王學(xué)潤(rùn)

中南林業(yè)科技大學(xué) 湖南 長(zhǎng)沙 410004

1 緒論

1.1 研究背景

體育館為大型公共建筑，并且由于其獨(dú)特的功能與造型，深得人們喜愛。隨著時(shí)代的飛快發(fā)展，國(guó)內(nèi)體育類建筑也迅速得到建設(shè)，像水立方、鳥巢和各個(gè)地方的奧體中心、大學(xué)體育場(chǎng)館等等。這些標(biāo)新立異的大型建筑帶給我們對(duì)未來(lái)建筑設(shè)計(jì)的新的思考和方向，為體育建筑的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)和難得的機(jī)會(huì)。但是我國(guó)在類似的大空間建筑設(shè)計(jì)中仍然較為落后，可以說(shuō)存在一些不足之處，使得有些建筑的結(jié)構(gòu)和造型無(wú)法統(tǒng)一表現(xiàn)，并且在技術(shù)上、施工上都還有一定的難度。

1.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

早在工業(yè)革命初期，國(guó)外的大型體育類建筑就開始有所發(fā)展。19世紀(jì)中期，英國(guó)工程師彼得·斯?fàn)栁衷凇督ㄖ煴刈x:結(jié)構(gòu)工程》一書中描述了結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中的重要性，著名西班牙建筑師圣地亞哥·卡拉特拉瓦開創(chuàng)了結(jié)構(gòu)表現(xiàn)學(xué)，同時(shí)還研究了結(jié)構(gòu)仿生學(xué)，其結(jié)論和研究成果加速了西方建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展。2006年，日本建筑師齋藤公男發(fā)表了書本《空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展與展望》，在書中，他將大空間建筑結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行了分類和整理，并對(duì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)介紹和分析，概念清晰并具有創(chuàng)新，幫助解決大空間建筑結(jié)構(gòu)的建設(shè)難題。

國(guó)內(nèi)許多大空間的體育館建筑設(shè)計(jì)受西方影響起步較晚，并且許多建筑及結(jié)構(gòu)效仿西方。隨后中國(guó)在近幾十年飛速發(fā)展，哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授梅季魁、劉德明和姚亞雄在合著的《大跨建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)思與結(jié)構(gòu)選型》[1]書中，通過(guò)對(duì)許多大跨度建筑優(yōu)秀案例的分析，對(duì)此類建筑結(jié)構(gòu)和形式進(jìn)行了描述，為今后建筑學(xué)研究做出貢獻(xiàn)。

上海同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)院院長(zhǎng)胡仁茂在《大空間建筑設(shè)計(jì)研究》中，再次展現(xiàn)了大空間建筑發(fā)展的歷史，并對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹和分析，對(duì)結(jié)構(gòu)選型提出了良好的構(gòu)思和想法。

2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論

2.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的形式

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為三維桿系結(jié)構(gòu)，桿件布置規(guī)則，通過(guò)節(jié)點(diǎn)的焊接拼裝組成的網(wǎng)狀形式。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，超靜定結(jié)構(gòu)由于其約束條件超過(guò)受力條件，因此有較好的安全性能，而網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，安全性能更好，結(jié)構(gòu)也更加穩(wěn)定。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的種類很多，可根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其分類，如圖1至圖4。

圖1 交叉桁架體系網(wǎng)架

圖2 三角錐體系網(wǎng)架

圖3 四角錐體系網(wǎng)架

2.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是由受力桿件按照某種規(guī)律通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接的空間桿系結(jié)構(gòu)。桿件截面尺寸相對(duì)較小，桿與桿之間的連接方式通常是鉸接，軸力大部分作用在桿件上。這些相互鉸接的桿件又互為支承，能夠?qū)⑹芰U件與支承系統(tǒng)有機(jī)聯(lián)結(jié)，這樣一來(lái)可以減少成本。近年來(lái)，我國(guó)計(jì)算機(jī)飛速發(fā)展，技術(shù)上不斷提高，從而網(wǎng)架結(jié)構(gòu)被很多建筑所應(yīng)用。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①自重輕，節(jié)省鋼材；

②二力桿結(jié)構(gòu)，整體剛度大，穩(wěn)定；

③實(shí)際施工時(shí)，力的計(jì)算更加簡(jiǎn)單；

④營(yíng)造出大空間，減少空間浪費(fèi)，成本低；

⑤結(jié)構(gòu)形式多樣，具有普適性；

⑥節(jié)點(diǎn)連接簡(jiǎn)便，方便制造標(biāo)準(zhǔn)化、定型化，滿足工業(yè)化生產(chǎn)，可裝可拆。靈活方便，造型靈活多變，體現(xiàn)建筑藝術(shù)美。

2.3 網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

2.3.1 焊接鋼板節(jié)點(diǎn)

