摘要： 20世紀(jì)人們?yōu)殚_放與交流而興建的建筑都有要求一個(gè)大的空間,其中有代表性的是體育、會議展覽和機(jī)場 建筑,并采用了不少引人注目的空間結(jié)構(gòu).文中評述了當(dāng)代體育建筑中采用空間結(jié)構(gòu)后些典型工程, 最后討論了另空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展水平和前景,并指出有必要扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)形式與結(jié)構(gòu)防護(hù)在設(shè)計(jì)上的被動局面.
關(guān)鍵詞： 空間結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)藝術(shù)
一、前言
當(dāng)世界即將邁入21世紀(jì)之際，回顧人類發(fā)展的歷史，就可發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是其活動空間的不斷改善與擴(kuò)充。 遠(yuǎn)古伊始，人類或挖洞穴居、或構(gòu)木為巢，僅是為爭取勝一個(gè)生存的空間，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們懂得運(yùn)用各種材料建 造出更牢固、更舒適的空間。從古羅馬的圣彼得大教堂到當(dāng)今英國正在興建的“千年
穹頂”，其直徑由42m擴(kuò)大到320m ，就是一個(gè)鮮明的例證。
20世紀(jì)人類的活動更加走向開放，人們已不再閉關(guān)自守，而是不斷擴(kuò)大國與國、洲與洲以至全世界范圍的交流。 這種需求必然會影響人類建設(shè)的格局。在各種交流活動中，體育比賽無異是一種最激動人心的方式。因此，奧林匹 克體育競賽館、世界杯足球比賽場……就在世界各地堀起。學(xué)術(shù)、文化、藝術(shù)與商業(yè)上的交流促使一些大城市建成 了規(guī)模龐大的會議展覽中心，此外，各種臨時(shí)性與永久性的
博覽會，也要求提供上萬平方米的面積。為了進(jìn)行交流 ，人們要更多地乖坐飛機(jī)旅行，20世紀(jì)是噴氣式客機(jī)的世紀(jì)，因而大規(guī)模的候機(jī)大廳與飛機(jī)庫就在本世紀(jì)誕生。這 些建筑都有毫無例外地要求一個(gè)大的活動空間，因而跨度大、自重輕、造型富于變化就成為這些建筑的共同特征， 有時(shí)還要求所圍護(hù)的空間能夠隨時(shí)開啟與閉合。縱觀建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史，三維的空間結(jié)構(gòu)是最能滿足以上要求的， 往往成為眾多結(jié)構(gòu)方案中的首選。
在人類古老的建筑中早就已經(jīng)出現(xiàn)了空間結(jié)構(gòu)的痕跡,例如我國半坡遺址的居屋就是一個(gè)原始的空間骨架,而北 美印第安人從他們始祖繼承下來的棚屋,其以枝條搭成的穹頂與現(xiàn)代網(wǎng)殼則有驚人的類似.其后,自歐洲文藝復(fù)興時(shí) 代所出現(xiàn)的教堂建筑,以磚石構(gòu)成的穹頂雖然又厚又重,但在某種程度上仍體現(xiàn)了空間作用.然而現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的出 現(xiàn),應(yīng)該從20世紀(jì)初期興建的
鋼筋混凝土薄殼算起,這應(yīng)該道德歸功于先進(jìn)
建筑材料—鋼鐵與
混凝土的誕生.第二次 世界大戰(zhàn)之后,百廢待興,大量的建筑使空間結(jié)構(gòu)走向蓬勃發(fā)展的康莊大道.50年代后期以
桿件組成的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu) 嶄露頭角,其中
平板形的稱為網(wǎng)架,
曲面形的稱為網(wǎng)殼.這種結(jié)構(gòu)的桿件以鋼、木或
鋁合金制成,通過
節(jié)點(diǎn)組合成網(wǎng)狀 結(jié)構(gòu).以后又陸續(xù)出現(xiàn)了以受拉來主要受力特征的張拉結(jié)構(gòu),起初有以鋼索承重的
懸索結(jié)構(gòu),其后則有以
合成材料制 成建筑織物來受力的
膜結(jié)構(gòu).就結(jié)構(gòu)自重而言,從磚石穹頂?shù)?400㎏/㎡減少到膜結(jié)構(gòu)的10㎏/㎡,說明了建筑結(jié)構(gòu)飛 躍的進(jìn)步.因此,空間結(jié)構(gòu)已成為本世紀(jì)建筑結(jié)構(gòu)學(xué)科中最重要與最活躍的發(fā)展領(lǐng)域之一.
