謝羽+許云鵬+黃文武

摘要：體育場館多數(shù)需要大跨度空間，如何通過空間結(jié)構(gòu)選型實現(xiàn)其安全、經(jīng)濟、適用和美觀的綜合指標(biāo)是一個重要的問題。對國內(nèi)體育場館的大跨度空間結(jié)構(gòu)選型進行調(diào)研。對調(diào)研情況進行分析可知，國內(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，而國外的體育場館建設(shè)在結(jié)構(gòu)選型時更為豐富，此外，由于資金和技術(shù)方面的原因，國內(nèi)體育場館跨度普遍偏小。此外，在我國的各類大跨度體育場館建設(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，我國的大跨度體育場館建設(shè)應(yīng)加強對新材料和新結(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的同時，也延長其服役年限。

關(guān)鍵詞：體育場館；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：G 818 文章編號：1009-783X（2017）02-0110-04 文獻標(biāo)志碼：A

體育場館按用途可以分為田徑場館、游泳場館、體操場館、籃球場館等；按規(guī)模則可分為小型體育場館（3 000座以下）、中型體育場館（3 000-8 000座）和大型體育場館（8 000座以上）。由于體育比賽的特殊性，同時隨著體育產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，觀眾現(xiàn)場觀賽等需求越來越高，即使是小型體育場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、材料省的體育場館橫空出世。

建筑的安全、經(jīng)濟、適用和美觀是其最基本的4個方面，大跨度的體育場館因為在使用時一般面臨較重大的活動和較密集的人口，所以這些方面的性能更是廣受關(guān)注。國外有不少學(xué)者對此展開了研究和探討，例如：Majowiecki等對大跨度水平子結(jié)構(gòu)進行了風(fēng)荷載和雪荷載下的試驗分析，還開展了動力方面的研究Martins等通過體育場懸頂板的動態(tài)監(jiān)測研究了風(fēng)和溫度對結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的影響；Lewis等以某個體育場為背景探討了穹頂?shù)却罂缍冉Y(jié)構(gòu)設(shè)計和施工的相關(guān)問題；Bertero以一個體育館為對象完成了隨機風(fēng)荷載作用下的大跨度結(jié)構(gòu)的可靠性分析；Collins等和Kivak等研究了體育場館建造過程中的經(jīng)濟性因素；Van等對體育場館的通風(fēng)設(shè)計進行了探索；Ahlfeldt等從體育場館的建筑外觀設(shè)計引發(fā)關(guān)于城市文化的討論。國內(nèi)學(xué)者針對大跨度體育場館幾個基本方面也有開展研究，但相對較少，且大多集中在施工和監(jiān)控等方面。當(dāng)前，國內(nèi)外關(guān)于體育場館的大跨度空間結(jié)構(gòu)選型研究較少，然而作為概念設(shè)計的第一個環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)選型的重要性不言而喻；因此，本文通過對國內(nèi)大量的各類體育場館進行統(tǒng)計研究，力求探討國內(nèi)體育場館結(jié)構(gòu)選型設(shè)計時存在的一些問題，為我國今后的體育場館大跨度空間結(jié)構(gòu)選型提出建議。

1.我國已建體育場館的空間結(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。

本文通過對我國各省市共計1524個各類體育場館的空間結(jié)構(gòu)特性進行收集和整理，數(shù)據(jù)主要來源于國內(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，得到我國體育場館建設(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，在我國的體育場館建設(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)則更為簡潔，對支座只產(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)力張弦桁架又進一步推動了它們的發(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)點拼接而成，同時又具有薄殼結(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)之所以在我國應(yīng)用最廣，是因為它們的經(jīng)濟性好，建造難度低，這與我國的基本國情是相符的，我國的大跨度空間結(jié)構(gòu)起步晚，技術(shù)不成熟，資金也并不雄厚。前三者在我國之前的經(jīng)濟技術(shù)水平下自然成為方案設(shè)計時的首選類型。

