讓每一棟建筑成為庇護生命的“諾亞方舟”

■ 北京市建筑設(shè)計研究院有限公司九洲體育館設(shè)計團隊

10年前的5月13日，位于四川省綿陽市的九洲體育館成為了“5·12”汶川特大地震受災(zāi)群眾的臨時安置場所，先后接納了受災(zāi)群眾10萬余人次，僅2008年5月13日就接收來自北部及震中北川縣近3萬人，進出人數(shù)40萬~50萬。在隨后萬余次余震中，體育館主體結(jié)構(gòu)完好，在館中避難的災(zāi)民毫發(fā)無損，九洲體育館被譽為大地震中的“諾亞方舟”。

九洲體育館由北京市建筑設(shè)計研究院有限公司（以下簡稱“北京建院”）設(shè)計，由北京建工集團施工，凝結(jié)了設(shè)計人員和建設(shè)者的智慧與汗水。筆者作為該工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計負責(zé)人，試對九洲體育館的設(shè)計思路、設(shè)計體會進行總結(jié)、分析，以期為提升設(shè)計質(zhì)量、提高建筑抗震性提供借鑒和參考。

設(shè)計背景

九洲體育館面積約2.4萬平方米，與奧運工程相比，規(guī)模很小，但因為是外地項目，所以按北京建院的質(zhì)量管理規(guī)定確定為院級管理項目，由技委會討論通過后確定結(jié)構(gòu)方案。討論綿陽九洲體育館結(jié)構(gòu)方案時，北京建院胡慶昌、程懋、柯長華、齊五輝四代總工程師（均為全國工程勘察設(shè)計大師）到會討論、審查，并提出了寶貴的意見和建議。

圖1 建筑效果圖

九洲體育館建筑屋面造型新穎獨特，建筑師和甲方要求結(jié)構(gòu)工程師依據(jù)中標方案的構(gòu)思展現(xiàn)結(jié)構(gòu)的力度美，須采用盡可能少的桿件以保證美觀的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)屋蓋造型，采用四個落地拱架作為主要承重結(jié)構(gòu)，拱架之間設(shè)置立體或平面桁架作為次要結(jié)構(gòu)，配以支撐體系，形成完整的空間結(jié)構(gòu)體系（圖2）。其結(jié)構(gòu)設(shè)計有以下難點：一是支座數(shù)量很少、支座間跨度大。二是荷載通過四個拱單向傳力，空間作用不明顯，如何保證體系的穩(wěn)定性和完整性也是設(shè)計的難點。特別是建筑造型需要呈現(xiàn)兩片樹葉的效果，因此要求中拱之間的空間下凹，這對結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性更為不利（圖3）。三是拱腳推力大，這是拱架基礎(chǔ)設(shè)計的特點和難點。

同時，胡慶昌大師特別提醒并強調(diào)，該工程雖然面積不大，但是拱的跨度大（主拱跨度165米，是國內(nèi)跨度最大的拱形體育館）、中間支座少，設(shè)計難度較高，此類大跨拱結(jié)構(gòu)一定要解決好大拱支座之間的大推力問題，最好的辦法是在柱腳之間設(shè)置預(yù)應(yīng)力拉桿，預(yù)先張拉，平衡掉巨大推力，我們招標的圖紙就是采用了最直接也最穩(wěn)妥的預(yù)應(yīng)力拉桿方案，如圖4所示。但后期因為建筑物東側(cè)地下室需設(shè)置訓(xùn)練館，若設(shè)置預(yù)應(yīng)力混凝土拉桿會給建筑設(shè)計帶來很大的困難；同時，施工工期很緊，預(yù)應(yīng)力混凝土拉桿貫穿場地，會影響場地土回填，嚴重影響施工進度，因此只好放棄預(yù)應(yīng)力拉桿方案。對此，胡慶昌大師建議，因為該項目拱架結(jié)構(gòu)支座非常少，地震時支座隨地基的變形有可能導(dǎo)致上部屋蓋結(jié)構(gòu)完全崩潰，要千萬注意地震時的支座變形對結(jié)構(gòu)的不利影響。原來采用的預(yù)應(yīng)力拉桿不僅在靜力狀態(tài)下可以平衡拱腳推力，在地震時尤為重要。地震時預(yù)應(yīng)力拉桿可約束支座的變形，使結(jié)構(gòu)處于自平衡狀態(tài)，即使地震時兩側(cè)地基有變形，結(jié)構(gòu)也能處于安全狀態(tài)。

