大跨度公共建筑的结构选型探析

2011-01-29薛思寒刘成才

中州大学学报 2011年5期

薛思寒，刘成才

(1．华南理工大学建筑学院，广州510641;2．中州大学工程技术学院，郑州450044)

回顾人类的发展历史，就能发现一个显著的特点——人类活动空间在不断的改善与扩充。同时，伴随着全球的国际化，一些体育、学术、文化、艺术与商业交流等活动的展开，促使大量的规模庞大的体育场馆和会展中心在不停的建设中。因而，大跨度、多功能、形状复杂、技术要求高的现代空间结构的建筑及其新技术应运而生，并在国内外迅猛发展。2008年奥运会在中国举行，国家建成了一系列与奥运相关的大型场馆，带动了我国新型空间结构体系的发展。

1.现代建筑空间结构形式的发展趋势

对于丰富多彩的现代空间结构的形式来说，大体可以分为四种基本类型:钢筋混凝土薄壳结构、包括各种形式的网架结构和网壳结构在内的空间网格结构、包括各种形式的悬索结构和薄膜结构和“索－膜”结构的张力结构、由刚性构件和柔性索组合的混合结构。

目前空间结构朝着轻质、大跨度方向发展，这种发展趋势有一个必然的要求就是千方百计降低结构自重。目前来说，降低结构自重的途径有两种:一方面可以研制运用轻质高强的新型建筑材料，另一方面可以研究开发合理的结构形式，在结构受拉的部位采用膜或钢索，而在受压部分采用钢或铝合金构件，只有膜、索、杆相结合同时使用，形成杂交结构，理想的轻质大跨度结构才有可能实现。本文分别以国家体育场(鸟巢)和国家大剧院为例来探讨大跨度公共建筑的结构选型多样化的问题。

2.国家体育场——“鸟巢”

2.1 “鸟巢”现有结构选型

2008年北京奥运会主体育场——“鸟巢”，是仿生式网格结构，其形态如同孕育生命的“巢”，它更像一个摇篮，寄托着人类对未来的希望，设计师对这个国家体育场没有做任何多余的处理，直接将结构暴露在外，自然形成了建筑的外观。

2．1．1 高度复杂的钢结构

1)屋面部分:“鸟巢”是目前世界上跨度最大的体育建筑之一，建筑顶面呈鞍形，长轴332．3m，短轴为296．4m，最高点高度为68．5m，最低点高度为42．8m，外形结构主要由巨大的门式钢架组成，体育场中央有185．3m×127．5m的椭圆孔，屋盖结构采用交叉平面钢架体系，主体钢结构由24榀柱距为37．958m的格构式钢架组成，它们绕着中央椭圆孔相互交叉环梁放射形布置，形成复杂而规律的空间网格体系，支撑起大跨度屋盖。其中有22榀主桁架直通或接近直通，那么为了避免过于复杂节点的形成，设计师将其中4榀主桁架在环梁近处截断，由于主桁架与内环相切，会导致其中一些主桁架在平面外微弯。在此基础上次构件以随机方式布置，即24根桁架柱与主桁架加上立面次结构共同形成抗侧力体系，最终形成我们所见到的十分自然的鸟巢外罩。

2)看台部分:主场看台部分采用了与大跨度钢结构完全脱开的钢筋混凝土框架——剪力墙结构体系，具体实施过程中多采用由钢板焊接而成的箱型构件。截面尺寸巨大的构件导致存在大量空间扭曲的构件，最终交叉布置的主结构与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。

2．1．2 膜结构

“鸟巢”的膜结构上层为镶嵌在主体钢结构上层钢梁网格之间的透明ETFE膜结构，而下层则挂在主体钢结构下层钢梁下面的半透明PTFE膜结构吊顶。上层遮挡风雨，下层既有吸声作用还可以避免噪声的干扰。此外，由于膜的半透光性使比赛场内有足够的亮度又避免产生强烈的阴影。

2．1．3 “鸟巢”结构细节处理

“鸟巢”充分体现了建筑与结构的融合，由建筑的结构直接构成建筑独特的外观元素;雨水系统与建筑结构相结合，在七根钢柱内设置落水系统。从结构角度看，将格构式钢架用于如此大的跨度，其梁柱连接部位及跨中部位受力均较大，并不是十分理想的方案，必然会导致结构用钢量过大。但是，在设计过程中，设计师取消了可开启屋盖，相应扩大了屋顶开口，这样用钢量减少了22．3%，也提高了结构的安全性。

