體育建筑屋蓋網架結構選型分析
——以湖南大學體育館為例

王學潤

中南林業科技大學 湖南 長沙 410004

1 緒論

1.1 研究背景

體育館為大型公共建筑，并且由于其獨特的功能與造型，深得人們喜愛。隨著時代的飛快發展，國內體育類建筑也迅速得到建設，像水立方、鳥巢和各個地方的奧體中心、大學體育場館等等。這些標新立異的大型建筑帶給我們對未來建筑設計的新的思考和方向，為體育建筑的發展打下了良好的基礎和難得的機會。但是我國在類似的大空間建筑設計中仍然較為落后，可以說存在一些不足之處，使得有些建筑的結構和造型無法統一表現，并且在技術上、施工上都還有一定的難度。

1.2 國內外現狀

早在工業革命初期，國外的大型體育類建筑就開始有所發展。19世紀中期，英國工程師彼得·斯爾沃在《建筑師必讀:結構工程》一書中描述了結構在設計中的重要性，著名西班牙建筑師圣地亞哥·卡拉特拉瓦開創了結構表現學，同時還研究了結構仿生學，其結論和研究成果加速了西方建筑結構的發展。2006年，日本建筑師齋藤公男發表了書本《空間結構的發展與展望》，在書中，他將大空間建筑結構類型進行了分類和整理，并對結構的特點和應用進行了詳細介紹和分析，概念清晰并具有創新，幫助解決大空間建筑結構的建設難題。

國內許多大空間的體育館建筑設計受西方影響起步較晚，并且許多建筑及結構效仿西方。隨后中國在近幾十年飛速發展，哈爾濱工業大學教授梅季魁、劉德明和姚亞雄在合著的《大跨建筑結構構思與結構選型》[1]書中，通過對許多大跨度建筑優秀案例的分析，對此類建筑結構和形式進行了描述，為今后建筑學研究做出貢獻。

上海同濟大學建筑設計院院長胡仁茂在《大空間建筑設計研究》中，再次展現了大空間建筑發展的歷史，并對建筑的結構進行介紹和分析，對結構選型提出了良好的構思和想法。

2 網架結構設計理論

2.1 網架結構的形式

網架結構為三維桿系結構，桿件布置規則，通過節點的焊接拼裝組成的網狀形式。根據結構受力特點，超靜定結構由于其約束條件超過受力條件，因此有較好的安全性能，而網架結構屬于高次超靜定結構，安全性能更好，結構也更加穩定。

網架結構的種類很多，可根據不同的標準對其分類，如圖1至圖4。

圖1 交叉桁架體系網架

圖2 三角錐體系網架

圖3 四角錐體系網架

2.2 網架結構的特點

網架結構是由受力桿件按照某種規律通過節點連接的空間桿系結構。桿件截面尺寸相對較小，桿與桿之間的連接方式通常是鉸接，軸力大部分作用在桿件上。這些相互鉸接的桿件又互為支承，能夠將受力桿件與支承系統有機聯結，這樣一來可以減少成本。近年來，我國計算機飛速發展，技術上不斷提高，從而網架結構被很多建筑所應用。

網架結構具有以下優點：

①自重輕，節省鋼材；

②二力桿結構，整體剛度大，穩定；

③實際施工時，力的計算更加簡單；

④營造出大空間，減少空間浪費，成本低；

⑤結構形式多樣，具有普適性；

⑥節點連接簡便，方便制造標準化、定型化，滿足工業化生產，可裝可拆。靈活方便，造型靈活多變，體現建筑藝術美。

2.3 網架節點構造

2.3.1 焊接鋼板節點

焊接鋼板節點如圖所示由十字節點板和蓋板焊接組成。這種節點剛度較大，造價較低，現場焊接工作量大，需要一定的技術支持，且難以適應工廠批量化生產，但是在角鋼、槽鋼等桿件組成的二向網架中較為常見。

圖5 焊接鋼板節點

圖6 焊接空心球節點

2.3.2 焊接空心球節點

這種節點是通過兩個半球焊接形成的，分不加肋和加肋兩種,重要是連接鋼管桿件。通常加肋的空心球可以增加球節點承載力的10%-40%。為了減少用料和降低自身重量，肋板在使用過程當中一般會在中間部分減少直徑的1/3-1/2。

該節點的優點在于構造簡單，連接工程量小，受力分析簡明，適合于連接鋼管桿件，并且可以任意方向進行連接。

2.3.3 螺栓球節點

如圖所示，用螺栓將鋼管和球體相連形成螺栓球節點。在實際應用中，可以將一種桿件與一種螺栓球相結合形成網架結構體系。

螺栓球節點的桿件端部較細，從而節點相接處會變小，質量較輕，在施工中安裝和拆卸都較為方便。但是由于空間結構的限制，每個節點處最多只能連接十八根桿件。

隨著現代工藝的發展，零件的制造規范更新較快，所以用于制造螺栓球節點的鋼球、封板、套簡、錐頭的材料需要按照最新規定。

圖7 螺栓球節點

2.4 網架結構受力和計算

網架結構屬于一種空間鉸接桿系結構，在受力時，任意外力條件都不能使該結構發生幾何變形，因此探索結構的幾何不變性是非常重要的。足夠的約束是網架結構幾何不變性的必要條件，充分條件是約束的位置與方式要合理。

