我國(guó)體育場(chǎng)館的大跨度空間結(jié)構(gòu)選型探討

謝羽+許云鵬+黃文武

摘要：體育場(chǎng)館多數(shù)需要大跨度空間，如何通過空間結(jié)構(gòu)選型實(shí)現(xiàn)其安全、經(jīng)濟(jì)、適用和美觀的綜合指標(biāo)是一個(gè)重要的問題。對(duì)國(guó)內(nèi)體育場(chǎng)館的大跨度空間結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行調(diào)研。對(duì)調(diào)研情況進(jìn)行分析可知，國(guó)內(nèi)最常用的結(jié)構(gòu)類型主要有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)3種，而國(guó)外的體育場(chǎng)館建設(shè)在結(jié)構(gòu)選型時(shí)更為豐富，此外，由于資金和技術(shù)方面的原因，國(guó)內(nèi)體育場(chǎng)館跨度普遍偏小。此外，在我國(guó)的各類大跨度體育場(chǎng)館建設(shè)中，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最早得到發(fā)展，桁架結(jié)構(gòu)和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)次之，膜結(jié)構(gòu)發(fā)展得最晚。因此，我國(guó)的大跨度體育場(chǎng)館建設(shè)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)新材料和新結(jié)構(gòu)類型的研究，綜合考慮各方面的因素選擇最合理的結(jié)構(gòu)類型，在賦予大跨度屋蓋一些新的功能，在獲得更佳的使用體驗(yàn)的同時(shí)，也延長(zhǎng)其服役年限。

關(guān)鍵詞：體育場(chǎng)館；大跨度；空間結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)選型；新型結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：G 818 文章編號(hào)：1009-783X（2017）02-0110-04 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

體育場(chǎng)館按用途可以分為田徑場(chǎng)館、游泳場(chǎng)館、體操場(chǎng)館、籃球場(chǎng)館等；按規(guī)模則可分為小型體育場(chǎng)館（3 000座以下）、中型體育場(chǎng)館（3 000-8 000座）和大型體育場(chǎng)館（8 000座以上）。由于體育比賽的特殊性，同時(shí)隨著體育產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，觀眾現(xiàn)場(chǎng)觀賽等需求越來越高，即使是小型體育場(chǎng)館往往也需要十幾米甚至更大跨度的空間結(jié)構(gòu)。19世紀(jì)后半期以來，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)得到了大力發(fā)展，大跨度結(jié)構(gòu)的建設(shè)也隨之上升到了一個(gè)新的高度，一大批剛度大、變形小、應(yīng)力分布均勻、自重輕、材料省的體育場(chǎng)館橫空出世。

建筑的安全、經(jīng)濟(jì)、適用和美觀是其最基本的4個(gè)方面，大跨度的體育場(chǎng)館因?yàn)樵谑褂脮r(shí)一般面臨較重大的活動(dòng)和較密集的人口，所以這些方面的性能更是廣受關(guān)注。國(guó)外有不少學(xué)者對(duì)此展開了研究和探討，例如：Majowiecki等對(duì)大跨度水平子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)荷載和雪荷載下的試驗(yàn)分析，還開展了動(dòng)力方面的研究Martins等通過體育場(chǎng)懸頂板的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究了風(fēng)和溫度對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的影響；Lewis等以某個(gè)體育場(chǎng)為背景探討了穹頂?shù)却罂缍冉Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的相關(guān)問題；Bertero以一個(gè)體育館為對(duì)象完成了隨機(jī)風(fēng)荷載作用下的大跨度結(jié)構(gòu)的可靠性分析；Collins等和Kivak等研究了體育場(chǎng)館建造過程中的經(jīng)濟(jì)性因素；Van等對(duì)體育場(chǎng)館的通風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索；Ahlfeldt等從體育場(chǎng)館的建筑外觀設(shè)計(jì)引發(fā)關(guān)于城市文化的討論。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)大跨度體育場(chǎng)館幾個(gè)基本方面也有開展研究，但相對(duì)較少，且大多集中在施工和監(jiān)控等方面。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于體育場(chǎng)館的大跨度空間結(jié)構(gòu)選型研究較少，然而作為概念設(shè)計(jì)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)選型的重要性不言而喻；因此，本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)大量的各類體育場(chǎng)館進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，力求探討國(guó)內(nèi)體育場(chǎng)館結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)時(shí)存在的一些問題，為我國(guó)今后的體育場(chǎng)館大跨度空間結(jié)構(gòu)選型提出建議。

