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标题 我国体育场馆的大跨度空间结构选型探讨
范文 谢羽+许云鹏+黄文武



摘要：体育场馆多数需要大跨度空间，如何通过空间结构选型实现其安全、经济、适用和美观的综合指标是一个重要的问题。对国内体育场馆的大跨度空间结构选型进行调研。对调研情况进行分析可知，国内最常用的结构类型主要有网架结构、桁架结构和网壳结构3种，而国外的体育场馆建设在结构选型时更为丰富，此外，由于资金和技术方面的原因，国内体育场馆跨度普遍偏小。此外，在我国的各类大跨度体育场馆建设中，网架结构最早得到发展，桁架结构和网壳结构次之，膜结构发展得最晚。因此，我国的大跨度体育场馆建设应加强对新材料和新结构类型的研究，综合考虑各方面的因素选择最合理的结构类型，在赋予大跨度屋盖一些新的功能，在获得更佳的使用体验的同时，也延长其服役年限。
关键词：体育场馆；大跨度；空间结构；结构选型；新型结构
中图分类号：G 818 文章编号：1009-783X（2017）02-0110-04 文献标志码：A
体育场馆按用途可以分为田径场馆、游泳场馆、体操场馆、篮球场馆等；按规模则可分为小型体育场馆（3 000座以下）、中型体育场馆（3 000-8 000座）和大型体育场馆（8 000座以上）。由于体育比赛的特殊性，同时随着体育产业的发展，观众现场观赛等需求越来越高，即使是小型体育场馆往往也需要十几米甚至更大跨度的空间结构。19世纪后半期以来，钢筋混凝土结构和钢结构得到了大力发展，大跨度结构的建设也随之上升到了一个新的高度，一大批刚度大、变形小、应力分布均匀、自重轻、材料省的体育场馆横空出世。
建筑的安全、经济、适用和美观是其最基本的4个方面，大跨度的体育场馆因为在使用时一般面临较重大的活动和较密集的人口，所以这些方面的性能更是广受关注。国外有不少学者对此展开了研究和探讨，例如：Majowiecki等对大跨度水平子结构进行了风荷载和雪荷载下的试验分析，还开展了动力方面的研究Martins等通过体育场悬顶板的动态监测研究了风和温度对结构模态参数的影响；Lewis等以某个体育场为背景探讨了穹顶等大跨度结构设计和施工的相关问题；Bertero以一个体育馆为对象完成了随机风荷载作用下的大跨度结构的可靠性分析；Collins等和Kivak等研究了体育场馆建造过程中的经济性因素；Van等对体育场馆的通风设计进行了探索；Ahlfeldt等从体育场馆的建筑外观设计引发关于城市文化的讨论。国内学者针对大跨度体育场馆几个基本方面也有开展研究，但相对较少，且大多集中在施工和监控等方面。当前，国内外关于体育场馆的大跨度空间结构选型研究较少，然而作为概念设计的第一个环节，结构选型的重要性不言而喻；因此，本文通过对国内大量的各类体育场馆进行统计研究，力求探讨国内体育场馆结构选型设计时存在的一些问题，为我国今后的体育场馆大跨度空间结构选型提出建议。
1.我国已建体育场馆的空间结构类型
当前，世界上常见的大跨度体育场馆建设采用较多的包括10种空间结构类型：网架结构（如图1a所示）、桁架结构（如图1b所示）、网壳结构（如图1c所示）、拱结构、张拉膜结构（如图1d所示）、薄壳结构、刚架结构、悬索结构（如图1e所示）、折板结构和充气膜结构。
以2008年北京奥运水立方结构为例，如图1-d所示，其大小为176.538 9 mXl76.538 9 mX 29.378 6 m的立方体。“水立方”的覆盖结构采用充气枕结构，屋盖和墙体的内外表面均覆以充气枕，最大的单个气枕面积约71m2、跨度9 m左右，膜材的用量约30万m2。
本文通过对我国各省市共计1524个各类体育场馆的空间结构特性进行收集和整理，数据主要来源于国内主流建筑网站如筑龙网http：//www.zhulon4.com、久久建筑网http：//www.99jianzhu.com等，得到我国体育场馆建设中各种结构类型的分布情况，如图2所示。
如图2所示，在我国的体育场馆建设中，最常采用的空间结构类型主要有网架结构、桁架结构、网壳结构3种，合计占到总数的70%以上。网架结构一般可分为双层网架和三层网架。桁架结构则更为简洁，对支座只产生竖向的荷载，而且易于与其他结构组合使用，因此，应用也十分广泛。近年来出现的新型预应力张弦桁架又进一步推动了它们的发展和应用。网壳结构是近年来发展最快的大跨度空间结构，它和网架结构一样由杆件和节点拼接而成，同时又具有薄壳结构的空间曲面外形，尤其是其中的双层网壳结构体系，在大跨度体育场馆的建設中应用极广。这3类大跨度空间结构之所以在我国应用最广，是因为它们的经济性好，建造难度低，这与我国的基本国情是相符的，我国的大跨度空间结构起步晚，技术不成熟，资金也并不雄厚。前三者在我国之前的经济技术水平下自然成为方案设计时的首选类型。