網架結構是空間結構，一個節點有三個自由度，其幾何不變的必要條件是：

式中：

B―網架的桿件數；

S―支座約束鏈桿數，S≥6；

J―網架的節點數。

網架結構最少支座約束條件是：滿足對整體剛體位移的約束，即約束剛體的三個平動位移和三個轉動位移，防止出現網架整體剛體位移的情況。所以對網架結構最基本的約束應該最少滿足六個自由度，如圖所示[2]。

圖8 網架結構基本約束

2.5 網架結構的抗震設計

網架結構具有自重輕，安裝周期短、美觀、便于維護等等優勢，它還具有一個鮮為人知的特點就是抗震性高，特別適合地震帶地區房屋搭建。

網架能夠承受豎向載荷，并且在豎向和水平方向均抗拉，因此網架結構抗震性能高。

3 體育館屋蓋形式

3.1 體育館屋蓋結構選型

體育館是一個封閉的空間，對視聽和安全性有非常高的要求。體育館最重要的設計在于屋頂和下部支撐，因此，體育館的屋蓋形式選擇十分重要。在設計體育館時，結構形式與建筑造型密切相關，需要共同考慮和設計，結構的選擇基本上確定了建筑形體，影響著建筑的外觀。對于此特點，體育館的屋蓋結構體系有以下幾種選擇，如桁架結構、薄殼結構、剛架結構、拱式結構、懸索結構等。在體育館中，室內體育活動區作為體育館最重要的空間，對其造型、結構、材料等都有非常高的要求，尤其是在結構上，屋蓋的結構形式和空間布局也直接影響著體育館的造型和人們的使用。

3.2 影響網架形式的因素

(1) 網架的受力性能：網架結構是一個雙向或三向受力的空間結構，其受力性能不但與與桿件布置有關，也與結構的整體性能有關，因此，對于矩形平面而言，上弦斜向布置較垂直向有利，可以把相當一部分屋面荷載沿四角布置在跨度最小方向的桿件傳到邊界上，相對比正交正放布置桿件有利；(2) 網架的網格尺寸：主要是指上弦桿網格的幾何尺寸，與網架的柱距、跨度、桿件材料和屋面構造等有關。根據以往實踐經驗，對于大、中型體育館的屋蓋，不論跨度如何變化，上弦的節間尺寸一般在3~6m;下弦在4~8m之間變化。不論跨度大小，網格尺寸往往設計得相對較大，其結果利大于弊，較為經濟合理，同時，也能使每個桿件都起到承載的作用，節點也能相應減少；(3) 網架的高度：網架的跨度是其一個重要的影響因素，同時還與網架的節點形式、荷載大小、支承條件、平面形狀等方面有關。如屋面荷載在1.5 KN/m2時，可到短跨的1/12~1/20；當屋面荷載為3.0 KN/m2時，可取短跨的1/8~1/15；當跨度超過100 m時，可取跨度的1/20。在進行內力估算時，腹桿內力通常只是上下弦桿內力的1/3~1/6，因此選擇網架高度較大些更加有利。

4 調研實例——湖南大學體育館

4.1 工程概況

隨著國家經濟飛速發展，對教育的重視度也隨之提高。高等院校的體育建設得到迅速的發展。同社會體育館相比，高校體育館在規劃選址、功能定位、形象特征等方面，都有著明顯的不同。湖南大學體育館于1996年4月開始方案招標，同年7月開展設計任務，最后于1998年竣工并投入使用。總建筑面積為8870㎡，基本滿足湖南大學南校區大一、大二上體育課的要求[3]。

4.2 屋蓋結構選型

體育館的屋蓋選型影響其內部功能、外部造型及工程造價等方面。湖大體育館采用兩片反曲向上的空間網架形式。這兩個網架結構左低右高，高差為兩米如圖9所示，豐富了建筑立面造型，同時也便于排水。此外，反曲形式的屋頂也影響了室內收音效果。在兩片網架之間交接處有一通風口與采光帶，夏日炎熱，室內的熱空氣會上升至中間排風口、達到了自然通風的效果。采光帶的作用在于提高場地中間的亮度，增加光照，在白天，體育館內部即使不補充光源也依然很明亮，內部結構如圖10所示。

圖9 湖南大學體育館外部

湖南大學體育館這種屋蓋形式的設計延用了傳統大屋頂的形式，并且由于長沙夏季炎熱多雨，坡屋頂的設計更加符合氣候要求。

圖10 湖南大學體育館內部

4.3 網架結構支承方式

湖大體育館采用的是(b)方式，該網架結構傳力直接，受力均勻，因此該支承方式在許多大跨型建筑設計中被廣泛采納。

圖11 周邊支承網架結構

5 結語

本文重點講述了網架結構的一些理論知識和在體育類建筑中的應用。由上述可知，網架結構由于其造型美觀、施工方便、受力計算簡便，被體育館等多種大跨建筑采用。但是大空間體育類建筑在設計方面仍然存在一些問題，尤其是在結構選型方面理論知識還不充分，比如在建筑造型上，結構的選擇不能與之很好融合、施工成本高、難度大等問題。因此為了豐富和完善體育館建筑的結構設計，在未來的研究中應在當前技術審美的基礎上擴大技術方向，嘗試更多屋蓋結構選型和受力特點，從而建立起一套較為系統的結構設計方案。雖然還有很多問題仍需要進一步深入和攻克，但我相信中國技術、中國速度，在未來的建筑領域中一定可以有更大的成績。