木結(jié)構(gòu)在體育建筑中的應(yīng)用與發(fā)展

劉益東 劉 偉

(長安大學(xué)，陜西 西安 710061)

1 研究背景

我國當(dāng)前城鎮(zhèn)化正處于由粗放型擴(kuò)張向精細(xì)化增長，由增量開發(fā)向存量更新轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時刻。而體育建筑作為城市發(fā)展中重要的組成部分，也在城市發(fā)展的過程中產(chǎn)生了巨大的變化。體育建筑的設(shè)計重點(diǎn)逐漸向既有體育建筑的價值挖掘、功能提升性能優(yōu)化等方面轉(zhuǎn)移[1]。眾所周知，木材的保溫性能較其他材料更加優(yōu)秀，這樣的優(yōu)勢使得木材可以通過減少熱損失的方式在調(diào)節(jié)氣溫方面有效降低成本。如今越來越多的建筑師將木材作為的建筑材料加入建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計制造、表皮紋理的技術(shù)表達(dá)等環(huán)節(jié)中。在處處可見“混凝土森林”的當(dāng)代，人們越來越親睞自然清新的木結(jié)構(gòu)[2]。

木結(jié)構(gòu)在逐漸走向成熟的建筑材料與技術(shù)的發(fā)展過程中衍生出多種多樣不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的形式，如桁架拱、傘形穹頂、樹形柱、空間網(wǎng)格。在現(xiàn)有的大跨木結(jié)構(gòu)建筑實(shí)例中，它所營造的美觀造型和綠色自然的效果十分優(yōu)秀；因此在歐洲、北美和日本等發(fā)達(dá)地區(qū)木結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于體育館、展覽廳等大型公共建筑中[3]。

2 傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外的發(fā)展與應(yīng)用

2.1 我國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用

中國是最早使用木結(jié)構(gòu)的國家之一。其中最為經(jīng)典的木構(gòu)建筑是五臺山佛光寺大殿和應(yīng)縣佛宮寺釋迦塔。

五臺山佛光寺大殿和應(yīng)縣佛宮寺釋迦塔代表了我國傳統(tǒng)木構(gòu)建筑的至高成就。佛光寺大殿的筑成與輝煌告訴人們，早在一千多年前木結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)藝術(shù)加工與結(jié)構(gòu)造型的統(tǒng)一，體現(xiàn)力與美的完美結(jié)合。應(yīng)縣釋迦塔經(jīng)歷了上千年的風(fēng)吹日曬，據(jù)記載，僅烈度5度以上的地震就遭受過十幾次。千年不倒的應(yīng)縣木塔充分表現(xiàn)出了木架構(gòu)優(yōu)秀的抗震效果，這種剛?cè)岵?jì)的設(shè)計特點(diǎn)甚至能夠比肩現(xiàn)代建筑學(xué)的科技水平。

2.2 外國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用

早在公元2世紀(jì)，萬神殿柱廊之上便出現(xiàn)了木桁架。隨著西方國家拱券技術(shù)發(fā)展走向成熟，在鋼鐵被大量使用之前，木構(gòu)件因其構(gòu)件輕、強(qiáng)度大的特點(diǎn)常被加工用于穹頂結(jié)構(gòu)。在中世紀(jì)時期，人們大力發(fā)展桁架結(jié)構(gòu)用于滿足逐漸增大的建筑物跨度需求，如13世紀(jì)時就產(chǎn)生了哥特式風(fēng)格桁架，15 世紀(jì)，將肋拱與“托臂梁桁架”相結(jié)合，制作出更大的跨度[2]。

在以歐洲為代表的西方建筑領(lǐng)域，桁架結(jié)構(gòu)和拱券是常用的大跨木結(jié)構(gòu)形式。因?yàn)槭叭a(chǎn)生的巨大側(cè)推力是石拱券結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的不可避免的問題，所以人們?yōu)榱说窒叭a(chǎn)生的側(cè)推力，便將木材仿照石拱券制作，形成木拱券[5]。

