空間結(jié)構(gòu)在2014 巴西世界杯場(chǎng)館中的應(yīng)用

文/劉錫良 郜雅

2014 年世界杯由巴西12 座城市的12 座體育場(chǎng)館共同承辦。其中新建的4 所場(chǎng)館與改建或重建的8 所場(chǎng)館均各具特色。這些場(chǎng)館除展現(xiàn)出世界杯帶給人們的體育競(jìng)技樂趣之外，屬于空間結(jié)構(gòu)的美感也成為一道獨(dú)特而亮麗的風(fēng)景線。筆者對(duì)這12 個(gè)場(chǎng)館的設(shè)計(jì)理念、結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)依次進(jìn)行概括性介紹。

摘自：建筑時(shí)報(bào)

巴西利亞國(guó)家體育場(chǎng)National Stadium

巴西利亞國(guó)家體育場(chǎng)興建于1974 年，可容納45200 人。為達(dá)到2014 年世界杯的要求，體育場(chǎng)進(jìn)行重建，增加了一個(gè)下層看臺(tái)，并重新進(jìn)行了上層看臺(tái)的框架設(shè)計(jì)，重建后可容70064 人。體育場(chǎng)建筑面積共21.88 萬平方米，形狀為標(biāo)準(zhǔn)圓形，建筑高度50 米，直徑309 米。屋蓋為索膜結(jié)構(gòu)，索膜結(jié)構(gòu)厚度最大10 米，由48 根直徑10厘米的主索通過墊板與混凝土受壓環(huán)連接。從屋蓋支承處至懸挑邊緣總長(zhǎng)103 米，屋蓋由一圈混凝上受壓環(huán)支承。屋蓋上層由多種透明覆蓋材料組成，下層則采用背光膜的設(shè)計(jì)形式。該體育場(chǎng)屋頂為可移動(dòng)式內(nèi)置屋頂，這就意味著這個(gè)可以容納7 萬人的體育場(chǎng)在任何季節(jié)都可以使用。下部由228 根混凝土柱子組成，每根柱子高48 米直徑1.2 米，用來支承混凝土受壓環(huán)。

馬拉卡納體育場(chǎng)Maracana Stadium

本屆世界杯決賽球場(chǎng)在巴西最負(fù)盛名的體育場(chǎng)一一馬拉卡納體育場(chǎng)舉行。馬拉卡納體育場(chǎng)位于盧巴西里約熱內(nèi)盧，其正式名字叫馬里奧-費(fèi)勞體育場(chǎng)，這座球場(chǎng)為1950年巴西世界杯而修建，于1948 年開始修建，花費(fèi)兩年時(shí)間建成，建成后最多一次曾容納2 0 萬人觀看比賽，是當(dāng)時(shí)世界上最大的體育場(chǎng)，建筑高度24 米，下部由60 根混凝上“Y”形柱支承。馬拉卡納體育場(chǎng)于 2010 年開始翻修，翻修后建筑尺寸長(zhǎng)318 米，高度37 米。翻修時(shí)將原有只能遮蓋頂層看臺(tái)的30 米屋蓋進(jìn)行延伸。新建屋蓋采用索膜結(jié)構(gòu)，具有兩圈環(huán)索，懸挑 69 米，覆蓋住了所有看臺(tái)席位，同時(shí)在屋頂安裝1500 塊太陽(yáng)能光伏板。應(yīng)國(guó)際足聯(lián)的建議，馬拉卡納體育場(chǎng)的觀眾容納量也減為73500 位。

圣保羅體育場(chǎng)Itaquerao Stadium

圣保羅體育場(chǎng)為新建場(chǎng)館，建筑面積18.90 萬平方米，屋蓋面積3 .23 萬平方米。建筑長(zhǎng)267 米，寬228 米，建筑高度約為43 米。圣保羅體育場(chǎng)屋蓋是一個(gè)兩點(diǎn)支承的懸臂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。在看臺(tái)區(qū)域沒有任何柱子。屋蓋最邊緣處，網(wǎng)架高度只有3 米，但在兩個(gè)主支承點(diǎn)處網(wǎng)架高度達(dá)到10 米。屋蓋直接支承在柱子上，將荷載直接傳遞至基礎(chǔ)。南北兩側(cè)整個(gè)看臺(tái)無柱支承為大跨度屋蓋，采用預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式。由于沒有南北立面，使屋蓋結(jié)構(gòu)可能承受向上的風(fēng)吸力。屋蓋雖然體現(xiàn)出輕巧的夕忙現(xiàn)，但屋蓋重量不能太輕，否則會(huì)由于風(fēng)吸力使結(jié)構(gòu)破壞。