當(dāng)時四川震區(qū)普遍設(shè)防烈度偏低，綿陽地區(qū)設(shè)防烈度為6度，（汶川地震發(fā)生后，已作調(diào)整），而胡慶昌大師的提醒令設(shè)計團隊驚醒，重新把抗震作為重中之重。同時，北京建院對此項目也非常重視，對這個只有2.4萬平方米的項目提供了科研立項資助。

設(shè)計要點

設(shè)計標準

工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，抗震設(shè)防烈度為6度，建筑抗震設(shè)防類別為乙類（因觀眾座位6050座），場地為II類。

結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)布置

屋頂結(jié)構(gòu)由中拱、邊拱、邊拱和中拱之間的次桁架、中拱之間的次桁架以及支撐體系組成，盡量保證結(jié)構(gòu)體系的完備性和整體性，體現(xiàn)在以下幾方面：

1999年，Robert Greubel與Stephen Forsey開始攜手研發(fā)新一代陀飛輪技術(shù)，務(wù)求提升機械表走時精確度。四年后，兩人成立Greubel Forsey品牌，并推出首項創(chuàng)新時計30度雙體陀飛輪(Double Tourbillon 30°)，清晰展示兩位制表大師追求創(chuàng)新及優(yōu)越性能的理想，引起表壇及腕表收藏界的騷動。 Robert Greubel與Stephen Forsey分別擁有近二十年研發(fā)復(fù)雜機械表的資歷，傳統(tǒng)制表工藝造詣深厚，兩人在研發(fā)新一代高性能復(fù)雜時計技術(shù)的同時，亦不忘嚴守傳動工藝美學(xué)精神。

（1）在三角形格構(gòu)式拱架的構(gòu)成上，每個面的桿件均布置為“米”字型，保證每個節(jié)點的空間幾何穩(wěn)定性；

（2）次桁架與中拱相連點在三個方向都有桿件支撐，保證次桁架聯(lián)系部位能夠可靠傳力以及關(guān)鍵構(gòu)件的穩(wěn)定性和可靠性；

（3）設(shè)置比較完善的支撐體系，支撐體系由縱向支撐(桁架)、斜支撐、保證平面桁架下弦穩(wěn)定的隅撐以及中拱與內(nèi)部下凹桁架聯(lián)系的支撐組成。特別是在中拱桁架之間因建筑造型需要下凹，這對空間體系的穩(wěn)定性不利，為加強中拱之間的聯(lián)系，在中拱與內(nèi)部下凹桁架間布置了空間形式的支撐。屋蓋結(jié)構(gòu)各部分互相聯(lián)系，相互支撐，形成穩(wěn)定體系。

考慮突發(fā)、意外事件的防連續(xù)倒塌分析

雖然綿陽為6度區(qū)，但對于這類大型重要結(jié)構(gòu)的設(shè)計，仍須考慮各種突發(fā)、意外情況下結(jié)構(gòu)的安全性，做到結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位出現(xiàn)意外時，不會出現(xiàn)連續(xù)垮塌。重點考慮以下兩種工況：

（1）中拱或邊拱的拱腳發(fā)生支座位移，對結(jié)構(gòu)承載力的影響；

（2）邊拱筒體上的支座由于混凝土的開裂、裂縫，造成其水平剛度退化或失效，變成僅豎向約束的支座，研究這種邊界條件變化對結(jié)構(gòu)承載力的影響。

以上兩個方面的計算確保了在支座發(fā)生變化時，不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)垮塌破壞。另一方面，也從概念上保證了在地震發(fā)生時，拱腳產(chǎn)生位移或混凝土筒體開裂、剛度退化造成的屋頂支座條件發(fā)生變化時，屋頂不會發(fā)生連續(xù)垮塌事故。

中拱和邊拱拱腳支座基礎(chǔ)設(shè)計

該工程空間拱架跨度大，支座間距離達165米?；A(chǔ)形式為重力式抗推基礎(chǔ)（見圖5、圖6）。針對本工程支座少的情況，基礎(chǔ)設(shè)計進行了多方面核算，留有一定的安全儲備，確保萬無一失。

基礎(chǔ)設(shè)計進行了如下設(shè)計計算：（1）巖體承載力抗推、抗壓驗算；（2）對僅利用基底摩擦力來抵抗水平推力進行了驗算，驗算結(jié)果顯示僅靠摩擦力也可抵抗水平推力；（3）為防止推力過大導(dǎo)致巖石面滑裂，采用圓弧滑動面法對巖體地基穩(wěn)定性進行了驗算。該工程對支座變形進行了觀測。

結(jié)構(gòu)用鋼量

在支座數(shù)量很少、支座間跨度大的不利條件下，區(qū)分主次體系結(jié)構(gòu)重要性，對不同的部位控制不同的應(yīng)力比，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計用鋼量為1200噸，按罩棚面積折算單位面積用鋼量92千克/平方米。采用Q345B鋼材。