3 木結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

3.1 低碳環(huán)保

木材是可再生的生物質(zhì)材料。木材在制作、運(yùn)輸、供應(yīng)建造的過程中產(chǎn)生的能耗要遠(yuǎn)低于目前建筑材料中使用較多的鋼材與混凝土。木材作為一種對環(huán)境負(fù)荷極小的建筑材料，具有與環(huán)境親和度高的特點(diǎn)，木結(jié)構(gòu)的構(gòu)件不僅可以標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，而且能滿足施工現(xiàn)場建造裝配的要求，使建筑周期縮短，從而降低施工建造中的能耗。

3.2 保溫隔熱

木結(jié)構(gòu)建筑具有良好的保溫隔熱性能。木材作為天然的隔熱材料，密度較大的鋼材與混凝土等材料的保溫性能遠(yuǎn)不如蜂窩狀結(jié)構(gòu)的木材[7]。木結(jié)構(gòu)的墻體和屋架體系由木基結(jié)構(gòu)覆面板、保溫棉和木質(zhì)規(guī)格材等組成。測試表明，610 mm厚的磚墻，其保溫能力僅相當(dāng)于150 mm厚的木結(jié)構(gòu)墻體，且在混凝土結(jié)構(gòu)與木結(jié)構(gòu)節(jié)能損耗的對比數(shù)據(jù)中，木結(jié)構(gòu)可以節(jié)省50%～70%的能量。因此，木結(jié)構(gòu)更適用于高標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能要求[8]。

3.3 安全耐久

不同構(gòu)造的木結(jié)構(gòu)在對石膏板等保護(hù)、裝飾性材料的運(yùn)用下，可將其耐火時間從45 min提高到1.5 h。我國建筑的防火規(guī)范中對于一般耐火時間的規(guī)定為1 h[8]。由于木結(jié)構(gòu)的箱式結(jié)構(gòu)能夠很好的將受力均分，自重較其他材料更輕且木結(jié)構(gòu)具有良好的彈性功能，所以木結(jié)構(gòu)在抵抗瞬間沖擊力與周期性疲勞破壞的方面有優(yōu)秀的抵抗能力，這些特點(diǎn)使木結(jié)構(gòu)相比于其他建筑材料具有更加優(yōu)秀的抗震效果，木結(jié)構(gòu)在地震時極少發(fā)生結(jié)構(gòu)性損壞，從而降低地震造成的人員傷亡。

4 體育建筑中木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例

木結(jié)構(gòu)具有優(yōu)秀的比強(qiáng)度與比剛度，是一種特別適合大跨度建筑的結(jié)構(gòu)形式[3]。在現(xiàn)代科技的發(fā)展下，木結(jié)構(gòu)體系早已不局限于其本身材料的運(yùn)用，對木材的加工或?qū)⒛静呐c其他材料進(jìn)行復(fù)合加工形成一種新型結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)構(gòu)建方式已然成為木結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向。其中，目前被廣泛運(yùn)用于體育建筑的木結(jié)構(gòu)形式就有膠合木結(jié)構(gòu)、鋼木結(jié)構(gòu)等。

4.1 美國塔科馬體育館

膠合木是近幾年發(fā)展十分迅速的結(jié)構(gòu)材料，它相較于鋼結(jié)構(gòu)等其他結(jié)構(gòu)具有自重更輕、耐火性能更好、在特殊環(huán)境中防腐蝕性能更好且更為綠色環(huán)保等優(yōu)勢，因此越來越多的大跨度建筑開始運(yùn)用膠合木材料。