1.我國(guó)已建體育場(chǎng)館的空間結(jié)構(gòu)類型

當(dāng)前，世界上常見的大跨度體育場(chǎng)館建設(shè)采用較多的包括10種空間結(jié)構(gòu)類型：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)（如圖1a所示）、桁架結(jié)構(gòu)（如圖1b所示）、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)（如圖1c所示）、拱結(jié)構(gòu)、張拉膜結(jié)構(gòu)（如圖1d所示）、薄殼結(jié)構(gòu)、剛架結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)（如圖1e所示）、折板結(jié)構(gòu)和充氣膜結(jié)構(gòu)。

以2008年北京奧運(yùn)水立方結(jié)構(gòu)為例，如圖1-d所示，其大小為176.538 9 mXl76.538 9 mX 29.378 6 m的立方體?！八⒎健钡母采w結(jié)構(gòu)采用充氣枕結(jié)構(gòu)，屋蓋和墻體的內(nèi)外表面均覆以充氣枕，最大的單個(gè)氣枕面積約71m2、跨度9 m左右，膜材的用量約30萬m2。

本文通過對(duì)我國(guó)各省市共計(jì)1524個(gè)各類體育場(chǎng)館的空間結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行收集和整理，數(shù)據(jù)主要來源于國(guó)內(nèi)主流建筑網(wǎng)站如筑龍網(wǎng)http：//www.zhulon4.com、久久建筑網(wǎng)http：//www.99jianzhu.com等，得到我國(guó)體育場(chǎng)館建設(shè)中各種結(jié)構(gòu)類型的分布情況，如圖2所示。

如圖2所示，在我國(guó)的體育場(chǎng)館建設(shè)中，最常采用的空間結(jié)構(gòu)類型主要有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)3種，合計(jì)占到總數(shù)的70%以上。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一般可分為雙層網(wǎng)架和三層網(wǎng)架。桁架結(jié)構(gòu)則更為簡(jiǎn)潔，對(duì)支座只產(chǎn)生豎向的荷載，而且易于與其他結(jié)構(gòu)組合使用，因此，應(yīng)用也十分廣泛。近年來出現(xiàn)的新型預(yù)應(yīng)力張弦桁架又進(jìn)一步推動(dòng)了它們的發(fā)展和應(yīng)用。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是近年來發(fā)展最快的大跨度空間結(jié)構(gòu)，它和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一樣由桿件和節(jié)點(diǎn)拼接而成，同時(shí)又具有薄殼結(jié)構(gòu)的空間曲面外形，尤其是其中的雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系，在大跨度體育場(chǎng)館的建設(shè)中應(yīng)用極廣。這3類大跨度空間結(jié)構(gòu)之所以在我國(guó)應(yīng)用最廣，是因?yàn)樗鼈兊慕?jīng)濟(jì)性好，建造難度低，這與我國(guó)的基本國(guó)情是相符的，我國(guó)的大跨度空間結(jié)構(gòu)起步晚，技術(shù)不成熟，資金也并不雄厚。前三者在我國(guó)之前的經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平下自然成為方案設(shè)計(jì)時(shí)的首選類型。

