丁潔民 錢(qián)鋒 張?jiān)聫?qiáng)

1同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司

2同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

結(jié)構(gòu)建筑學(xué)（Archi-Neering）是以結(jié)構(gòu)主義思維方式為基礎(chǔ)，以結(jié)構(gòu)理性主義為原則，滲透結(jié)構(gòu)、暖通、電氣各工程設(shè)計(jì)需求并以之為創(chuàng)新觸發(fā)媒介的建筑設(shè)計(jì)理念。這一理念不僅要求結(jié)構(gòu)和建筑互相發(fā)現(xiàn)、吸引對(duì)方，更是跨越二者簡(jiǎn)單合一的初級(jí)狀態(tài)，形成一種互相滲透、解放、激發(fā)本體創(chuàng)新的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程。體育建筑一般為大跨度結(jié)構(gòu)，需要秉承結(jié)構(gòu)建筑學(xué)的理念，將體育建筑的結(jié)構(gòu)、形象和空間有機(jī)結(jié)合，達(dá)到“結(jié)構(gòu)成就建筑之美，建筑展現(xiàn)結(jié)構(gòu)之妙”的設(shè)計(jì)效果。

建筑和結(jié)構(gòu)的關(guān)系應(yīng)該是一種互相吸引和交流的關(guān)系，有點(diǎn)像婚姻關(guān)系，要有包容、理解之心，這樣才能相互成就。這正是Archi-Neering所體現(xiàn)的內(nèi)涵，也是我們多年來(lái)所追求的體育建筑的“本質(zhì)”，即體育建筑空間、造型和結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合。

1 建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相協(xié)調(diào)

體育建筑中建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)與融合主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)三個(gè)層面。

1.1 結(jié)構(gòu)體系與建筑設(shè)計(jì)相協(xié)調(diào)

結(jié)構(gòu)體系應(yīng)滿足體育建筑空間和造型要求，即應(yīng)根據(jù)建筑外部造型和內(nèi)部空間選擇合適的結(jié)構(gòu)體系，滿足建筑的使用功能要求（圖1～3）。如寶安體育場(chǎng)、倫敦自行車(chē)館和德班體育場(chǎng)項(xiàng)目通過(guò)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)建筑造型，營(yíng)造出通透的室內(nèi)建筑空間，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與建筑的完美融合。

結(jié)構(gòu)體系要和室內(nèi)空間感受相吻合。常熟市體育館采用六道環(huán)索的聯(lián)方形弦支穹頂結(jié)構(gòu)（圖4），降低了撐桿高度，滿足了建筑對(duì)室內(nèi)凈空高度的要求。列治文奧運(yùn)滑冰館采用新型的木拱結(jié)構(gòu)體系，與室內(nèi)裝修風(fēng)格完全一致（圖5），達(dá)到了結(jié)構(gòu)體系和建筑風(fēng)格的統(tǒng)一。

結(jié)構(gòu)體系選材應(yīng)滿足建筑功能要求，根據(jù)建筑使用功能選擇合適的結(jié)構(gòu)材料。顧拜旦五項(xiàng)賽事中心室內(nèi)濕度較大，采用了防腐性能較好的鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)（圖6）。俄羅斯喀山游泳館位于氣候惡劣地區(qū)，為了賦予建筑內(nèi)部獨(dú)特的外觀，并給人以溫暖親切感，采用了膠合木結(jié)構(gòu)（圖7）。

結(jié)構(gòu)體系的選擇應(yīng)與自然采光相結(jié)合或采用與結(jié)構(gòu)融合的采光體系。鮑思高學(xué)校體育館巧妙地將自然光引入室內(nèi)（圖8），節(jié)約能源的同時(shí)也提高了能源利用效率。同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)體育館將導(dǎo)光管和張弦梁撐桿進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，營(yíng)造出滿天星的效果，增強(qiáng)了建筑的光影效果和藝術(shù)表現(xiàn)。

1.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件與建筑設(shè)計(jì)相融合

結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身需要具有美感，可以通過(guò)重復(fù)布置的方式產(chǎn)生節(jié)奏感和韻律美，幫助建筑師實(shí)現(xiàn)建筑的藝術(shù)效果（圖9）。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要通過(guò)合理的布置達(dá)到合理的受力，體現(xiàn)力與美的結(jié)合。復(fù)旦正大體育館采用拱結(jié)構(gòu)承擔(dān)部分屋面荷載，拱截面比較纖細(xì)，滿足建筑造型的需要。屋蓋吊索形成琴弦式扇形布置，展現(xiàn)出力與形的輕柔之美（圖10）。

