大跨度公共建筑的結(jié)構(gòu)選型探析

薛思寒，劉成才

(1．華南理工大學(xué) 建筑學(xué)院，廣州510641;2．中州大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，鄭州450044)

回顧人類的發(fā)展歷史，就能發(fā)現(xiàn)一個(gè)顯著的特點(diǎn)——人類活動(dòng)空間在不斷的改善與擴(kuò)充。同時(shí)，伴隨著全球的國際化，一些體育、學(xué)術(shù)、文化、藝術(shù)與商業(yè)交流等活動(dòng)的展開，促使大量的規(guī)模龐大的體育場館和會(huì)展中心在不停的建設(shè)中。因而，大跨度、多功能、形狀復(fù)雜、技術(shù)要求高的現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的建筑及其新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并在國內(nèi)外迅猛發(fā)展。2008年奧運(yùn)會(huì)在中國舉行，國家建成了一系列與奧運(yùn)相關(guān)的大型場館，帶動(dòng)了我國新型空間結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展。

1.現(xiàn)代建筑空間結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展趨勢

對于豐富多彩的現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的形式來說，大體可以分為四種基本類型:鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)、包括各種形式的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在內(nèi)的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、包括各種形式的懸索結(jié)構(gòu)和薄膜結(jié)構(gòu)和“索－膜”結(jié)構(gòu)的張力結(jié)構(gòu)、由剛性構(gòu)件和柔性索組合的混合結(jié)構(gòu)。

目前空間結(jié)構(gòu)朝著輕質(zhì)、大跨度方向發(fā)展，這種發(fā)展趨勢有一個(gè)必然的要求就是千方百計(jì)降低結(jié)構(gòu)自重。目前來說，降低結(jié)構(gòu)自重的途徑有兩種:一方面可以研制運(yùn)用輕質(zhì)高強(qiáng)的新型建筑材料，另一方面可以研究開發(fā)合理的結(jié)構(gòu)形式，在結(jié)構(gòu)受拉的部位采用膜或鋼索，而在受壓部分采用鋼或鋁合金構(gòu)件，只有膜、索、桿相結(jié)合同時(shí)使用，形成雜交結(jié)構(gòu)，理想的輕質(zhì)大跨度結(jié)構(gòu)才有可能實(shí)現(xiàn)。本文分別以國家體育場(鳥巢)和國家大劇院為例來探討大跨度公共建筑的結(jié)構(gòu)選型多樣化的問題。

2.國家體育場——“鳥巢”

2.1 “鳥巢”現(xiàn)有結(jié)構(gòu)選型

2008年北京奧運(yùn)會(huì)主體育場——“鳥巢”，是仿生式網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其形態(tài)如同孕育生命的“巢”，它更像一個(gè)搖籃，寄托著人類對未來的希望，設(shè)計(jì)師對這個(gè)國家體育場沒有做任何多余的處理，直接將結(jié)構(gòu)暴露在外，自然形成了建筑的外觀。

2．1．1 高度復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)

1)屋面部分:“鳥巢”是目前世界上跨度最大的體育建筑之一，建筑頂面呈鞍形，長軸332．3m，短軸為296．4m，最高點(diǎn)高度為68．5m，最低點(diǎn)高度為42．8m，外形結(jié)構(gòu)主要由巨大的門式鋼架組成，體育場中央有185．3m×127．5m的橢圓孔，屋蓋結(jié)構(gòu)采用交叉平面鋼架體系，主體鋼結(jié)構(gòu)由24榀柱距為37．958m的格構(gòu)式鋼架組成，它們繞著中央橢圓孔相互交叉環(huán)梁放射形布置，形成復(fù)雜而規(guī)律的空間網(wǎng)格體系，支撐起大跨度屋蓋。其中有22榀主桁架直通或接近直通，那么為了避免過于復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的形成，設(shè)計(jì)師將其中4榀主桁架在環(huán)梁近處截?cái)啵捎谥麒旒芘c內(nèi)環(huán)相切，會(huì)導(dǎo)致其中一些主桁架在平面外微彎。在此基礎(chǔ)上次構(gòu)件以隨機(jī)方式布置，即24根桁架柱與主桁架加上立面次結(jié)構(gòu)共同形成抗側(cè)力體系，最終形成我們所見到的十分自然的鳥巢外罩。