從圖2中還可以看出，在我國(guó)的體育場(chǎng)館建設(shè)中，以上3種之外的大跨度空間結(jié)構(gòu)類型應(yīng)用較少，例如充氣膜結(jié)構(gòu)，應(yīng)用幾乎為零。膜結(jié)構(gòu)主要分為張拉膜結(jié)構(gòu)（如圖1d所示）和充氣膜結(jié)構(gòu)，張拉膜結(jié)構(gòu)主要通過索鋼架，網(wǎng)殼等支撐膜材料形成室內(nèi)空問；充氣膜結(jié)構(gòu)則是向膜內(nèi)充氣，造成室內(nèi)外的壓力差，使膜膨脹形成室內(nèi)空間。較之傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)，膜結(jié)構(gòu)具有的最大特點(diǎn)就是自重輕，可形成半透明的室內(nèi)空間，降低照明能耗，夜間又可依靠室內(nèi)燈光營(yíng)造出奇幻的景觀，同時(shí)外形又極具雕塑感，給人視覺上極大的享受。拱結(jié)構(gòu)歷史悠久，可以充分利用材料的抗壓性能，而且其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)造型使其在跨越較大的跨度時(shí)幾乎沒有彎矩，在現(xiàn)代大跨度結(jié)構(gòu)體育場(chǎng)館中主要和桁架結(jié)構(gòu)結(jié)合形成獨(dú)特的拱桁架結(jié)構(gòu)。懸索結(jié)構(gòu)利用的是材料的抗拉性能，因此，通過使用高強(qiáng)材料可以大大減輕懸索結(jié)構(gòu)的自重，而且懸索結(jié)構(gòu)安裝簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)跨度越大優(yōu)勢(shì)越明顯。薄殼結(jié)構(gòu)模仿蛋殼的結(jié)構(gòu)，在所有的大跨度空間結(jié)構(gòu)中整體性最好，受力最為均勻。折板結(jié)構(gòu)和剛架結(jié)構(gòu)則從結(jié)構(gòu)力學(xué)上講最為簡(jiǎn)單。這些空間結(jié)構(gòu)類型之所以在我國(guó)應(yīng)用較少，大多是由于它們往往需要生產(chǎn)特定的材料，進(jìn)行特定的施工，例如薄殼結(jié)構(gòu)前期就需要耗費(fèi)大量的人力來燒制相應(yīng)的模板，拱結(jié)構(gòu)需要耗費(fèi)大量材料來抵消支座產(chǎn)生的橫向推力，懸索結(jié)構(gòu)同樣需要耗費(fèi)大量材料處理支座問題，而且結(jié)構(gòu)計(jì)算的難度也大大增加。這些大跨度空間結(jié)構(gòu)類型在國(guó)外都得到了一定程度的應(yīng)用，說明它們并非沒有特點(diǎn)或是無可取之處，主要是受到經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平的制約。

2.國(guó)內(nèi)大跨度體育場(chǎng)館建設(shè)情況分析

通過對(duì)1524個(gè)各類體育場(chǎng)館樣本的建造年代進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖3所示，20世紀(jì)80年代以前，我國(guó)的大跨度體育場(chǎng)館的建設(shè)數(shù)量非常少。近40年來，我國(guó)的體育館建設(shè)呈現(xiàn)數(shù)量穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì)（第1組數(shù)量略多于第2組是由于其包括1975年前的數(shù)十年，時(shí)間跨度較大），尤其是近10年，出現(xiàn)了爆發(fā)式增長(zhǎng)的局面，這是由于我國(guó)實(shí)行改革開放后經(jīng)濟(jì)得到了快速發(fā)展，開始重視基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，大跨度體育場(chǎng)館開始得到大規(guī)模建設(shè)，經(jīng)過20年的努力，大跨度空間建筑結(jié)構(gòu)悄然間開始廣受關(guān)注，數(shù)量與日俱增，建設(shè)的技術(shù)水平開始突飛猛進(jìn)。面對(duì)當(dāng)前如火如荼的體育場(chǎng)館建設(shè)，對(duì)已有的大跨度體育場(chǎng)館建設(shè)進(jìn)行總結(jié)，探討其大跨度空間結(jié)構(gòu)的選型問題，對(duì)于指導(dǎo)日后的體育場(chǎng)館建設(shè)是十分必要的。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖4所示，數(shù)據(jù)主要來源于國(guó)內(nèi)主流建筑網(wǎng)站。從圖4可以看出，我國(guó)有超過60%的體育場(chǎng)館的跨度都在100 m以下，僅有17%的體育場(chǎng)館跨度達(dá)到了150 m以上。究其原因，除了使用需要方面的原因之外，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)情況及施工技術(shù)水平同樣是重要的原因。體育場(chǎng)館跨度的增加，會(huì)引起研究、設(shè)計(jì)、建造費(fèi)用的大幅攀升，這一點(diǎn)從跨度分布的地域性上也可以看出，較大跨度的體育館集中分布在北京、上海、廣州等地區(qū)，而大部分二三線城市中以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，跨度較小的體育館居多。

