想的轻量大跨结构。

    　　新建奥运场馆结构形式概览

    　　2008年北京奥运会使中国人前所未有地近距离感受到奥林匹克的气息，也为中国大跨空间结构的发展提供了广阔舞台。经过近5年的紧张筹备与建设，如今奥运场馆已成功投入使用。系统地总结这些场馆建设中所采用的先进设计理念和自主创新技术，对于推动我国空间结构的进一步发展具有重要作用。

    　　应该说，这些奥运场馆建设反映了我国大跨空间结构发展的最高水平，其中所蕴含的先进设计理念，所采用的创新结构形式以及所开发的新材料、新技术、新方法，对于我国空间结构发展有十分重要的借鉴意义。

    　　典型空间结构

    　　仿生式网格结构――国家体育场

    　　国家体育场的“鸟巢”建筑方案是经全球设计竞赛招标，并经专家评审和公众投票后，在13个方案中脱颖而出的。“鸟巢”的外墙面为椭圆锥面，内墙面为椭圆柱面，屋面为马鞍形，是圆环体内侧表面的一部分；屋顶内外表面相互平行，相距12m；屋面与外墙面通过半径为8m的圆弧连接。构成的巨大椭圆体长轴332.3m，短轴296.4m，最高点高度为68.5m。体育场中央开有185.3m×127.5m 的椭圆孔。主体中国建筑金属结构信息网由24榀格构式刚架组成，它们绕着中央椭圆孔相互交叉布置，形成复杂而规律的空间网格体系。在此基础上，加上以随机方式布置的次构件，最终形成了“杂乱无章”却显得十分自然，宛如金属树枝编织而成的巨大鸟巢。单纯从结构角度看，将格构式刚架用于如此大的跨度并不十分理想，其梁柱连接部位及跨中部位受力均较大，导致结构用钢量过大，也使结构永久荷载所占比例过高。因此在2004年曾对设计方案进行过一次调整，即取消了原有的可开启屋盖，并相应扩大了屋顶开口；这样调整仍然保持了“鸟巢”的设计理念，但用钢量减少了22.3％，相应也提高了结构的安全性。“鸟巢”现在建成了，它那具有震撼力的独特建筑造型在国内外引起巨大反响。总之，这种建筑与结构浑然一体，貌似无序的自由编织而成的结构体系不仅为国家体育场提供了新颖的建筑造型，也为大跨空间结构家族增添了一个富于个性的新成员。

    　　多面体空间网架――国家游泳中心

    　　国家游泳中心的“水立方”建筑方案是经全球设计竞赛招标，并经专家评审和公众投票后，在10个方案中脱颖而出的。“水立方”的设计理念可以概括为“方盒子”和“水分子”两个概念：其主体结构由一种新颖的平板网架围成方盒子形状，其围护结构则由形状、大小各异的许多ETFE薄膜气枕组成，就像许多晶莹剔透的“水泡泡”或“水分子”，形成的建筑形象十分新颖独特，令人神往。此外，从奥林匹克公园总体规划来看，“水立方”与“鸟巢”比邻，一方一圆，一柔一刚，相互呼应，形成十分美妙的对比，体现了中国传统文化中“天圆地方”的理念。

    　　“水立方”的中国建筑金属结构信息网设计方案就是以经过适当改良的W-P模型为基础，以多面体的棱为实体构件，形成由空心多面体单元构成的空间网格体系，再以适当的角度进行平面切割，形成平板状的网格结构，以之作为“水立方”的屋顶和墙体的承重结构。这种结构体系新颖、独特，其不规则的复杂形体其实是由相对简单的元素经多次重复形成的，这是空间结构形态学的杰出创新。“水立方”的围护结构由内外两层ETFE气枕组成，每层气枕包含3~4层ETFE膜。整个建筑共包含3700多个ETFE气枕，覆盖面积达10×104m2 ，是世界上最大的ETFE工程。其ETFE气枕的基本单元投影平面为不规则多边形，它们大小不一，形状各异，最大的直径近9m，最小的直径则不足1m。“水立方”外层气枕的内层膜和内层气枕的外层膜上都镀着密度不等的小镀点，以控制膜的透光度，达到隔热散光的效果。

    　　张弦结构体系

    　　平面的张弦结构是以刚性构件（通常为格构式或实腹式的拱或梁）为上弦，以柔性的“弦”（通常为高强索）为下弦，并通过竖向撑杆连成一体的新型混合体系。可施加适当预应力使体系绷紧，犹如一张拉紧的弓，故称为张弦结构。这种结构体系的原意是用张紧的“弦”来加强上弦的梁或拱，其自重相对较轻，且可通过调整预应力对受力性能进行优化，因而具有较好的技术经济性能。当上弦为网壳或双向交叉桁架等空间体系时，可以通过加设下弦索和竖向撑杆来进行加强，形成空间的张弦结构。

    　　张弦结构是近期在空间结构方面的重要创新形式。我国1997年建成的上海浦东国际机场候机楼首次将平面张弦结构应用于大跨度建筑中，其最大跨度为82.6m；之后建成的广州国际会展中心（跨度126.5m）、深圳会展中心（跨度124m）和哈尔滨会展中心（跨度128m），也都采用了类似的结构形式。相比之下，此前的工程中各种形式的空间张弦结构应用还比较少；此次奥运场馆建设则在这方面取得了重大突破。

    　　国家体育馆屋盖呈波浪形，南北长144m，东西宽114m，采用双向正交张弦结构，是目前世界上跨度最大的双向张弦结构。北京工业大学体育馆（奥运会羽毛球馆）采用净跨度为93m 的弦支联方型球面网壳，是目前世界上跨度最大的弦支网壳结构。北京大学体育馆（奥运会乒乓球馆）的矩形屋盖采用由中央球面网壳与两条螺旋形屋脊构成的复杂曲面造型，平面投影93.2m×72m，净跨度为80m ×64m，采用了一种较为特殊的弦支网壳结构――由一系列按辐射方向布置的张弦桁架再加上环向竖直支撑和屋面水平支撑组成，或可称之为矩形平面弦支肋环型网壳结构。

    　　国家体育馆、北京工业大学体育馆、北京大学体育馆不约而同地采用了不同形式的空间张弦结构，说明这种轻盈优美、受力合理、用材经济的新型空间结构形式已经成为大跨度建筑结构方案的合理选择，也反映了建筑师试图以一种更为理性的方式来贯彻“适用、经济、美观” 的设计原则。

    　　2008北京奥运场馆种类多样，规模各异，为中外杰出建筑师和工程师的创新思维提供了广阔舞台，从而创造出了丰富多彩又富有特点的一批优秀体育建筑。建筑师在所有场馆设计中均努力贯彻“适用、经济、美观”的设计原则，并以“人文奥运、科技奥运、绿色奥运”三大理念作为指导方针。与此同时，针对少数有代表性的重要场馆，更多地重视和强调其新颖性和标志性，突出了创新设计理念与现代奥林匹克精神的有机融合。这样，不同的场馆就具有不同的特点，显示了既有共性又有差异的各种设计理念。正是这种不同设计理念的碰撞和交融，使这些奥运场馆建筑异彩纷呈。
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