【AT】丁洁民:体育建筑中建筑与结构的协调设计

摘要: “适用、经济、绿色、美观”八字方针是一个统一的整体,其中“适用”是基础,“经济”是手段,“绿色、美观”是目的,优秀的体育建筑结构设计应当是这八字方针的融合。在未来的建筑设计中,结构工程师与建筑师的配合将会越来越密切。

技术总结

体育建筑中建筑与结构的

协调设计



体育建筑中,建筑与结构的结合往往比较紧密。在设计过程中,建筑师和结构工程师由于侧重点不同,常常会出现一些分歧。但对于一个成功的建筑设计来说,结构工程师一定要理解建筑方案的创作意图,在结构体系选择和结构布置时考虑建筑功能和建筑的表现力,并通过新材料、新技术去实现建筑方案。

1

建筑与结构协调设计原则

体育建筑中要达到建筑与结构的协调设计,首先要遵守“适用、经济、绿色、美观”的基本原则,然后在此基础上采用一定方法配合建筑创作,实现建筑的表现力。

适用

深圳宝安体育场(轮辐式张拉结构),右:安徽大学体育馆(弦支穹顶)

左:崇明棒垒球半室外训练场(张弦梁),右:金山朱泾体育中心游泳馆(桁架结构)


“适用”主要指结构选型应满足建筑空间的要求和结构选材应满足建筑功能、建筑创作的要求。结构选型应满足建筑空间要求,即根据建筑空间和建筑造型选择合适的结构体系,满足建筑的使用功能要求。结构选材应满足建筑功能要求,即根据建筑使用功能选择合适的结构材料。例如游泳馆湿度较大,可采用防腐性能较好的铝合金结构;在气候恶劣地区,为了赋予建筑内部独特的外观,并给人以温暖和亲切感,可采用木结构。同时随着建筑材料的发展,结构设计应与时俱进,采用新型建筑材料。


左:顾拜旦现代五项赛事中心(铝合金结构),右:俄罗斯喀山游泳馆(胶合木结构)


左:慕尼黑体育馆(索结构),右:水立方(充气 ETFE 膜)


经济

“经济”要求进行结构设计时要选择合适的结构体系,同时结构分析设计模型要与实际情况一致。首先,结构体系要受力合理、传力直接,在一定跨度条件下能够将造价控制在合理的范围内。在满足适用要求的条件下,尽量选用受力效率较高的结构体系,如桁架结构、拱结构、弦支穹顶、张弦梁、轮辐式张拉结构。其次,灵活应用拉索来平衡结构支座推力,同时提高结构强度、刚度,优化结构内力分配,减小构件截面尺寸。最后,结构分析设计要准确科学,使结构模型尽可能与实际结构一致。除了结构模型和荷载取值要与结构实际情况相一致外,还要考虑节点构造和结构体系的关系,以及节点实际刚度对结构整体受力的影响。


东方跳水中心(桁架结构)

左:复旦大学体育馆(拱结构),右:崇明棒垒球半室外训练场屋顶(张弦梁)


绿色、美观

绿色、美观是结构设计与建筑融合中更高层次的要求,需要结构工程师不断提升自身能力使结构设计既绿色环保,又让结构本身展现建筑之美。绿色环保方面,结构设计可以巧妙利用自然光,将自然光引入室内,节约能源,提高能源利用效率;并协助增强建筑的光影效果和艺术表现力;同时结构设计要注意选择节能环保、易回收的绿色材料,如木材。


左:同济嘉定体育馆,右:乌拉圭鲍思高学校体育馆

加州扬特维尔社区中心(木结构)与东莞篮球中心


结构展现建筑之美要求结构布置要与建筑相协调,通过结构构件的有序排列产生节奏感和韵律美,同时细部节点设计的精细化也可以为建筑表现增加色彩。

构件造型的美观(济宁体育中心游泳馆)


2

工程实践中建筑与结构的协调设计

实际工程中,在已有条件的限制下如何寻求建筑与结构的统一非常重要。结构设计应从结构体系、结构布置、构件造型和细部构造等方面与建筑美学相吻合,让结构为彰显建筑的表现力增光添彩。