2)看臺(tái)部分:主場看臺(tái)部分采用了與大跨度鋼結(jié)構(gòu)完全脫開的鋼筋混凝土框架——剪力墻結(jié)構(gòu)體系，具體實(shí)施過程中多采用由鋼板焊接而成的箱型構(gòu)件。截面尺寸巨大的構(gòu)件導(dǎo)致存在大量空間扭曲的構(gòu)件，最終交叉布置的主結(jié)構(gòu)與屋面及立面的次結(jié)構(gòu)一起形成了“鳥巢”的特殊建筑造型。

2．1．2 膜結(jié)構(gòu)

“鳥巢”的膜結(jié)構(gòu)上層為鑲嵌在主體鋼結(jié)構(gòu)上層鋼梁網(wǎng)格之間的透明ETFE膜結(jié)構(gòu)，而下層則掛在主體鋼結(jié)構(gòu)下層鋼梁下面的半透明PTFE膜結(jié)構(gòu)吊頂。上層遮擋風(fēng)雨，下層既有吸聲作用還可以避免噪聲的干擾。此外，由于膜的半透光性使比賽場內(nèi)有足夠的亮度又避免產(chǎn)生強(qiáng)烈的陰影。

2．1．3 “鳥巢”結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)處理

“鳥巢”充分體現(xiàn)了建筑與結(jié)構(gòu)的融合，由建筑的結(jié)構(gòu)直接構(gòu)成建筑獨(dú)特的外觀元素;雨水系統(tǒng)與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在七根鋼柱內(nèi)設(shè)置落水系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)角度看，將格構(gòu)式鋼架用于如此大的跨度，其梁柱連接部位及跨中部位受力均較大，并不是十分理想的方案，必然會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)用鋼量過大。但是，在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師取消了可開啟屋蓋，相應(yīng)擴(kuò)大了屋頂開口，這樣用鋼量減少了22．3%，也提高了結(jié)構(gòu)的安全性。

2．2 新的結(jié)構(gòu)選型——“張拉式環(huán)形內(nèi)挑頂篷結(jié)構(gòu)”可行性分析

張拉整體結(jié)構(gòu)是由受拉系和壓桿群組成的，幾乎全由軸力受力桿件組成，同時(shí)具有穹頂和索的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，是迄今最佳的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系。如果將其中一種內(nèi)平衡式張拉整體結(jié)構(gòu)運(yùn)用到“鳥巢”的結(jié)構(gòu)之中，這種結(jié)構(gòu)的跨度可達(dá)到100－400m。并且這種結(jié)構(gòu)視覺效果好，半透明的環(huán)境感覺舒適;比現(xiàn)有的鳥巢結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理，頂層覆蓋材料，仍可選擇高強(qiáng)膜材。張拉整體結(jié)構(gòu)體系與膜材的高強(qiáng)輕質(zhì)特性結(jié)合，并進(jìn)一步開發(fā)出新型張拉式環(huán)形內(nèi)挑頂篷結(jié)構(gòu)，頂篷結(jié)構(gòu)由柔性的徑向索、環(huán)索、剛性的壓桿和外壓環(huán)組成，其主要受力構(gòu)件是高強(qiáng)度鋼索。張拉式環(huán)形內(nèi)挑頂篷這一結(jié)構(gòu)可以加大運(yùn)動(dòng)場兩側(cè)觀眾臺(tái)的覆蓋面積，從而提高觀眾臺(tái)的容量。

圖7 張拉式環(huán)形內(nèi)挑頂篷結(jié)構(gòu)

3.國家大劇院

3．1 國家大劇院現(xiàn)有結(jié)構(gòu)選型

國家大劇院位于人民大會(huì)堂的西側(cè)，整個(gè)建筑由橢圓形結(jié)構(gòu)中心(202區(qū)大劇院主體建筑)、南北兩側(cè)(201、203區(qū))的地下通道車庫及其他附屬配套設(shè)施構(gòu)成，它的主體建筑由歌劇院、戲劇院、音樂廳組成，總占地面積149520m2。