空間結(jié)構(gòu)建造及其所采用的技術(shù)往往反映了一個(gè)國家
建筑技術(shù)的水平,一些規(guī)模宏大、形式新穎、技術(shù)先進(jìn)的大 型空間結(jié)構(gòu)也成為一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力與建筑技術(shù)水平的重要標(biāo)志.近年來,世界各國在體育場館、會議展覽中心與機(jī) 場的大規(guī)模建筑中采用了不少引人注目功能的要求.集中反映了當(dāng)今的世界潮流,下面擬就體育建筑中采用空間結(jié)構(gòu) 后些典型工程加以評述,并對中國今后空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展提出一些看法.
二、當(dāng)代工程進(jìn)展
體育建筑一直是空間結(jié)構(gòu)應(yīng)用的廣泛領(lǐng)域,其中網(wǎng)架又是在早期建造得最多的一種結(jié)構(gòu)類型,60年代在美國洛杉磯 加利福尼亞大學(xué)體育館采用的
網(wǎng)架結(jié)構(gòu)啟發(fā)下,中國用自己的力量設(shè)計(jì)與建造了首都體育館.當(dāng)時(shí)加州大學(xué)體育館的尺 寸是91m×122m,采用正放四角錐網(wǎng)架,而首都體育館的尺寸則是99m×112m,采用兩向正交斜放網(wǎng)架.這個(gè)大跨度網(wǎng)架 的成功興建大大推動了網(wǎng)架在體育建筑中的應(yīng)用,此后一些省市的主體育館幾乎無一例外地都有采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu).1990年 北京為亞運(yùn)會所建設(shè)的13項(xiàng)大中型體育館中,就有半數(shù)以上采用了網(wǎng)架結(jié)構(gòu),可見其影響之深遠(yuǎn).
近年來,可能由于平板型網(wǎng)架的外形過于單調(diào),失去了建筑師們的偏愛.另外,由于計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)民展使曲面形 網(wǎng)殼的設(shè)計(jì)與制作大為方便,因而在體育建筑中網(wǎng)殼的應(yīng)用有逐步上升的趨勢，特別是穹頂幾乎風(fēng)靡了日本全國.
穹頂（dome）就其原意來說是一個(gè)半圓形的頂蓋，而用網(wǎng)殼建造穹頂并非新事，早在本世紀(jì)初，德國工程師 施威德勒（Schwedler）就發(fā)明了一種肋環(huán)斜桿型的網(wǎng)殼，這種以他名字命名的網(wǎng)殼一直在圓形屋頂?shù)慕ㄔO(shè)流傳。 70年代美國休斯頓的宇宙穹頂（Astrodome）和新奧爾良的超級穹頂（Superdome）也分別以196m和207m的直徑 保持了多年的網(wǎng)殼大跨度記錄。90年代這種穹頂在日本得到了振興，其名稱為被音譯為“多姆”（卜-）， 其外形也不限制為圓形了。一些城市的體育館都有被稱為“多姆”，象大阪、名古屋、大館、熊本以及札幌、仙臺 等地已建成或準(zhǔn)備興建的“多姆”就不下二來個(gè)。這種穹頂?shù)奶攸c(diǎn)是，不僅可以用作體育比賽，還可以用作多種文 化活動與展覽的場所，這正符合了人們要求交流的需要，同時(shí)在建筑與結(jié)構(gòu)上也有所創(chuàng)新.