崇明游泳馆

崇明游泳馆


崇明游泳馆建筑造型为矢跨比较小的筒壳,跨度为45m,功能为无看台游泳馆,且内部无装饰。


首先,在“适用”原则下,对结构布置、构件造型和结构选材等方面进行研究。结构布置对比了平面拱结构和交叉菱形网格方案,交叉菱形网格结构具有较好的纵向和横向刚度,为空间作用结构体系,而平行拱结构为单向受力体系,空间作用差,同时交叉菱形网格结构更能适应建筑的外表皮纹理和内部空间效果。从建筑造型上分析,结构的矢跨比为1/9,结构具有较好的壳体作用,同时建筑外部允许布置一排V形支撑柱,可以有效抵抗筒壳结构产生的支座水平推力。该建筑功能为游泳馆,由于湿气较大,游泳池上方易出现结露,采用木结构可以解决这一问题,同时木结构的天然特质增加了建筑的亲和力和温馨感,并满足室内不做装饰吊顶的要求。


结构布置对比

 V 形支座布置图

内部木结构布置图


在“经济”方面,分析了屋盖木结构的使用范围、下部拉索布置形式和木构件的截面尺寸优化。通过内力分析,中部六跨的弯矩较小,适合采用木结构;端部两跨的弯矩较大,则采用钢结构。


为了使中央木结构以受压为主,减少对单层网壳节点刚度的依赖,在木结构下部布置拉索形成张弦结构。经过对三种拉索形式的对比,考虑结构安全要求,选择与上部交叉网格一致的交叉索网。


         

     结构的弯矩分布图  

 

                           木结构的使用范围示意


由于下部布置交叉索网,上部单层网格结构的截面尺寸由800mm×300mm优化到500mm×200mm。由于木结构的防火要求,二级防火木构件需要满足53mm的碳化层要求,所以最终木构件截面做600mm×250mm。胶合木结构的防火设计方法为:通过规定结构构件的最小尺寸,将所有构件外露,利用木构件本身的耐火性达到规定的耐火极限。木材的导热性很低,构件燃烧时,表面形成的碳化层能够起到很好的隔热效果,有效减缓碳化层下未燃烧木材的燃烧速度。


木构架截面优化


从“绿色、美观”上考虑,主要包括以下几个方面设计:1)该结构节点由螺栓和铆钉组合连接,构件全部在工厂加工后运至现场安装,为全装配式结构;2)为了使建筑内部空间形成一个整体,同时增强建筑的温馨感,将两端的钢结构涂刷成与木结构一致的颜色;3)为了施工方便,在木构件连接节点和钢木构件连接节点安装前进行开孔,螺栓和铆钉安装完成后加盖板,避免螺栓外露,保证室内效果的完整性。


木结构加工与现场吊装

木构件连接节点

钢木构件连接节点

外部 V 形支撑下部节点及拉索撑杆节点


 崇明综合训练馆

 崇明综合训练馆


崇明综合训练馆的建筑造型为一个矢跨比较小的球壳,跨度为48m,建筑功能为无看台综合训练馆,并要求建筑内部无装饰。根据建筑提资的限制条件,从“适用”的角度上,首选单层网壳结构,占用空间少,可使建筑净空间最大化;其次,项目处于崇明靠近长江边的潮湿腐蚀性环境之中,所以采用自重轻、强度好、表面不做处理即可达到建筑防腐要求的铝合金结构。


从“经济”上考虑,对单层网壳结构形态进行优化。在外荷载作用下,构件以拉、压为主,能最大程度地发挥材料的强度特性;铝合金密度为钢材的1/3,抗拉强度达300MPa,但弹性模量也为钢材的1/3,为充分发挥铝合金材料的强度特性,一般采用三角形网格单层网壳结构,且网格的边长宜为2~3.5m。本项目所采用的球壳分为有支撑的中央壳体和悬挑壳体两部分,单层网壳的角部和悬挑部位采用钢结构,这样能够更加充分地发挥材料特性,使结构体系最为经济;同时外环钢桁架能够抵抗中央铝合金网壳的推力,作为转化桁架将荷载传递到下部的混凝土结构。