焊接鋼板節(jié)點(diǎn)如圖所示由十字節(jié)點(diǎn)板和蓋板焊接組成。這種節(jié)點(diǎn)剛度較大，造價(jià)較低，現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量大，需要一定的技術(shù)支持，且難以適應(yīng)工廠批量化生產(chǎn)，但是在角鋼、槽鋼等桿件組成的二向網(wǎng)架中較為常見。

圖5 焊接鋼板節(jié)點(diǎn)

圖6 焊接空心球節(jié)點(diǎn)

2.3.2 焊接空心球節(jié)點(diǎn)

這種節(jié)點(diǎn)是通過(guò)兩個(gè)半球焊接形成的，分不加肋和加肋兩種,重要是連接鋼管桿件。通常加肋的空心球可以增加球節(jié)點(diǎn)承載力的10%-40%。為了減少用料和降低自身重量，肋板在使用過(guò)程當(dāng)中一般會(huì)在中間部分減少直徑的1/3-1/2。

該節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)在于構(gòu)造簡(jiǎn)單，連接工程量小，受力分析簡(jiǎn)明，適合于連接鋼管桿件，并且可以任意方向進(jìn)行連接。

2.3.3 螺栓球節(jié)點(diǎn)

如圖所示，用螺栓將鋼管和球體相連形成螺栓球節(jié)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以將一種桿件與一種螺栓球相結(jié)合形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系。

螺栓球節(jié)點(diǎn)的桿件端部較細(xì)，從而節(jié)點(diǎn)相接處會(huì)變小，質(zhì)量較輕，在施工中安裝和拆卸都較為方便。但是由于空間結(jié)構(gòu)的限制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)處最多只能連接十八根桿件。

隨著現(xiàn)代工藝的發(fā)展，零件的制造規(guī)范更新較快，所以用于制造螺栓球節(jié)點(diǎn)的鋼球、封板、套簡(jiǎn)、錐頭的材料需要按照最新規(guī)定。

圖7 螺栓球節(jié)點(diǎn)

2.4 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力和計(jì)算

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屬于一種空間鉸接桿系結(jié)構(gòu)，在受力時(shí)，任意外力條件都不能使該結(jié)構(gòu)發(fā)生幾何變形，因此探索結(jié)構(gòu)的幾何不變性是非常重要的。足夠的約束是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)幾何不變性的必要條件，充分條件是約束的位置與方式要合理。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，其幾何不變的必要條件是：

式中：

B―網(wǎng)架的桿件數(shù)；

S―支座約束鏈桿數(shù)，S≥6；

J―網(wǎng)架的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最少支座約束條件是：滿足對(duì)整體剛體位移的約束，即約束剛體的三個(gè)平動(dòng)位移和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位移，防止出現(xiàn)網(wǎng)架整體剛體位移的情況。所以對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最基本的約束應(yīng)該最少滿足六個(gè)自由度，如圖所示[2]。

圖8 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)基本約束

2.5 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有自重輕，安裝周期短、美觀、便于維護(hù)等等優(yōu)勢(shì)，它還具有一個(gè)鮮為人知的特點(diǎn)就是抗震性高，特別適合地震帶地區(qū)房屋搭建。

網(wǎng)架能夠承受豎向載荷，并且在豎向和水平方向均抗拉，因此網(wǎng)架結(jié)構(gòu)抗震性能高。

3 體育館屋蓋形式

3.1 體育館屋蓋結(jié)構(gòu)選型

體育館是一個(gè)封閉的空間，對(duì)視聽和安全性有非常高的要求。體育館最重要的設(shè)計(jì)在于屋頂和下部支撐，因此，體育館的屋蓋形式選擇十分重要。在設(shè)計(jì)體育館時(shí)，結(jié)構(gòu)形式與建筑造型密切相關(guān)，需要共同考慮和設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)的選擇基本上確定了建筑形體，影響著建筑的外觀。對(duì)于此特點(diǎn)，體育館的屋蓋結(jié)構(gòu)體系有以下幾種選擇，如桁架結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)、剛架結(jié)構(gòu)、拱式結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)等。在體育館中，室內(nèi)體育活動(dòng)區(qū)作為體育館最重要的空間，對(duì)其造型、結(jié)構(gòu)、材料等都有非常高的要求，尤其是在結(jié)構(gòu)上，屋蓋的結(jié)構(gòu)形式和空間布局也直接影響著體育館的造型和人們的使用。