日本名古屋穹頂（圖1）是當(dāng)前世界上跨度最大的單層網(wǎng)殼。該體育館整個(gè)圓形建筑的直徑為229.6m, 支承在看臺
框架柱頂?shù)奈萆w直徑則有187.2m,采用以鋼管構(gòu)成的三向網(wǎng)格.每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都有六根桿件相交,采用直徑為 1.45m的加肋圓環(huán),鋼管桿件與圓環(huán)
焊接,成為能承受軸向力與
彎矩的
剛性節(jié)點(diǎn).由于羅馬尼亞布加勒斯特穹頂?shù)膯螌泳W(wǎng) 殼(直徑93.5m)在1961年的一次暴風(fēng)雪后出現(xiàn)過倒塌事故,大跨度的單層網(wǎng)殼一直被視為禁區(qū).名古屋穹頂之所以獲得 突破性的進(jìn)展是與科研工作分不開的.在設(shè)計(jì)中曾對各種
荷載情況以及
抗震、穩(wěn)定與施工過程中的缺陷進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究.
大阪穹頂?shù)闹虚g部分是直徑為134m的雙層網(wǎng)殼,周圍與寬16m的Y形鋼
框架相連接,形成直徑為166m的圓形頂蓋.整個(gè) 網(wǎng)殼通過受拉環(huán)支承在九層高的框架上.如圖2所示,大阪穹頂在建筑上有一些特色,首先是在框架頂部建造了一圈作為 商業(yè)與文化娛樂用的拱形“節(jié)日大廳”,宛如浮云環(huán)繞著穹頂.此外,穹頂上部的頂棚可以上下移動以滿足不同的功能, 譬如體育比賽時(shí),頂棚向上升高,形成寬敞的空間,而舉行文藝演出時(shí),頂棚可以下調(diào),以增強(qiáng)音響效果。
澳大利亞悉尼市為主辦2000年的奧運(yùn)會而興建了一系列體育場館[3].其中國際水上運(yùn)動中心與用 作球類比賽的展覽館采用了材料各異的
網(wǎng)殼結(jié)構(gòu).水上運(yùn)動中心的屋蓋凈跨67m,采用帶
拉桿的圓柱形網(wǎng)殼(圖3).鋼管 桿件沿斜向布置并將推力傳給邊
桁架,沿縱向每隔25m設(shè)一道加勁拱形桁架.這樣形成的受力體系是:重力荷載由帶拉 桿的網(wǎng)殼拱肋承受,而
穩(wěn)定性與
抗彎剛度則由加勁桁架提供.該館的一個(gè)特點(diǎn)是奧運(yùn)會期間可向外增設(shè)8000個(gè)座位,為 此沿一側(cè)縱墻設(shè)置了一榀凈跨140m的拱形立體桁架,其斜桿用來懸吊網(wǎng)殼屋蓋并防止拱的側(cè)向壓屈。
皇家農(nóng)學(xué)會的展覽館在奧運(yùn)會期間用作排球、手球與羽毛球比賽之用,包括一個(gè)直徑100m的圓球形網(wǎng)殼與三個(gè)跨度為67m, 矩形
平面的圓柱形網(wǎng).兩個(gè)網(wǎng)殼均為單層,采用三角形網(wǎng)格.桿件為
膠合木梁,兩端以鋼節(jié)點(diǎn)連接,可承受壓力與彎矩.如此大跨度 的單層網(wǎng)殼,穩(wěn)定性是
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的主要考慮,三角形網(wǎng)格就可提供較強(qiáng)的
剪切剛度防止局部失穩(wěn).此外圓球殼采用較大的矢高一 35m,圓柱殼則每隔3m6加設(shè)V形桁架相連系.膠合木梁的桿件穩(wěn)定性則以
固定在梁頂部的連續(xù)
圓鋼管檁條來保證。
