我國體育場館的大跨度空間結構選型探討

謝羽+許云鵬+黃文武

摘要：體育場館多數需要大跨度空間，如何通過空間結構選型實現其安全、經濟、適用和美觀的綜合指標是一個重要的問題。對國內體育場館的大跨度空間結構選型進行調研。對調研情況進行分析可知，國內最常用的結構類型主要有網架結構、桁架結構和網殼結構3種，而國外的體育場館建設在結構選型時更為豐富，此外，由于資金和技術方面的原因，國內體育場館跨度普遍偏小。此外，在我國的各類大跨度體育場館建設中，網架結構最早得到發展，桁架結構和網殼結構次之，膜結構發展得最晚。因此，我國的大跨度體育場館建設應加強對新材料和新結構類型的研究，綜合考慮各方面的因素選擇最合理的結構類型，在賦予大跨度屋蓋一些新的功能，在獲得更佳的使用體驗的同時，也延長其服役年限。

關鍵詞：體育場館；大跨度；空間結構；結構選型；新型結構

中圖分類號：G 818 文章編號：1009-783X（2017）02-0110-04 文獻標志碼：A

體育場館按用途可以分為田徑場館、游泳場館、體操場館、籃球場館等；按規模則可分為小型體育場館（3 000座以下）、中型體育場館（3 000-8 000座）和大型體育場館（8 000座以上）。由于體育比賽的特殊性，同時隨著體育產業的發展，觀眾現場觀賽等需求越來越高，即使是小型體育場館往往也需要十幾米甚至更大跨度的空間結構。19世紀后半期以來，鋼筋混凝土結構和鋼結構得到了大力發展，大跨度結構的建設也隨之上升到了一個新的高度，一大批剛度大、變形小、應力分布均勻、自重輕、材料省的體育場館橫空出世。

建筑的安全、經濟、適用和美觀是其最基本的4個方面，大跨度的體育場館因為在使用時一般面臨較重大的活動和較密集的人口，所以這些方面的性能更是廣受關注。國外有不少學者對此展開了研究和探討，例如：Majowiecki等對大跨度水平子結構進行了風荷載和雪荷載下的試驗分析，還開展了動力方面的研究Martins等通過體育場懸頂板的動態監測研究了風和溫度對結構模態參數的影響；Lewis等以某個體育場為背景探討了穹頂等大跨度結構設計和施工的相關問題；Bertero以一個體育館為對象完成了隨機風荷載作用下的大跨度結構的可靠性分析；Collins等和Kivak等研究了體育場館建造過程中的經濟性因素；Van等對體育場館的通風設計進行了探索；Ahlfeldt等從體育場館的建筑外觀設計引發關于城市文化的討論。國內學者針對大跨度體育場館幾個基本方面也有開展研究，但相對較少，且大多集中在施工和監控等方面。當前，國內外關于體育場館的大跨度空間結構選型研究較少，然而作為概念設計的第一個環節，結構選型的重要性不言而喻；因此，本文通過對國內大量的各類體育場館進行統計研究，力求探討國內體育場館結構選型設計時存在的一些問題，為我國今后的體育場館大跨度空間結構選型提出建議。

1.我國已建體育場館的空間結構類型

當前，世界上常見的大跨度體育場館建設采用較多的包括10種空間結構類型：網架結構（如圖1a所示）、桁架結構（如圖1b所示）、網殼結構（如圖1c所示）、拱結構、張拉膜結構（如圖1d所示）、薄殼結構、剛架結構、懸索結構（如圖1e所示）、折板結構和充氣膜結構。

以2008年北京奧運水立方結構為例，如圖1-d所示，其大小為176.538 9 mXl76.538 9 mX 29.378 6 m的立方體。“水立方”的覆蓋結構采用充氣枕結構，屋蓋和墻體的內外表面均覆以充氣枕，最大的單個氣枕面積約71m2、跨度9 m左右，膜材的用量約30萬m2。

本文通過對我國各省市共計1524個各類體育場館的空間結構特性進行收集和整理，數據主要來源于國內主流建筑網站如筑龍網http：//www.zhulon4.com、久久建筑網http：//www.99jianzhu.com等，得到我國體育場館建設中各種結構類型的分布情況，如圖2所示。

如圖2所示，在我國的體育場館建設中，最常采用的空間結構類型主要有網架結構、桁架結構、網殼結構3種，合計占到總數的70%以上。網架結構一般可分為雙層網架和三層網架。桁架結構則更為簡潔，對支座只產生豎向的荷載，而且易于與其他結構組合使用，因此，應用也十分廣泛。近年來出現的新型預應力張弦桁架又進一步推動了它們的發展和應用。網殼結構是近年來發展最快的大跨度空間結構，它和網架結構一樣由桿件和節點拼接而成，同時又具有薄殼結構的空間曲面外形，尤其是其中的雙層網殼結構體系，在大跨度體育場館的建設中應用極廣。這3類大跨度空間結構之所以在我國應用最廣，是因為它們的經濟性好，建造難度低，這與我國的基本國情是相符的，我國的大跨度空間結構起步晚，技術不成熟，資金也并不雄厚。前三者在我國之前的經濟技術水平下自然成為方案設計時的首選類型。