位于美國的塔科馬市的塔科馬體育館采用了膠合木單層球面木網(wǎng)殼。塔科馬體育館的木結(jié)構(gòu)穹頂直徑達(dá)到了162 m，高出地面45.7 m，且與一個13 900 m2的展廳相連接。為了提供不同種類的活動足夠舒適的尺度，設(shè)計師還將穹頂內(nèi)的座位設(shè)置為可調(diào)節(jié)的形式[10]。穹頂結(jié)構(gòu)包括交織成巨大弧形的三角形木構(gòu)架，它能夠承受龐大的荷載。每一根主肋被 Varax 彀互相連接起來，且被彎曲成最適應(yīng)穹頂表面的曲線。這些六邊形的鋼連接構(gòu)件能夠?qū)⑤S線方向的壓力、剪力和彎矩從肋骨的端部傳遞到其他5根與之相接的肋骨。這樣的連接件使得穹頂形成一個三維的空間構(gòu)架，能夠承載足夠的荷載[10]。

比起傳統(tǒng)的穹頂建筑材料，木構(gòu)穹頂有許多優(yōu)點(diǎn)。除了其支撐固定荷載的能力外，木構(gòu)穹頂還能提供優(yōu)秀的聲學(xué)效果、熱學(xué)絕緣性能和防火能力。室內(nèi)表面鋪有聲學(xué)絕緣板，這些絕緣材料配合穹頂?shù)男螤睿纬闪艘粋€良好的具有劇院音質(zhì)般音響效果的空間[10](見圖1)。

4.2 上海崇明體育訓(xùn)練基地游泳館

鋼木結(jié)構(gòu)是將鋼構(gòu)件與木構(gòu)件相互組合形成構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)體系。鋼木結(jié)構(gòu)不僅能夠發(fā)揮鋼構(gòu)件堅固耐用的優(yōu)勢，而且還能夠呈現(xiàn)出木構(gòu)件豐富多樣的表現(xiàn)形式。鋼木結(jié)構(gòu)的保溫和耐腐蝕的優(yōu)勢很大程度上解決了當(dāng)前游泳館建設(shè)和使用中的難題。它可以有效減少冷熱橋，防止結(jié)露，也更耐游泳館含氯水汽腐蝕，避免破壞構(gòu)造，影響使用[12]。

以上海市崇明體育訓(xùn)練基地游泳館工程為例，游泳館大廳長 64 m，短向跨度45 m，布置有25 m×50 m游泳池及25 m×25 m的訓(xùn)練池各一個。設(shè)計中，結(jié)構(gòu)師提供可選的結(jié)構(gòu)布置方案分別為平行拱和交叉菱形網(wǎng)格殼體。前者為單向的受力體系，空間作用差；后者縱向和橫向剛度更高，為空間作用結(jié)構(gòu)體系。結(jié)合建筑師對于室內(nèi)空間均質(zhì)肌理和韻律感的設(shè)想，選擇交叉菱形網(wǎng)格殼體方案，拱殼屋蓋與下弦拉索結(jié)合順應(yīng)泳池空間短向布置，形成鋼木混合張弦殼體結(jié)構(gòu)，既充分發(fā)揮殼體與張拉結(jié)構(gòu)的綜合作用，又將結(jié)構(gòu)形式與池岸泳池空間的不同高度需求相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與空間的內(nèi)在結(jié)合[12](見圖2，圖3)。

5 結(jié)語

木結(jié)構(gòu)是我國傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)，探討其發(fā)展與應(yīng)用對我國建筑發(fā)展及文化傳承有著重要的意義。目前我國關(guān)于木結(jié)構(gòu)體育建筑的實(shí)例屈指可數(shù)，這意味著，在木結(jié)構(gòu)體育建筑領(lǐng)域蘊(yùn)藏著巨大的建筑設(shè)計潛力和推動體育建筑設(shè)計與木結(jié)構(gòu)設(shè)計的巨大能量。將木結(jié)構(gòu)與體育建筑的發(fā)展相結(jié)合，不僅能夠給體育建筑設(shè)計帶來新穎的表現(xiàn)形式，而且能夠?qū)⑽覈鴤鹘y(tǒng)木構(gòu)建筑文化承載于體育建筑這樣龐大、具有標(biāo)志性的建筑物從而孕育出新的文化符號。