從圖2中還可以看出，在我國的體育場館建設(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)燈光營造出奇幻的景觀，同時外形又極具雕塑感，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，而且其獨特的結(jié)構(gòu)造型使其在跨越較大的跨度時幾乎沒有彎矩，在現(xiàn)代大跨度結(jié)構(gòu)體育場館中主要和桁架結(jié)構(gòu)結(jié)合形成獨特的拱桁架結(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)安裝簡便，結(jié)構(gòu)跨度越大優(yōu)勢越明顯。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)上講最為簡單。這些空間結(jié)構(gòu)類型之所以在我國應(yīng)用較少，大多是由于它們往往需要生產(chǎn)特定的材料，進行特定的施工，例如薄殼結(jié)構(gòu)前期就需要耗費大量的人力來燒制相應(yīng)的模板，拱結(jié)構(gòu)需要耗費大量材料來抵消支座產(chǎn)生的橫向推力，懸索結(jié)構(gòu)同樣需要耗費大量材料處理支座問題，而且結(jié)構(gòu)計算的難度也大大增加。這些大跨度空間結(jié)構(gòu)類型在國外都得到了一定程度的應(yīng)用，說明它們并非沒有特點或是無可取之處，主要是受到經(jīng)濟技術(shù)水平的制約。

2.國內(nèi)大跨度體育場館建設(shè)情況分析

通過對1524個各類體育場館樣本的建造年代進行統(tǒng)計，如圖3所示，20世紀(jì)80年代以前，我國的大跨度體育場館的建設(shè)數(shù)量非常少。近40年來，我國的體育館建設(shè)呈現(xiàn)數(shù)量穩(wěn)步增長的趨勢（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，時間跨度較大），尤其是近10年，出現(xiàn)了爆發(fā)式增長的局面，這是由于我國實行改革開放后經(jīng)濟得到了快速發(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。面對當(dāng)前如火如荼的體育場館建設(shè)，對已有的大跨度體育場館建設(shè)進行總結(jié)，探討其大跨度空間結(jié)構(gòu)的選型問題，對于指導(dǎo)日后的體育場館建設(shè)是十分必要的。

通過對國內(nèi)樣本進行統(tǒng)計，如圖4所示，數(shù)據(jù)主要來源于國內(nèi)主流建筑網(wǎng)站。從圖4可以看出，我國有超過60%的體育場館的跨度都在100 m以下，僅有17%的體育場館跨度達到了150 m以上。究其原因，除了使用需要方面的原因之外，我國的經(jīng)濟情況及施工技術(shù)水平同樣是重要的原因。體育場館跨度的增加，會引起研究、設(shè)計、建造費用的大幅攀升，這一點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)類型的體育場館的建造年代分別進行統(tǒng)計，如圖5所示。近些年，雖然我國體育場館建設(shè)數(shù)量突飛猛進，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，進入21世紀(jì)，這3種傳統(tǒng)類型的大跨度體育場館的數(shù)量更是大幅增長。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)最為簡單，所以起步最早，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)建造難度相對較大；但憑借其在造型、審美等方面的優(yōu)勢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，例如上海的虹橋體育場、廣東佛山世紀(jì)蓮體育中心游泳館體育場館等都是張拉膜結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用，而2008年北京奧運會的國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，我國的大跨度體育場館建設(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，我國經(jīng)濟實力的提升是重要原因。

2）在我國的體育場館建設(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）在我國的各類大跨度體育場館建設(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）我國的大跨度體育場館建設(shè)要加強對新材料和新結(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的同時，也延長其服役年限。

4.建議

1）加強對薄殼結(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)計和建設(shè)選擇。

2）在進行大跨度體育場館建設(shè)時，首先應(yīng)考慮的是場館結(jié)構(gòu)，因為建筑結(jié)構(gòu)是決定其各方面性能的關(guān)鍵，在此基礎(chǔ)上，再進一步綜合考慮建筑的安全性、經(jīng)濟性、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，在結(jié)構(gòu)概念設(shè)計時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。