新水源體育場(chǎng)Fonte Nova Stadium

新水源體育場(chǎng)位于巴西薩爾瓦多，于1951 年1 月2 8 日開放，2007 年11 月關(guān)閉，三年后拆除。2010 年新球場(chǎng)在，舊址上修建，取代原有水源體育場(chǎng)。新水源體育場(chǎng)建筑高度35 米，長(zhǎng)250 米，看臺(tái)的南部有一個(gè)大型開口。這一開口不僅使體育場(chǎng)內(nèi)空氣流動(dòng)，同時(shí)也使體育場(chǎng)與附近的內(nèi)城湖泊有了直接的關(guān)系，為球場(chǎng)帶來了新的空氣流通。新水源體育場(chǎng)屋蓋為索膜結(jié)構(gòu)，屋蓋懸挑63 米，替代原來懸挑30 米的屋蓋。屋蓋索膜結(jié)構(gòu)矢高最高1 9 米。屋蓋膜結(jié)構(gòu)位于上下應(yīng)力環(huán)之間。屋面采用由聚四氟乙烯纖維制造的PTFT 膜材料，面積301399 平方英尺。

卡斯特勞體育場(chǎng)Arena Castelao Stadium

卡斯特勞體育場(chǎng)于1973 年11 月11 日啟用。經(jīng)過翻修后于2013 年再次投入使用，建筑高度約42 米，長(zhǎng)約270 米，寬約230米。卡斯特勞體育場(chǎng)的原結(jié)構(gòu)由干其大坡度被人們稱為混凝土巨人。故在新的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建設(shè)理念中繼續(xù)體現(xiàn)了它居高臨下的風(fēng)格。為減少看臺(tái)部分的振動(dòng)，同時(shí)支承新的屋蓋體系，在原有混凝土結(jié)構(gòu)的四周增加了60 個(gè)鋼桁架結(jié)構(gòu)，桁架結(jié)構(gòu)高度最高58 米。屋蓋結(jié)構(gòu)分為各個(gè)獨(dú)立的模塊化的部分進(jìn)行安裝，可以加快屋蓋結(jié)構(gòu)安裝進(jìn)度。屋蓋結(jié)構(gòu)選擇了較輕鬧時(shí)剛度較大的結(jié)構(gòu)體系，在屋蓋安裝時(shí)只需使用小型可移動(dòng)起重機(jī)，而不需要大型固定式起重機(jī)。屋蓋結(jié)構(gòu)可以覆蓋所有看臺(tái)觀眾，保證了舒適的溫度和良好的通風(fēng)。

沙丘球場(chǎng)Das Dunas Stadium

沙丘球場(chǎng)建筑長(zhǎng)271 米，結(jié)構(gòu)高度47 .1 米，由20 個(gè)巨大的蒙鋁板的花瓣?duì)钿撹旒芙Y(jié)構(gòu)組成。高低不對(duì)稱造型類似于該城市附近常見的流動(dòng)沙丘。花瓣結(jié)構(gòu)采用鋼桁架結(jié)構(gòu)形式，外部蒙鋁板，起到隔絕熱量和聲音的作用。內(nèi)部采用預(yù)應(yīng)力的聚氯乙烯PVC 膜覆蓋。各個(gè)花瓣間的空隙采用半透明的聚碳酸酯材料覆蓋，使得體育場(chǎng)具有良好的采光。