3．1．1 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

國家大劇院采用網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其中主體建筑——鋼橢球(殼體)是一個(gè)東西長212．2m，南北長143．64m，高46．285m的超大空間的鋼殼體。整個(gè)鋼殼體由頂環(huán)梁，梁架構(gòu)成主體骨架，梁架之間由連桿和斜撐連接，整個(gè)鋼殼體總重約6750噸。內(nèi)外兩球面不一樣的橢圓方程，給施工增添難度，尤其其平面、空間定位測量的難度均比較大。同時(shí)，超大型空間結(jié)構(gòu)的殼體，結(jié)構(gòu)體量頗大，要形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，只有等整個(gè)結(jié)構(gòu)待殼體完全形成后才行，那么如何保證施工階段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定至關(guān)重要。中心對稱輻射狀布置的梁架，每種同類構(gòu)件最多只有四件，對構(gòu)件的制作放樣及安裝順序要求頗高。

3．1．2 結(jié)構(gòu)骨架

1)頂環(huán)梁:采用 Φ1117．6－25．4THK 的鋼管，中間矩形框采用的是矩形箱型梁。整個(gè)頂環(huán)梁長度約為60m，寬度約為38m。頂環(huán)梁半圓區(qū)內(nèi)的擱柵呈放射狀分布;矩形框內(nèi)南北向擱柵采用60mm鋼板梁，東西向采用Φ194鋼管，擱柵呈網(wǎng)格狀分布。整個(gè)頂環(huán)梁總重約700噸。

2)梁架:分為A類(短軸梁架)、B類(長軸梁架)。A類梁架采用的是60mm厚鋼板制作形成，共46榀;B類梁架采用上下翼緣不等的焊接H型鋼，共102榀。斜撐及連桿均采用鋼管，連接方式有兩種，可見部分梁架之間連桿采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)連接，不可見區(qū)域連桿采用鋼套筒連接。

3．2 新的結(jié)構(gòu)選型——空間張弦結(jié)構(gòu)體系可行性分析

平面的張弦結(jié)構(gòu)是新型混合體系——以剛性構(gòu)件(通常為格構(gòu)式或?qū)嵏故降墓盎蛄?為上弦，柔性的“弦”(通常為高強(qiáng)索)為下弦，上下弦之間通過豎向撐桿連接。之所以稱之為張弦結(jié)構(gòu)是由于適當(dāng)預(yù)應(yīng)力的施加使結(jié)構(gòu)體系繃緊，像一張拉緊的弓。這種結(jié)構(gòu)顯著特點(diǎn)是自重相對來說較輕，并且有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。

當(dāng)平面的張弦結(jié)構(gòu)上弦為網(wǎng)殼或雙向交叉桁架等空間體系時(shí)，通過加設(shè)下弦索和豎向撐桿來進(jìn)行加強(qiáng)，即可形成空間張弦結(jié)構(gòu)。這種空間張弦結(jié)構(gòu)形式具有輕盈優(yōu)美的外觀，合理的受力和經(jīng)濟(jì)的材料，可以實(shí)現(xiàn)對大跨度的要求。如果在國家大劇院中應(yīng)用，可以考慮采用中央球面網(wǎng)殼的形式，設(shè)計(jì)由一系列按輻射方向布置的張弦桁架、環(huán)向豎直支撐和屋面水平支撐共同組成的弦支肋環(huán)型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。

4.結(jié)束語

近年來，大跨度結(jié)構(gòu)發(fā)展非常迅速，應(yīng)用也越來越廣泛，尤其是一些大型體育建筑和影劇院建筑。隨著大跨度結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)形式日益多樣化，技術(shù)水平也在不斷的提高。那么，如何在這種時(shí)代背景下，在考慮建筑的形式美觀、結(jié)構(gòu)合理、經(jīng)濟(jì)適用的前提下，選擇最適合的大跨度結(jié)構(gòu)類型，不僅僅需要有很好的結(jié)構(gòu)選型能力，還需要建筑師與結(jié)構(gòu)師的密切配合。只有他們共同的合作才會(huì)讓我們國家的大跨度建筑發(fā)展得越來越好，越來越先進(jìn)、美觀。

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