由于建筑織物這一新
型材料的出現(xiàn),使膜結(jié)構(gòu)逐漸得到了應(yīng)用。當(dāng)代日本的穹頂開始于東京的后樂園球場。這個(gè) 直徑204m的氣承式空氣膜結(jié)構(gòu)以其最先進(jìn)的自動控制技術(shù)來維持屋蓋的安全。在此之間，美國的一些氣承式空氣膜結(jié)構(gòu)體育館 曾多次發(fā)生事故。因此這個(gè)機(jī)械、電子與土建相結(jié)合的
智能建筑多少消除了人們的擔(dān)心，也使日本建設(shè)省下決心批準(zhǔn)這種空氣 膜結(jié)構(gòu)可以作為永久性建筑。然而，曾幾何時(shí)，昂貴的運(yùn)轉(zhuǎn)與維持費(fèi)用又使后樂園背上了沉重的經(jīng)濟(jì)包袱，以致日本以后的穹 頂大多采用空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)來支承膜屋面。
位于日本雪國秋田“空中穹頂”建于1990年，當(dāng)時(shí)是僅次于后樂園的大型室內(nèi)運(yùn)動場。建筑切取球體的一部分， 長邊為130m，短邊為100m，高30m，采用骨架支承膜結(jié)構(gòu)（圖4）。屋蓋的格構(gòu)式空間拱系沿長向?yàn)榭崭构啊⒀囟滔驗(yàn)殇摴芄埃?交點(diǎn)為剛接。沿長向還設(shè)置鋼索，以便對膜面施加
張力，從而在屋面上形成V形槽溝，使雪易于滑落。另外利用緊
貼膜面的鋼管 拱作為通道，向其中送暖風(fēng)，對屋蓋起融雪作用。屋面膜材為單層
玻璃纖維織物涂敷特氟隆。這是位于寒冷地區(qū)的體育館采用 大跨度膜結(jié)構(gòu)的成功范例。同樣位于秋田的大館穹頂，其屋面也采用了V形膜面，但為雙層，支承骨架則是膠合木拱。這個(gè)平 面為卵形的網(wǎng)殼（178m×157m）因地制宜地采用了當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的
木材，成為當(dāng)前世界上最大的木穹頂。值得注意的是，有一些大 跨度網(wǎng)殼采用了
木結(jié)構(gòu)，一方面是利用木材便于受壓的特點(diǎn)，一方面也是由于當(dāng)前“
綠色建筑”的潮流所驅(qū)使。
日本熊本公園體育場，不像東京后樂園那樣采用全封閉的氣承式空氣膜結(jié)構(gòu)，而是在主屋蓋部分采用了雜交索加強(qiáng)雙 層氣承式空氣膜結(jié)構(gòu)，其基本設(shè)計(jì)思想是使屋蓋像浮云一樣覆蓋在大地上。雙層空氣膜結(jié)構(gòu)直徑為107m，中心部分設(shè)置了高 14m的圓錐形
鋼結(jié)構(gòu)中心環(huán)。中心環(huán)與周圍的環(huán)狀桁架之間由上下各48根鋼索連接并覆蓋以膜材，完工后向雙層膜中加壓， 以保持其設(shè)計(jì)開頭結(jié)構(gòu)體系和雙層空氣膜的構(gòu)成如圖5所示。熊本穹頂是由傳統(tǒng)的氣脹式空氣膜結(jié)構(gòu)和車輪型索結(jié)構(gòu)復(fù)而成。 鋼索不僅是作為膜的加強(qiáng)材料，也是主要的承重結(jié)構(gòu)，形成了融合兩種特色的雜交結(jié)構(gòu)。
70年代，美國蓋格爾總結(jié)了氣承式空氣膜結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在已故著名結(jié)構(gòu)專家富勒創(chuàng)始的“張拉整體”（Tensegrity） 體系這一概念的基礎(chǔ)上，首先提出了以索、膜與