3.2 影響網(wǎng)架形式的因素

(1) 網(wǎng)架的受力性能：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一個(gè)雙向或三向受力的空間結(jié)構(gòu)，其受力性能不但與與桿件布置有關(guān)，也與結(jié)構(gòu)的整體性能有關(guān)，因此，對(duì)于矩形平面而言，上弦斜向布置較垂直向有利，可以把相當(dāng)一部分屋面荷載沿四角布置在跨度最小方向的桿件傳到邊界上，相對(duì)比正交正放布置桿件有利；(2) 網(wǎng)架的網(wǎng)格尺寸：主要是指上弦桿網(wǎng)格的幾何尺寸，與網(wǎng)架的柱距、跨度、桿件材料和屋面構(gòu)造等有關(guān)。根據(jù)以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于大、中型體育館的屋蓋，不論跨度如何變化，上弦的節(jié)間尺寸一般在3~6m;下弦在4~8m之間變化。不論跨度大小，網(wǎng)格尺寸往往設(shè)計(jì)得相對(duì)較大，其結(jié)果利大于弊，較為經(jīng)濟(jì)合理，同時(shí)，也能使每個(gè)桿件都起到承載的作用，節(jié)點(diǎn)也能相應(yīng)減少；(3) 網(wǎng)架的高度：網(wǎng)架的跨度是其一個(gè)重要的影響因素，同時(shí)還與網(wǎng)架的節(jié)點(diǎn)形式、荷載大小、支承條件、平面形狀等方面有關(guān)。如屋面荷載在1.5 KN/m2時(shí)，可到短跨的1/12~1/20；當(dāng)屋面荷載為3.0 KN/m2時(shí)，可取短跨的1/8~1/15；當(dāng)跨度超過(guò)100 m時(shí)，可取跨度的1/20。在進(jìn)行內(nèi)力估算時(shí)，腹桿內(nèi)力通常只是上下弦桿內(nèi)力的1/3~1/6，因此選擇網(wǎng)架高度較大些更加有利。

4 調(diào)研實(shí)例——湖南大學(xué)體育館

4.1 工程概況

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，對(duì)教育的重視度也隨之提高。高等院校的體育建設(shè)得到迅速的發(fā)展。同社會(huì)體育館相比，高校體育館在規(guī)劃選址、功能定位、形象特征等方面，都有著明顯的不同。湖南大學(xué)體育館于1996年4月開始方案招標(biāo)，同年7月開展設(shè)計(jì)任務(wù)，最后于1998年竣工并投入使用?？偨ㄖ娣e為8870㎡，基本滿足湖南大學(xué)南校區(qū)大一、大二上體育課的要求[3]。

4.2 屋蓋結(jié)構(gòu)選型

體育館的屋蓋選型影響其內(nèi)部功能、外部造型及工程造價(jià)等方面。湖大體育館采用兩片反曲向上的空間網(wǎng)架形式。這兩個(gè)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)左低右高，高差為兩米如圖9所示，豐富了建筑立面造型，同時(shí)也便于排水。此外，反曲形式的屋頂也影響了室內(nèi)收音效果。在兩片網(wǎng)架之間交接處有一通風(fēng)口與采光帶，夏日炎熱，室內(nèi)的熱空氣會(huì)上升至中間排風(fēng)口、達(dá)到了自然通風(fēng)的效果。采光帶的作用在于提高場(chǎng)地中間的亮度，增加光照，在白天，體育館內(nèi)部即使不補(bǔ)充光源也依然很明亮，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖9 湖南大學(xué)體育館外部

湖南大學(xué)體育館這種屋蓋形式的設(shè)計(jì)延用了傳統(tǒng)大屋頂?shù)男问?，并且由于長(zhǎng)沙夏季炎熱多雨，坡屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)更加符合氣候要求。

圖10 湖南大學(xué)體育館內(nèi)部

4.3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)支承方式

湖大體育館采用的是(b)方式，該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)傳力直接，受力均勻，因此該支承方式在許多大跨型建筑設(shè)計(jì)中被廣泛采納。

圖11 周邊支承網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)講述了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的一些理論知識(shí)和在體育類建筑中的應(yīng)用。由上述可知，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由于其造型美觀、施工方便、受力計(jì)算簡(jiǎn)便，被體育館等多種大跨建筑采用。但是大空間體育類建筑在設(shè)計(jì)方面仍然存在一些問(wèn)題，尤其是在結(jié)構(gòu)選型方面理論知識(shí)還不充分，比如在建筑造型上，結(jié)構(gòu)的選擇不能與之很好融合、施工成本高、難度大等問(wèn)題。因此為了豐富和完善體育館建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在未來(lái)的研究中應(yīng)在當(dāng)前技術(shù)審美的基礎(chǔ)上擴(kuò)大技術(shù)方向，嘗試更多屋蓋結(jié)構(gòu)選型和受力特點(diǎn)，從而建立起一套較為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。雖然還有很多問(wèn)題仍需要進(jìn)一步深入和攻克，但我相信中國(guó)技術(shù)、中國(guó)速度，在未來(lái)的建筑領(lǐng)域中一定可以有更大的成績(jī)。