波南部各體育場(chǎng)Arena Pernambuco Stadium

波南部各體育場(chǎng)于2010 年8 月開始建造，建筑高度37 米，長(zhǎng)2 8 米。體育場(chǎng)中充分體現(xiàn)了可持續(xù)性的特色。例如有利干通風(fēng)和采光的設(shè)備，雨水回收及采用屋面安裝的太陽(yáng)能光伏板發(fā)電提供能源的熱水系統(tǒng)。該工程是第一個(gè)在拉丁美洲中應(yīng)用ETFE 膜材料的工程，使用ETFE 膜材將整個(gè)體育場(chǎng)完全覆蓋。雖然波南部各體育場(chǎng)的外觀發(fā)生過改變，但它仍然是2014 年世界杯12 個(gè)場(chǎng)館中外觀最有趣的場(chǎng)館。在2010 年，波南部各體育場(chǎng)的外立面留有幾何形的孔洞，使得陽(yáng)光可以進(jìn)人體育場(chǎng)，同時(shí)內(nèi)部設(shè)備可以得到良好的通風(fēng)。后來外立面增加了與德國(guó)慕尼黑安聯(lián)球場(chǎng)相同的膜材料氣枕作為外立面。波南部各體育場(chǎng)屋蓋采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，懸挑32 米，由屋蓋一端支承在混凝土柱上，一段由鋼拉桿與混凝土柱相連。

亞馬遜體育場(chǎng)Arena da Amazonia Stadium

亞馬遜體育場(chǎng)位于巴西瑪瑙斯市，它的前身為維瓦爾當(dāng)體育場(chǎng)(Vivaldao Stadium)。改建后亞遜體育場(chǎng)長(zhǎng)240 米，寬200 米，高35 米。由于當(dāng)?shù)貧夂畛睗裱谉幔^眾席的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)顯得尤為關(guān)鍵。體育場(chǎng)屋面向外延伸至外立面，形成連貫的環(huán)形。用于遮蓋觀眾看臺(tái)區(qū)和連通區(qū)域。屋蓋結(jié)構(gòu)由相互交叉的懸臂空心鋼梁組成，空心鋼梁同時(shí)具有熱帶地區(qū)大量排水的功能。在斜向交叉框架的巾間，由半透明的玻璃纖維覆蓋，其表面低輻射的涂層可以反射熱輻射具有冷卻效應(yīng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。

米內(nèi)羅體育場(chǎng)Mineirao Stadium

米內(nèi)羅體育場(chǎng)最大的特色是由88 根突出的混凝土肋有規(guī)律地組成的橢圓形結(jié)構(gòu)，體育場(chǎng)長(zhǎng)280 米，寬220 米，高度23.6 米，它被巴西評(píng)為文化遺產(chǎn)而受到保護(hù)。不影響原貌的前提下，于2010 年開始翻修工程，目的是完善其功能和設(shè)計(jì)。在改建時(shí)僅保留了建筑外層殼體包括88 根混凝土框架結(jié)構(gòu)、混凝土屋蓋和上層看臺(tái)。對(duì)此外的其他部分均進(jìn)行重建，包括在原有看臺(tái)上方的清水混凝土屋蓋上再增加了一個(gè)新的索膜結(jié)構(gòu)屋蓋，使原有屋蓋懸挑長(zhǎng)度由30 米擴(kuò)大到60 米，以增大屋蓋覆蓋面積，降低球場(chǎng)高度，并重新設(shè)計(jì)了底層看臺(tái)，以使觀眾獲得更良好的視線。周圍的承壓環(huán)和新增的承重支承結(jié)構(gòu)作為一個(gè)獨(dú)立體系傳遞荷載，緊貼原有結(jié)構(gòu)體系但與原結(jié)構(gòu)斷開，保證了原有特色殼體的安全。

經(jīng)過對(duì)結(jié)構(gòu)的分析顯示，原結(jié)構(gòu)屋蓋已經(jīng)發(fā)生約30 厘米的撓度。故在改建前對(duì)米內(nèi)羅體育場(chǎng)進(jìn)行原結(jié)構(gòu)的加固工作。分為3 個(gè)步驟：預(yù)應(yīng)力糾偏——在結(jié)構(gòu)增加懸臂屋蓋前，在混凝土肋板側(cè)面采用鋼拉索施加預(yù)應(yīng)力的同時(shí)，在屋蓋下方支頂液壓千斤頂對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行糾偏，使原結(jié)構(gòu)屋蓋懸臂端恢復(fù)向上的位移9 厘米。加固——在88 根混凝土肋下方門廊處澆筑混凝土，并在看臺(tái)下方增加鋼柱進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。安裝鋼結(jié)構(gòu)新屋蓋——新的鋼屋蓋分為兩個(gè)部分，首先安裝屋蓋1，屋蓋1 后部支承在看臺(tái)上，通過錨固螺栓懸掛并固定在原混凝土屋蓋上，然后在屋蓋1 的懸挑端上繼續(xù)安裝屋蓋2，最后拆除液壓千斤頂，使新增鋼結(jié)構(gòu)屋蓋與原有混凝土屋蓋共同工作。