壓桿組成的“索穹頂”設(shè)計(jì)，荷載從中心受拉環(huán)通過一系列幅射狀脊索、受拉 環(huán)索與斜
拉索，傳到周圍的受壓圈梁上。這種結(jié)構(gòu)成功地被用在1986年韓國漢城奧運(yùn)會的體操館與擊劍館上，其直徑分別為 120m與93m。其后索穹頂?shù)玫搅瞬粩嗟貏?chuàng)新與發(fā)展，用于美國伊利諾斯州立大學(xué)紅鳥體育館（橢圓形91m×77m）、臺灣桃園體育館 （直徑136m）以及佛羅里達(dá)的太陽海岸穹頂?shù)裙こ唐渲锌缍茸畲蟮氖翘柡０恶讽敚▓D6），由于直徑達(dá)210m，設(shè)置了四道受拉環(huán)索， 為了滿足棒球比賽的要求，屋蓋傾斜為6°，最高點(diǎn)離地面68m，使空間符合飛球的射線。
玻璃纖維膜材
敷設(shè)在主結(jié)構(gòu)的脊索與幅射狀的 谷索之間，后者將膜材下壓并張緊，同時(shí)也便于
排水。
美國李維也繼承了“張拉整體”的構(gòu)想，并采用了富勒以三角形為基礎(chǔ)的屋蓋體系，開始稱為“雙曲拋物面一張拉整體穹頂”， 以后注冊“騰星”（Tenstar）穹頂，其處女代表作就是1996年在美國亞特蘭大舉行的奧運(yùn)會主館—佐治亞穹頂。這個(gè)尺寸為235m×186m 的擬橢圓形
索膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成為世界上最大的室內(nèi)體育館。穹頂?shù)纳纤骶W(wǎng)采用三角形網(wǎng)格，膜采用菱形單元以便形成具有足夠剛度的雙曲拋物面。 以后這種穹頂又用于阿根廷的拉普拉達(dá)體育場，平面由兩個(gè)重疊的圓（直徑為85m，圓心相距48m）組成，具有雙峰的外形。兩個(gè)騰星穹頂支 承在看臺頂部周邊三角形桁架和中間鋼拱架上。屋面采用22%
透光率的新型織物，加上周邊開敞和良好的
通風(fēng)系統(tǒng)，使得草坪得以生長。
在所有的體育建筑中，體育場可說是變化最大的，也最富有特點(diǎn)。最初的體育場不過是一片沒有遮蔽的露天場地，周圍設(shè)置了一些看臺 ，以后勤部部分看臺上加了挑蓬，其懸挑的跨度不過十來米。隨著需求的增長和技術(shù)的進(jìn)步，不但懸挑跨度越來越大，覆蓋的范圍也發(fā)展到 了全部看臺，僅留下了中央的一部分露天比賽場。然而，體育場的發(fā)展并未到此為止，中間部分的頂蓋還能做成晴天開敞、雨天遮蔽的開閉 結(jié)構(gòu)，以至體育場和體育館之間已沒有什么嚴(yán)格的界限了。
近代體育場的興起首先要?dú)w功于世界杯足球賽，因?yàn)槊看伪荣惗家谌舾蓚�(gè)城市的足球場上進(jìn)行角逐，像1990年世界杯賽在
意大利舉行， 就新建或改建（加蓋）了11座體育場。其中羅馬奧運(yùn)會體育場原建于1960年，平面尺寸為308m×237m，改建時(shí)采用了以幅射狀索桁架與受拉 內(nèi)環(huán)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系，懸挑跨主工業(yè)區(qū)50m。新建的巴里足球與田徑場則以成對的懸挑箱形鋼拱作為承重結(jié)構(gòu)，最大懸挑跨度為26m。兩者 都采用涂敷特氟隆的玻璃纖維布作為屋面。
上一頁12下一頁