1 寶安體育場(chǎng)(輪輻式張拉結(jié)構(gòu)）

2 倫敦自行車(chē)館（單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)）

3 德班體育場(chǎng)(拱索結(jié)構(gòu)，南非）

4 常熟市體育館（聯(lián)方形弦支穹頂）

5 列治文奧運(yùn)滑冰館（新型木拱結(jié)構(gòu)，加拿大）

7 俄羅斯喀山游泳館（膠合木張弦梁組合結(jié)構(gòu)）

8 鮑思高學(xué)校體育館（烏拉圭）

9 V形柱的序列化布置（列治文奧運(yùn)滑冰館）

10 復(fù)旦正大體育館

11 崇明綜合訓(xùn)練館網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)示意

12 崇明游泳館網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)示意

13 同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)游泳館節(jié)點(diǎn)示意

14 列治文奧運(yùn)滑冰館銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)示意

15 崇明游泳館拉索節(jié)點(diǎn)示意

1.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)相融合

結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)可采用隱藏式設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)純凈的室內(nèi)空間。在崇明體育中心綜合訓(xùn)練館的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中（圖11），鋁合金單層網(wǎng)殼采用不銹鋼板式節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)體系能夠完整融合在一起，實(shí)現(xiàn)整潔有韻律的內(nèi)部空間。崇明游泳館節(jié)點(diǎn)在安裝前開(kāi)孔，完成螺栓和鉚釘安裝后加蓋節(jié)點(diǎn)蓋板，避免螺栓外露，保證了室內(nèi)效果的完整性（圖12）。

對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)建筑之美。同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)游泳館的張弦梁采用了撐桿與節(jié)點(diǎn)一體化設(shè)計(jì)（圖13），節(jié)點(diǎn)精細(xì)美觀。列治文奧運(yùn)滑冰館的主拱端部采用了銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)（圖14），具有很強(qiáng)的機(jī)械感。崇明游泳館下部拉索節(jié)點(diǎn)采用了精細(xì)化設(shè)計(jì)（圖15），表現(xiàn)出強(qiáng)烈的設(shè)計(jì)感和韻律感。

16 五源河體育館效果圖

17 五源河體育館結(jié)構(gòu)體系示意圖

18 五源河體育館平面尺寸

19 五源河體育館結(jié)構(gòu)體系

20 五源河體育館室內(nèi)結(jié)構(gòu)與斗屏的關(guān)系

2 案例分析

2.1 海口五源河體育館

五源河體育館為18 000座甲級(jí)體育館，是結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)構(gòu)件層面與建筑空間和形象相融合的典范（圖16）。其屋蓋呈馬鞍形，平面為187m×140m的橢圓形，中央大跨度，屋蓋平面為136m×95m的類橢圓形采用輻射式魚(yú)腹桁架結(jié)構(gòu)體系（圖17，18），與馬鞍形造型完全貼合，滿足中央比賽大空間所需的圍合效果。

在構(gòu)件層面，28榀魚(yú)腹式桁架連接中央環(huán)和看臺(tái)后端的鋼柱。序列化的布置方式使中央大跨屋蓋形成一個(gè)共同受力的整體，呈現(xiàn)出律動(dòng)的室內(nèi)空間（圖19）。輪輻式魚(yú)腹桁架結(jié)構(gòu)體系中央的受力鋼環(huán)可用于懸掛中央投屏（圖20），同樣滿足建筑功能的需求。

2.2 同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)體育館

同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)體育館的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)相融合，其構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)在表達(dá)建筑師的設(shè)計(jì)理念上具有突出的亮點(diǎn)。體育館采用單曲面的建筑造型，跨度為縱向76.5m、橫向60m，包括有看臺(tái)的體育館和游泳館（圖21）。體育館采用張弦梁結(jié)構(gòu)體系，完美貼合建筑形象，創(chuàng)造了令人滿意的內(nèi)部建筑空間（圖22）。游泳館采用了可開(kāi)合的張弦梁體系（圖23），在滿足建筑功能的同時(shí)，開(kāi)合屋蓋可以保證結(jié)構(gòu)綠色環(huán)保，節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本。

21 同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)體育館鳥(niǎo)瞰

22 同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)體育館體育館內(nèi)部空間

23 同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)體育館游泳館開(kāi)合屋蓋

24 同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)體育館屋面導(dǎo)光管傍晚效果

25 同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)體育館撐桿與導(dǎo)光管的一體化設(shè)計(jì)

26 同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)體育館游泳館屋面立面一體化設(shè)計(jì)

在構(gòu)件層面，體育館引入導(dǎo)光管的設(shè)計(jì)，將自然光引入室內(nèi)，節(jié)約能源、綠色環(huán)保（圖24，25）。同時(shí)張弦梁腹桿和導(dǎo)光管采用了一體化設(shè)計(jì)，將導(dǎo)光管放在撐桿內(nèi)部，避免導(dǎo)光管占用建筑空間，創(chuàng)造了滿天星的建筑藝術(shù)效果。

游泳館的滑動(dòng)屋蓋采用了屋面，立面一體化設(shè)計(jì)（圖26，27），將單層網(wǎng)格屋面和立面結(jié)構(gòu)結(jié)合的設(shè)計(jì)可以將屋蓋的軌道設(shè)置于地面，進(jìn)而減少屋蓋滑動(dòng)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響，滿足建筑功能的需求。