將各種大跨度空間結(jié)構(gòu)類型的體育場(chǎng)館的建造年代分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖5所示。近些年，雖然我國(guó)體育場(chǎng)館建設(shè)數(shù)量突飛猛進(jìn)，但主要仍局限在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。桁架結(jié)構(gòu)和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)80年代中期以前，我國(guó)的大跨度體育館結(jié)構(gòu)以網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為主，80年代以后，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與桁架結(jié)構(gòu)逐漸得到發(fā)展，進(jìn)入21世紀(jì)，這3種傳統(tǒng)類型的大跨度體育場(chǎng)館的數(shù)量更是大幅增長(zhǎng)。這一局面的造成仍然與施工技術(shù)水平是密不可分的，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，所以起步最早，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)建造難度相對(duì)較大；但憑借其在造型、審美等方面的優(yōu)勢(shì)也漸漸得到了良好的發(fā)展。值得注意的是，近年來，膜結(jié)構(gòu)得到了一定程度的發(fā)展，這也迎合了主流發(fā)展趨勢(shì)，例如上海的虹橋體育場(chǎng)、廣東佛山世紀(jì)蓮體育中心游泳館體育場(chǎng)館等都是張拉膜結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用，而2008年北京奧運(yùn)會(huì)的國(guó)家游泳中心則是為數(shù)不多的充氣膜結(jié)構(gòu)的代表。

3.結(jié)論

1）改革開放以來，我國(guó)的大跨度體育場(chǎng)館建設(shè)取得了較大的發(fā)展，在最近的10余年里，數(shù)量上呈現(xiàn)了爆發(fā)式增長(zhǎng)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升是重要原因。

2）在我國(guó)的體育場(chǎng)館建設(shè)中，當(dāng)前最常用的結(jié)構(gòu)類型主要有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)3種，其余的一些大跨度空間結(jié)構(gòu)類型應(yīng)用較少。

3）在我國(guó)的各類大跨度體育場(chǎng)館建設(shè)中，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最早得到發(fā)展，桁架結(jié)構(gòu)和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)次之，近年來膜結(jié)構(gòu)也得到了一定程度的發(fā)展。

4）我國(guó)的大跨度體育場(chǎng)館建設(shè)要加強(qiáng)對(duì)新材料和新結(jié)構(gòu)類型的研究，綜合考慮各方面的因素選擇最合理的結(jié)構(gòu)類型，賦予大跨度屋蓋一些新的功能，在獲得更佳的使用體驗(yàn)的同時(shí)，也延長(zhǎng)其服役年限。

4.建議

1）加強(qiáng)對(duì)薄殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)類型的研究，以此豐富現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建設(shè)選擇。

2）在進(jìn)行大跨度體育場(chǎng)館建設(shè)時(shí)，首先應(yīng)考慮的是場(chǎng)館結(jié)構(gòu)，因?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)是決定其各方面性能的關(guān)鍵，在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步綜合考慮建筑的安全性、經(jīng)濟(jì)性、適用性和美觀性等。

3）充分挖掘和利用大跨度屋蓋的新功能，例如利用網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)開合式屋蓋，利用薄殼結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)提高保溫性能等。

4）在結(jié)構(gòu)選型的時(shí)候，考慮建筑材料的環(huán)保性等因素。用新型的環(huán)保材料逐漸取代舊有的高耗能材料已是基本趨勢(shì)，在結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這些因素在內(nèi)。

致謝：

特別感謝湖南大學(xué)土木工程學(xué)院張鵠志博士在本文的研究和撰寫中給出的幫助和建議。