单层网壳结构实景

最终结构形态

铝合金网格尺寸

钢 - 铝合金混合结构


从“绿色、美观”上考虑,主要包括以下几方面:
(1)绿色材料:铝合金材料易回收、再处理成本低、再利用率高、回收价格高,属于节能环保型绿色材料。
(2)绿色建筑:铝合金结构屋盖系统集成了主体结构、外装饰幕墙、防水、内装饰等全部功能,符合绿色建筑的要求。
(3)绿色施工:铝合金结构为全装配式结构,构件全部由工厂标准化生产后现场装配,施工现场无噪音、粉尘、污水等污染。
(4)结构与建筑融合:铝合金单层网壳结构以三角形为基本单元,可采用不同的网格布置形式,经过方案对比后,最终采用三角形网格布置方案。
(5)结构、屋面围护一体化:由于铝合金结构网格一般为边长2~3m的三角形,屋面围护系统不需要专门做檩条,铝合金构件与屋面系统连接节点可在工厂一起压制形成性能优越的防渗漏体系,使得结构与屋面系统形成一个整体。


复旦大学体育馆

复旦大学体育馆建筑造型为矢跨比较小的扁壳,并在扁壳上方布置倾斜的拱,建筑跨度为71m,建筑功能为集比赛、训练、集会和演出等功能于一体的综合性体育馆。


复旦大学体育馆


根据建筑提资的限制条件,从“适用”的角度上考虑,屋面主骨架结构采用三管桁架,其布置方式为“骨脊”,双向传力,互为面外稳定支撑,既可以满足建筑内部空间要求,又能够使结构具有刚劲的骨感。“飞杆—斜拉索”为膜材支撑骨架结构,每个单元成倒角锥形,能将屋面荷载传递给横向桁架,同时使室内空间结构主次明晰、轻盈美观。


从“经济”的角度考虑,屋面荷载在拱与屋面主骨架之间必须有恰当的受力分配,使上部拱和屋面主骨架结构的截面尺寸相对合理、经济。通过分析,拱承担20%的屋面荷载,屋面主骨架结构承担80%的屋面荷载,是最经济的荷载分配平衡点。由外环桁架连接各榀横桁架,增强屋盖面内的刚度和空间整体性,协调屋面主骨架结构的变形,有利于屋面主骨架结构充分发挥作用。外环桁架作为主桁架支座处的双向传力构件,也满足抗震规范对“支座”双向传递地震力的要求。拱脚支座采用铰接,释放了支座处的弯矩,使支座处的构件截面尽可能小。


主骨架结构

“飞杆 - 斜拉索”膜材骨架结构

不同荷载分配下的结构形态

外环桁架布置图


从“绿色、美观”的角度考虑,屋面覆盖材料采用透光的膜材,白天可以将自然光引入室内,节约能源;夜晚屋面膜材在灯光的作用下,也能够展现建筑的轻柔之美。


由于屋面上部拱结构仅承担20%的屋面荷载,整个构件比较纤细;且拱稍微倾斜,稳定性较直拱更好,从远处看如同一个张开的弓。屋盖吊索通过吊点与受力分析,最终形成琴弦式扇形布置,显示出力与形的轻柔之美,拉索吊点主要布置在脊桁架上。

拱的倾斜角度及屋面拉索布置

ETFE 膜建成后的效果

3

结语


“适用、经济、绿色、美观”八字方针是一个统一的整体,其中“适用”是基础,“经济”是手段,“绿色、美观”是目的,优秀的体育建筑结构设计应当是这八字方针的融合。不同体育建筑中,结构设计可能有不同的侧重点,也会因不同地区、不同功能而有所侧重。在未来的建筑设计中,结构工程师与建筑师的配合将会越来越密切,一座优秀建筑的结构一定是“适用、经济、绿色、美观”的结合体。

作  者

丁洁民,同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司结构总工程师,全国工程勘察设计大师。

张月强,同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司高级工程师,同济大学土木工程学院博士。

张   铮,同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司技术发展部副主任。



本文全文刊登于《建筑技艺》杂志2017年8月刊,转载请在文首注明出处。

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