在節(jié)點(diǎn)層面，游泳館開(kāi)合屋蓋的張弦梁撐桿與上弦采用了圓滑的過(guò)渡，造型簡(jiǎn)潔美觀。撐桿底部索夾節(jié)點(diǎn)采用了一體化設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)精細(xì)美觀。對(duì)體育館張弦梁下部索夾節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了精細(xì)化設(shè)計(jì)，將拉索布置在撐桿兩側(cè)，避免了結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)光管的影響。在施工張拉時(shí)，索夾節(jié)點(diǎn)允許拉索滑動(dòng)，再將拉索鎖緊，避免施工張拉過(guò)程中在撐桿上端產(chǎn)生較大的彎矩（圖28）。

27 同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)體育館游泳館屋面立面一體化設(shè)計(jì)

28 同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)體育館體育館腹桿拉索節(jié)點(diǎn)精細(xì)化設(shè)計(jì)

29 崇明體育中心游泳館外觀

30 崇明體育中心游泳館游泳館屋蓋結(jié)構(gòu)體系

31 崇明體育中心游泳館網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)彎矩和軸力分布

32 崇明體育中心游泳館V形柱的序列化設(shè)計(jì)

33 崇明體育中心游泳館木構(gòu)件節(jié)點(diǎn)細(xì)部設(shè)計(jì)示意圖

34 崇明體育中心游泳館拉索撐桿節(jié)點(diǎn)細(xì)部設(shè)計(jì)示意圖

2.3 崇明體育中心游泳館

崇明體育中心游泳館是采用新型材料滿足建筑功能的典型案例。在結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)三個(gè)層面均對(duì)建筑設(shè)計(jì)概念有著突出的設(shè)計(jì)表達(dá)。

游泳館為跨度45m的無(wú)看臺(tái)游泳館，建筑造型為矢跨比接近1/9的筒殼，建筑內(nèi)部造型要求無(wú)裝飾（圖29）。結(jié)構(gòu)體系采用了鋼木索組合單層交叉網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)（圖30）：結(jié)構(gòu)體系與建筑外表皮紋理相互對(duì)應(yīng)；內(nèi)部空間采用膠合木，在營(yíng)造溫馨的氣氛和建筑親和力的同時(shí)滿足“不結(jié)露、無(wú)吊頂”的建筑功能需求。游泳館采用了可再生木材作為承重結(jié)構(gòu)的材料，綠色環(huán)保，經(jīng)過(guò)處理后防腐性能較鋼材更好，維護(hù)費(fèi)用更低。

在構(gòu)件層面，木材具有較低的彈性模量和抗剪強(qiáng)度。設(shè)計(jì)根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特性將木構(gòu)件布置于中部六跨（圖31），鋼構(gòu)件布置于端部?jī)煽?。鋼木組合結(jié)構(gòu)的形式提高了各類材料的使用效率。與純木結(jié)構(gòu)相比，可降低60%造價(jià)。為保證結(jié)構(gòu)剛度，在木構(gòu)件所在跨度內(nèi)布置與鋼木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)方向相同的交叉拉索。通過(guò)布置拉索，可以優(yōu)化上部單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，大幅減少界面尺寸。

由于筒殼結(jié)構(gòu)支座處具有較大的推力，為了抵抗結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的推力，在結(jié)構(gòu)外部設(shè)置序列化排列的V形柱（圖32）。V形柱的設(shè)計(jì)既滿足了結(jié)構(gòu)的受力要求，同時(shí)結(jié)合了建筑造型和建筑藝術(shù)，將V形柱設(shè)計(jì)成藝術(shù)化的構(gòu)件。

對(duì)本項(xiàng)目的木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)還進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了專門(mén)的鍍鋅鋼板連接節(jié)點(diǎn)，交叉網(wǎng)格處一根構(gòu)件貫通，其余兩根構(gòu)件與其連接，最大限度減少構(gòu)件數(shù)量和節(jié)點(diǎn)連接量（圖33）。通過(guò)加蓋板的方式，木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無(wú)螺栓外露，保證了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的完整性。優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)既提高了木結(jié)構(gòu)的安全性能和施工安裝速度，又通過(guò)結(jié)構(gòu)細(xì)部表現(xiàn)出了建筑之美。

拉索撐桿的下端采用梭子端頭（圖34），減小構(gòu)件截面，同時(shí)伸出4個(gè)耳板與索頭節(jié)點(diǎn)相連。整個(gè)節(jié)點(diǎn)不但受力合理，而且輕巧美觀，具有良好的設(shè)計(jì)感和韻律感。

3 結(jié)語(yǔ)

基于結(jié)構(gòu)建筑學(xué)概念的大跨度體育建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)將結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)細(xì)部與建筑空間、建筑造型和建筑功能等方面進(jìn)行融合與協(xié)調(diào)，更好地表達(dá)建筑師的設(shè)計(jì)理念，最終達(dá)到“結(jié)構(gòu)成就建筑之美，建筑展現(xiàn)結(jié)構(gòu)之妙”的效果。在未來(lái)的大跨度體育建筑的設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，將建筑和結(jié)構(gòu)進(jìn)行融合與協(xié)調(diào)將是大勢(shì)所趨。