從圖2中還可以看出，在我國的體育場館建設中，以上3種之外的大跨度空間結構類型應用較少，例如充氣膜結構，應用幾乎為零。膜結構主要分為張拉膜結構（如圖1d所示）和充氣膜結構，張拉膜結構主要通過索鋼架，網殼等支撐膜材料形成室內空問；充氣膜結構則是向膜內充氣，造成室內外的壓力差，使膜膨脹形成室內空間。較之傳統的鋼結構、混凝土結構，膜結構具有的最大特點就是自重輕，可形成半透明的室內空間，降低照明能耗，夜間又可依靠室內燈光營造出奇幻的景觀，同時外形又極具雕塑感，給人視覺上極大的享受。拱結構歷史悠久，可以充分利用材料的抗壓性能，而且其獨特的結構造型使其在跨越較大的跨度時幾乎沒有彎矩，在現代大跨度結構體育場館中主要和桁架結構結合形成獨特的拱桁架結構。懸索結構利用的是材料的抗拉性能，因此，通過使用高強材料可以大大減輕懸索結構的自重，而且懸索結構安裝簡便，結構跨度越大優勢越明顯。薄殼結構模仿蛋殼的結構，在所有的大跨度空間結構中整體性最好，受力最為均勻。折板結構和剛架結構則從結構力學上講最為簡單。這些空間結構類型之所以在我國應用較少，大多是由于它們往往需要生產特定的材料，進行特定的施工，例如薄殼結構前期就需要耗費大量的人力來燒制相應的模板，拱結構需要耗費大量材料來抵消支座產生的橫向推力，懸索結構同樣需要耗費大量材料處理支座問題，而且結構計算的難度也大大增加。這些大跨度空間結構類型在國外都得到了一定程度的應用，說明它們并非沒有特點或是無可取之處，主要是受到經濟技術水平的制約。

2.國內大跨度體育場館建設情況分析

通過對1524個各類體育場館樣本的建造年代進行統計，如圖3所示，20世紀80年代以前，我國的大跨度體育場館的建設數量非常少。近40年來，我國的體育館建設呈現數量穩步增長的趨勢（第1組數量略多于第2組是由于其包括1975年前的數十年，時間跨度較大），尤其是近10年，出現了爆發式增長的局面，這是由于我國實行改革開放后經濟得到了快速發展，開始重視基礎設施的建設，大跨度體育場館開始得到大規模建設，經過20年的努力，大跨度空間建筑結構悄然間開始廣受關注，數量與日俱增，建設的技術水平開始突飛猛進。面對當前如火如荼的體育場館建設，對已有的大跨度體育場館建設進行總結，探討其大跨度空間結構的選型問題，對于指導日后的體育場館建設是十分必要的。

通過對國內樣本進行統計，如圖4所示，數據主要來源于國內主流建筑網站。從圖4可以看出，我國有超過60%的體育場館的跨度都在100 m以下，僅有17%的體育場館跨度達到了150 m以上。究其原因，除了使用需要方面的原因之外，我國的經濟情況及施工技術水平同樣是重要的原因。體育場館跨度的增加，會引起研究、設計、建造費用的大幅攀升，這一點從跨度分布的地域性上也可以看出，較大跨度的體育館集中分布在北京、上海、廣州等地區，而大部分二三線城市中以結構簡單，跨度較小的體育館居多。

將各種大跨度空間結構類型的體育場館的建造年代分別進行統計，如圖5所示。近些年，雖然我國體育場館建設數量突飛猛進，但主要仍局限在網架結構。桁架結構和網殼結構。20世紀80年代中期以前，我國的大跨度體育館結構以網架結構為主，80年代以后，網殼結構與桁架結構逐漸得到發展，進入21世紀，這3種傳統類型的大跨度體育場館的數量更是大幅增長。這一局面的造成仍然與施工技術水平是密不可分的，網架結構最為簡單，所以起步最早，網殼結構建造難度相對較大；但憑借其在造型、審美等方面的優勢也漸漸得到了良好的發展。值得注意的是，近年來，膜結構得到了一定程度的發展，這也迎合了主流發展趨勢，例如上海的虹橋體育場、廣東佛山世紀蓮體育中心游泳館體育場館等都是張拉膜結構的典型應用，而2008年北京奧運會的國家游泳中心則是為數不多的充氣膜結構的代表。

3.結論

1）改革開放以來，我國的大跨度體育場館建設取得了較大的發展，在最近的10余年里，數量上呈現了爆發式增長，我國經濟實力的提升是重要原因。

2）在我國的體育場館建設中，當前最常用的結構類型主要有網架結構、桁架結構和網殼結構3種，其余的一些大跨度空間結構類型應用較少。

3）在我國的各類大跨度體育場館建設中，網架結構最早得到發展，桁架結構和網殼結構次之，近年來膜結構也得到了一定程度的發展。

4）我國的大跨度體育場館建設要加強對新材料和新結構類型的研究，綜合考慮各方面的因素選擇最合理的結構類型，賦予大跨度屋蓋一些新的功能，在獲得更佳的使用體驗的同時，也延長其服役年限。

4.建議

1）加強對薄殼結構、懸索結構和膜結構等新型結構類型的研究，以此豐富現有結構設計和建設選擇。

2）在進行大跨度體育場館建設時，首先應考慮的是場館結構，因為建筑結構是決定其各方面性能的關鍵，在此基礎上，再進一步綜合考慮建筑的安全性、經濟性、適用性和美觀性等。

3）充分挖掘和利用大跨度屋蓋的新功能，例如利用網殼結構實現開合式屋蓋，利用薄殼結構、膜結構提高保溫性能等。

4）在結構選型的時候，考慮建筑材料的環保性等因素。用新型的環保材料逐漸取代舊有的高耗能材料已是基本趨勢，在結構概念設計時要考慮這些因素在內。

致謝：

特別感謝湖南大學土木工程學院張鵠志博士在本文的研究和撰寫中給出的幫助和建議。