潘塔納爾體育場(chǎng)Arena Pantanal Stadium

潘塔納爾體育場(chǎng)位于巴西庫(kù)亞巴，是南美洲的地理中心，它取代以前的大綠體育場(chǎng)Jose Fragelli。潘塔納爾體育場(chǎng)的名字來源于潘塔納爾濕地的動(dòng)植物包圍。潘塔納爾體育場(chǎng)于2010 年開始施工，建筑高度36 米，長(zhǎng)270 米，建筑面積8 萬平方米，具有開放性的四個(gè)角。潘塔納爾體育場(chǎng)屋蓋為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，屋蓋寬54 米，桿件采用板式節(jié)點(diǎn)螺栓連接。網(wǎng)架采用分塊安裝法，網(wǎng)架安裝完成后將采用2.56 萬平方米的膜材料覆蓋屋面。

拜沙達(dá)體育場(chǎng)Arena da Baixada Stadium

拜沙達(dá)體育場(chǎng)是巴西最古老的體育場(chǎng)之一，位于巴西巴拉那州庫(kù)里奇巴。它的的正式名稱為若阿金·阿梅里科·吉馬拉埃斯體育場(chǎng)，1914 年完工，在1970 年關(guān)閉，之后在1984 年重開。1997 年新的拜沙達(dá)體育場(chǎng)動(dòng)工，為應(yīng)對(duì)2014 巴西世界杯的舉辦要求，球場(chǎng)在2012 年12 月開始再次進(jìn)行翻修，將座位增加到41456 個(gè)。

新的拜沙達(dá)體育場(chǎng)建筑面積12.80 萬平方米，建筑高度約42 米，長(zhǎng)約215 米，是巴西唯一一個(gè)具有可開合屋蓋的體育場(chǎng)。該場(chǎng)館可開合屋蓋部分跨度63 米，長(zhǎng)度98米，由兩塊屋蓋通過軌道滑動(dòng)，可以在15分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)打開或關(guān)閉概可滑動(dòng)屋蓋的兩根軌道為鋼桁架，跨度190 米，桁架高度10 米。為了安裝新的屋蓋，拆除了體育場(chǎng)內(nèi)原有的6 個(gè)塔狀結(jié)構(gòu)的阻礙，屋蓋表面覆蓋半透明的太陽(yáng)能光伏電池。

貝拉里奧體育場(chǎng)/河岸球場(chǎng)Beira 一Rio Stadium

貝拉里奧體育場(chǎng)位于阿雷格里港市（the city of Porto Alegre），于1969 年建成，建造花費(fèi)了約10 年。改建工程時(shí)，在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加了65 個(gè)葉狀的輕型屋面結(jié)構(gòu)，以取代原有只能遮蓋部分看臺(tái)的屋蓋。在葉狀結(jié)構(gòu)之間采用透明的聚四氟乙烯PT FE 膜材，形成一個(gè)完整的表面，使得陽(yáng)光可以射進(jìn)看臺(tái)，并在球場(chǎng)內(nèi)形成一個(gè)穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。葉狀結(jié)構(gòu)采用鋼桁架，高34.75 米，長(zhǎng)52 米。

2014 年巴西世界杯的12 個(gè)比賽場(chǎng)館或新建或改建、重建，空間結(jié)構(gòu)在這些場(chǎng)館中得到了廣泛應(yīng)用。希望文中介紹的場(chǎng)館結(jié)構(gòu)體系和改建方法對(duì)我國(guó)體育場(chǎng)館的新建及對(duì)既有結(jié)構(gòu)的加固改建可有一定的借鑒意義，也希望可為今后類似工程提供一定的參考價(jià)值。同時(shí)，文中介紹內(nèi)容也從另一個(gè)方面體現(xiàn)出了空間結(jié)構(gòu)在世界范圍內(nèi)的蓬勃發(fā)展。