2．2 新的结构选型——“张拉式环形内挑顶篷结构”可行性分析

张拉整体结构是由受拉系和压杆群组成的，几乎全由轴力受力杆件组成，同时具有穹顶和索的结构特点，是迄今最佳的预应力钢结构体系。如果将其中一种内平衡式张拉整体结构运用到“鸟巢”的结构之中，这种结构的跨度可达到100－400m。并且这种结构视觉效果好，半透明的环境感觉舒适;比现有的鸟巢结构经济合理，顶层覆盖材料，仍可选择高强膜材。张拉整体结构体系与膜材的高强轻质特性结合，并进一步开发出新型张拉式环形内挑顶篷结构，顶篷结构由柔性的径向索、环索、刚性的压杆和外压环组成，其主要受力构件是高强度钢索。张拉式环形内挑顶篷这一结构可以加大运动场两侧观众台的覆盖面积，从而提高观众台的容量。

图7 张拉式环形内挑顶篷结构

3.国家大剧院

3．1 国家大剧院现有结构选型

国家大剧院位于人民大会堂的西侧，整个建筑由椭圆形结构中心(202区大剧院主体建筑)、南北两侧(201、203区)的地下通道车库及其他附属配套设施构成，它的主体建筑由歌剧院、戏剧院、音乐厅组成，总占地面积149520m2。

3．1．1 网壳结构

国家大剧院采用网壳结构，其中主体建筑——钢椭球(壳体)是一个东西长212．2m，南北长143．64m，高46．285m的超大空间的钢壳体。整个钢壳体由顶环梁，梁架构成主体骨架，梁架之间由连杆和斜撑连接，整个钢壳体总重约6750吨。内外两球面不一样的椭圆方程，给施工增添难度，尤其其平面、空间定位测量的难度均比较大。同时，超大型空间结构的壳体，结构体量颇大，要形成稳定的空间结构，只有等整个结构待壳体完全形成后才行，那么如何保证施工阶段的结构稳定至关重要。中心对称辐射状布置的梁架，每种同类构件最多只有四件，对构件的制作放样及安装顺序要求颇高。

3．1．2 结构骨架

1)顶环梁:采用 Φ1117．6－25．4THK 的钢管，中间矩形框采用的是矩形箱型梁。整个顶环梁长度约为60m，宽度约为38m。顶环梁半圆区内的搁栅呈放射状分布;矩形框内南北向搁栅采用60mm钢板梁，东西向采用Φ194钢管，搁栅呈网格状分布。整个顶环梁总重约700吨。

2)梁架:分为A类(短轴梁架)、B类(长轴梁架)。A类梁架采用的是60mm厚钢板制作形成，共46榀;B类梁架采用上下翼缘不等的焊接H型钢，共102榀。斜撑及连杆均采用钢管，连接方式有两种，可见部分梁架之间连杆采用铸钢节点连接，不可见区域连杆采用钢套筒连接。

3．2 新的结构选型——空间张弦结构体系可行性分析

平面的张弦结构是新型混合体系——以刚性构件(通常为格构式或实腹式的拱或梁)为上弦，柔性的“弦”(通常为高强索)为下弦，上下弦之间通过竖向撑杆连接。之所以称之为张弦结构是由于适当预应力的施加使结构体系绷紧，像一张拉紧的弓。这种结构显著特点是自重相对来说较轻，并且有较好的技术经济性能。

当平面的张弦结构上弦为网壳或双向交叉桁架等空间体系时，通过加设下弦索和竖向撑杆来进行加强，即可形成空间张弦结构。这种空间张弦结构形式具有轻盈优美的外观，合理的受力和经济的材料，可以实现对大跨度的要求。如果在国家大剧院中应用，可以考虑采用中央球面网壳的形式，设计由一系列按辐射方向布置的张弦桁架、环向竖直支撑和屋面水平支撑共同组成的弦支肋环型网壳结构。

4.结束语

近年来，大跨度结构发展非常迅速，应用也越来越广泛，尤其是一些大型体育建筑和影剧院建筑。随着大跨度结构的不断发展，结构形式日益多样化，技术水平也在不断的提高。那么，如何在这种时代背景下，在考虑建筑的形式美观、结构合理、经济适用的前提下，选择最适合的大跨度结构类型，不仅仅需要有很好的结构选型能力，还需要建筑师与结构师的密切配合。只有他们共同的合作才会让我们国家的大跨度建筑发展得越来越好，越来越先进、美观。