精心設(shè)計和優(yōu)良的施工建造共同保證了九洲體育館“大震不倒”。（圖7）該項目設(shè)計榮獲2007年第五屆全國優(yōu)秀結(jié)構(gòu)設(shè)計二等獎、2008年全國優(yōu)秀結(jié)構(gòu)設(shè)計行業(yè)二等獎。施工榮獲2006年鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會“金鋼獎”。

設(shè)計體會

（1）對于空間結(jié)構(gòu)要從結(jié)構(gòu)布置上保證體系的穩(wěn)定性和完整性，并優(yōu)化經(jīng)濟指標。應(yīng)區(qū)分主次體系結(jié)構(gòu)重要性，對不同的部位控制不同的應(yīng)力比，以達到既安全又經(jīng)濟的效果。

（2）拱形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)主要承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來的推力，并且還須保證拱腳不產(chǎn)生側(cè)移，是拱形結(jié)構(gòu)設(shè)計成敗的關(guān)鍵。應(yīng)多方案比較，采取穩(wěn)妥、可靠的方案。如拱腳基礎(chǔ)無可靠保證，須增加驗算拱在基礎(chǔ)側(cè)移下的內(nèi)力和穩(wěn)定。

（3）屋蓋支座形式和約束的要求對空間結(jié)構(gòu)受力的合理性、安全性和經(jīng)濟指標十分重要，應(yīng)反復(fù)優(yōu)化比較。對于支座數(shù)目少、支座反力大的大跨空間結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)設(shè)計中應(yīng)具有一定的安全儲備，以防止支座失效導(dǎo)致連續(xù)垮塌。

（4）對于經(jīng)歷地震作用的空間結(jié)構(gòu)應(yīng)對關(guān)鍵部位進行認真仔細檢測，以避免關(guān)鍵部位出現(xiàn)損傷，以應(yīng)對可能遭受的反復(fù)余震的考驗。

圖7 九洲體育館成為汶川地震中的臨時避難所

同時，作為結(jié)構(gòu)工程師, 職業(yè)生涯始終要與地震“斗爭”，此次項目設(shè)計實踐更令筆者深感責(zé)任重大，對每一個工程都不可放松：

首先，對于每一棟建筑的抗震都需要高度重視。因為地震發(fā)生具有偶然性，因此對設(shè)防烈度低地區(qū)的建筑設(shè)計也不可忽視抗震問題，數(shù)十年來，很多6度地震區(qū)發(fā)生了較大的地震，甚至特大地震，例如1976年的唐山地震和2008年的汶川地震，唐山地震達到了10度~11度，汶川地震中很多地區(qū)也都大大超過了6度。

其次，嚴格管理勘察、設(shè)計和施工各個環(huán)節(jié)。嚴守土木工程的實施規(guī)程、嚴格把控建設(shè)過程的各個環(huán)節(jié)，是目前行業(yè)對付地震最為有效的武器。

九洲體育館設(shè)計過程中的各個環(huán)節(jié)，由北京建院的四位大師、原總工程師把關(guān)，對關(guān)鍵環(huán)節(jié)預(yù)先把控，保證了設(shè)計的高質(zhì)量完成，使建筑避免了大震破壞，九洲體育館的“大震不倒”是北京院多年技術(shù)積淀、知識傳遞的成果，也是嚴守設(shè)計規(guī)程、嚴把質(zhì)量關(guān)的成果。

除了九洲體育館，很多規(guī)范設(shè)計、規(guī)范施工的建筑物也都表現(xiàn)良好，達到了規(guī)范的抗震目標。例如，中建西南設(shè)計院設(shè)計的200多所“普及九年義務(wù)教育”學(xué)校，其中不少是在強震區(qū)，在地震中無一倒塌。這也再次說明了嚴格管理建設(shè)過程各個環(huán)節(jié)是建筑物“大震不倒”的保證。

汶川地震造成的巨大破壞以及人員傷亡引發(fā)了業(yè)內(nèi)的廣泛反思。建筑廢墟可以在短時間重建，城市面貌可以煥然一新，但地震造成的慘重人員傷亡是不可逆轉(zhuǎn)的，幸存者的心靈創(chuàng)傷是短時間難以修復(fù)的。愿業(yè)內(nèi)同仁勇?lián)?zé)任，以專業(yè)、負責(zé)、高質(zhì)量的設(shè)計守護每一個家庭的幸福、每一座城市的安全，把每一棟建筑建成大地震中的“諾亞方舟”。（本文由周筍執(zhí)筆）