从图2中还可以看出，在我国的体育场馆建设中，以上3种之外的大跨度空间结构类型应用较少，例如充气膜结构，应用几乎为零。膜结构主要分为张拉膜结构（如图1d所示）和充气膜结构，张拉膜结构主要通过索钢架，网壳等支撑膜材料形成室内空问；充气膜结构则是向膜内充气，造成室内外的压力差，使膜膨胀形成室内空间。较之传统的钢结构、混凝土结构，膜结构具有的最大特点就是自重轻，可形成半透明的室内空间，降低照明能耗，夜间又可依靠室内灯光营造出奇幻的景观，同时外形又极具雕塑感，给人视觉上极大的享受。拱结构历史悠久，可以充分利用材料的抗压性能，而且其独特的结构造型使其在跨越较大的跨度时几乎没有弯矩，在现代大跨度结构体育场馆中主要和桁架结构结合形成独特的拱桁架结构。悬索结构利用的是材料的抗拉性能，因此，通过使用高强材料可以大大减轻悬索结构的自重，而且悬索结构安装简便，结构跨度越大优势越明显。薄壳结构模仿蛋壳的结构，在所有的大跨度空间结构中整体性最好，受力最为均匀。折板结构和刚架结构则从结构力学上讲最为简单。这些空间结构类型之所以在我国应用较少，大多是由于它们往往需要生产特定的材料，进行特定的施工，例如薄壳结构前期就需要耗费大量的人力来烧制相应的模板，拱结构需要耗费大量材料来抵消支座产生的横向推力，悬索结构同样需要耗费大量材料处理支座问题，而且结构计算的难度也大大增加。这些大跨度空间结构类型在国外都得到了一定程度的应用，说明它们并非没有特点或是无可取之处，主要是受到经济技术水平的制约。
2.国内大跨度体育场馆建设情况分析
通过对1524个各类体育场馆样本的建造年代进行统计，如图3所示，20世纪80年代以前，我国的大跨度体育场馆的建设数量非常少。近40年来，我国的体育馆建设呈现数量稳步增长的趋势（第1组数量略多于第2组是由于其包括1975年前的数十年，时间跨度较大），尤其是近10年，出现了爆发式增长的局面，这是由于我国实行改革开放后经济得到了快速发展，开始重视基础设施的建设，大跨度体育场馆开始得到大规模建设，经过20年的努力，大跨度空间建筑结构悄然间开始广受关注，数量与日俱增，建设的技术水平开始突飞猛进。面对当前如火如荼的体育场馆建设，对已有的大跨度体育场馆建设进行总结，探讨其大跨度空间结构的选型问题，对于指导日后的体育场馆建设是十分必要的。
通过对国内样本进行统计，如图4所示，数据主要来源于国内主流建筑网站。从图4可以看出，我国有超过60%的体育场馆的跨度都在100 m以下，仅有17%的体育场馆跨度达到了150 m以上。究其原因，除了使用需要方面的原因之外，我国的经济情况及施工技术水平同样是重要的原因。体育场馆跨度的增加，会引起研究、设计、建造费用的大幅攀升，这一点从跨度分布的地域性上也可以看出，较大跨度的体育馆集中分布在北京、上海、广州等地区，而大部分二三线城市中以结构简单，跨度较小的体育馆居多。
将各种大跨度空间结构类型的体育场馆的建造年代分别进行统计，如图5所示。近些年，虽然我国体育场馆建设数量突飞猛进，但主要仍局限在网架结构。桁架结构和网壳结构。20世纪80年代中期以前，我国的大跨度体育馆结构以网架结构为主，80年代以后，网壳结构与桁架结构逐渐得到发展，进入21世纪，这3种传统类型的大跨度体育场馆的数量更是大幅增长。这一局面的造成仍然与施工技术水平是密不可分的，网架结构最为简单，所以起步最早，网壳结构建造难度相对较大；但凭借其在造型、审美等方面的优势也渐渐得到了良好的发展。值得注意的是，近年来，膜结构得到了一定程度的发展，这也迎合了主流发展趋势，例如上海的虹桥体育场、广东佛山世纪莲体育中心游泳馆体育场馆等都是张拉膜结构的典型应用，而2008年北京奥运会的国家游泳中心则是为数不多的充气膜结构的代表。
3.结论
1）改革开放以来，我国的大跨度体育场馆建设取得了较大的发展，在最近的10余年里，数量上呈现了爆发式增长，我国经济实力的提升是重要原因。
2）在我国的体育场馆建设中，当前最常用的结构类型主要有网架结构、桁架结构和网壳结构3种，其余的一些大跨度空间结构类型应用较少。
3）在我国的各类大跨度体育场馆建设中，网架结构最早得到发展，桁架结构和网壳结构次之，近年来膜結构也得到了一定程度的发展。
4）我国的大跨度体育场馆建设要加强对新材料和新结构类型的研究，综合考虑各方面的因素选择最合理的结构类型，赋予大跨度屋盖一些新的功能，在获得更佳的使用体验的同时，也延长其服役年限。
4.建议
1）加强对薄壳结构、悬索结构和膜结构等新型结构类型的研究，以此丰富现有结构设计和建设选择。
2）在进行大跨度体育场馆建设时，首先应考虑的是场馆结构，因为建筑结构是决定其各方面性能的关键，在此基础上，再进一步综合考虑建筑的安全性、经济性、适用性和美观性等。
3）充分挖掘和利用大跨度屋盖的新功能，例如利用网壳结构实现开合式屋盖，利用薄壳结构、膜结构提高保温性能等。
4）在结构选型的时候，考虑建筑材料的环保性等因素。用新型的环保材料逐渐取代旧有的高耗能材料已是基本趋势，在结构概念设计时要考虑这些因素在内。
致谢：
特别感谢湖南大学土木工程学院张鹄志博士在本文的研究和撰写中给出的帮助和建议。
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更新时间：2024/12/23 1:29:18