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失重体育建筑与挑战性钢结构—深圳大运中心设计国际竞赛方案解读
发布时间:2013-1-24 23:23:30 | 人感兴趣 | 评分:3 | 收藏:
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3号方案(图8),一场两馆三足鼎立。体育场为风采独特和变化的“麻花拱[13]”索网建筑形体,为城市注入永恒的印象和活力,体育馆为延展的“菊花”壳体。游泳馆屋面为起伏波浪轻型建筑,屋檐水波延伸,细致生动,与波浪屋顶交响呼应[7]。

 
图8  3号方案


      4号“贝壳”方案(图9),纯净、圆润、饱满的体育场、体育馆、训练馆(任务书以外)、游泳馆,带状分布,与体育商业街结合为休闲舒展的一体,宛如静静镶嵌在沙滩中的几只贝壳,享受着清澈海水一浪高过一浪的轻抚。埋在沙滩中的贝壳体育场,倾斜的环状曲线,洁白的屋顶与下部形体鲜明对比,在倾斜的不稳中寻求到完美的力学稳定,充满力量与动感,不同的角度,不同的感受[8]。

 
图9  4号贝壳方案
 

5号方案(图10),一场两馆三角分布。体育场如航母,体育馆如飞船,泳池馆屋面结合造形与室外池的雨水收集系统,组成高科技的综合体。延椭圆长轴布置的索承屋盖两端上翘,宛如中国古建飞檐,与周边起伏山恋强烈对比。长屋檐下两侧的巨柱围廊,30度上扬,宛如张开的双臂迎向城市,象征飞扬向上的体育精神[9]。唯规划调整较大,副场不在体育场北向有违体育工艺[12]。
 


图10  5号方案


      6号“梦幻”方案(图11), 一场两馆带状分布,统一采用“双层皮”的外遮阳立面,用中国古典美学演绎传达内敛感情,向世界展示中国,展示深圳,承担2011世界大运会主会场重任。穿孔遮阳板立面,生态节能。游泳馆立面辅一水波纹肌理,动感、活泼、优美的形象载体,代表着立面与功能的表里统一[10]。夜光下,“梦幻斑斓!”
 


图11  6号梦幻方案
 

5 结构方案
      5.1 落选方案的结构技术
      1号方案体育场纵向独立空间桁架平面承重体系(图12b)技术可行,但由于跨度超大和高风压,可能难以达到期望的视觉效果,每榀桁架设在看台中央的支承柱影响观看功能,经济性一般。两馆采用双向交叉桁架,技术先进可行[12]。
 

     
  a  V形柱桁架  b  超跨桁架
图12  2号彩带结构方案
 

3号方案体育场采用巨型空间双螺旋桁架拱与索网形成空间组合结构[7](图13a),最大限度地达到结构体系自平衡,结构轻巧,传力明确。体育馆折叠网壳结构,受力合理。游泳馆采用波面钢结构,有创意,斜向杆系规律性强。一场两馆技术可行,经济性优良[12]。

      
 a 体育场拱索结构 b 拱索计算模型 c 体育馆、游泳馆结构
图13  3号结构方案


      4号贝壳结构方案(图14)。充分利用了多道环力作用,并巧妙地将索与桁架组合,形成空间环向索承桁架与放射状立体索承桁架,形成空间组合结构,技术先进,系统的初步分析计算表明经济可行。两馆采用张弦桁架结构,受力明确,技术可行[12],经济性较好。
  

      
 a  体育场结构模型 b  体育场结构轴力图 c  体育馆结构 d  游泳馆结构
图14 贝壳结构方案


      5号方案体育场采用预应力型钢砼斜柱,纵向桁架平面承重体系,跨度超长,经济性一般。体育馆横向空间张弦桁架单向平面承重(图15b),桁架梁下挠,有违力学规律,技术可行[12],经济性一般。
  

  
 a  体育场 b  游泳馆
图15  5号结构方案
 

6号体育场建筑结构方案(图16a)是在7号方案的基础上增加巨型空间桁架纵向平面承重拱架作为放射形布置的桁架之支承梁,形成空间组合结构,改善了结构性能,平面拱架与椭圆平面的协调性需要优化。蜂窝状网架(图16b)、新型圆弧弦杆网架结构(图16c)是另一种新设想,尚须完善与边界条件适应性等方面的结构布置技术。两馆采用正交、曲线桁架结构。一场两馆技术可行[12]、体育场经济性尚好,两馆经济性较好。
        


 a  交叉管桁架结构 b  蜂窝型网架 c  新型圆弧弦杆网架结构
图16  6号方案体育场结构

5.2 优胜方案的结构技术
      7号方案体育场放射形布置,带有副榀的空间桁架悬挑结构(图17a),属于单向平面承重结构体系。技术可行、经济性良好。屋面防雨围护板设在下弦,上弦外设编织钢板网,属于暴露钢结构,需有特别防腐保养措施。两馆采用单向张弦梁刚架,受力明确,纵向支撑需与建筑效果结合设计[12],经济性较好。

    
 a  体育场 b  体育馆、游泳馆
图17  7号结构方案
 

2号水晶石结构(图18)“一场两馆结构均为空间折面网壳(由于新规范将网壳与网架统称,故后述改为“空间网格结构”),是一种创新、构思新颖,杆件受力合理,结构轻巧,结构力感与建筑造形结合完美。美观、实用、经济性优良[12]。” 

      
 a  体育场 b  体育馆 c  游泳馆
图18  2号水晶石结构方案计算模型
 

结构方案越新颖、越创新,就越有竞争力,越易取胜;但最具风险,因为结构专家具有一票否决权。由于新颖抽象,令人费解,不断遭遇质疑,不断有人询问。作者[1]在给出上述第一阶段结构技术评审意见后,受邀向第二阶段方案评审专家作了汇报介绍,得到第二阶段方案评审结构专家、清华大学郭彦林教授的一致肯定,惊险闯关。当时的浅显释疑主要如下。
      1) 竞赛文件有比较充分的技术说明。
      建筑师阐释为“水晶石”理念,结构师称作“折板结构folded plate structrure[6]”,概念正确。初步的受力变形分析计算表明,经济可行。 
      2) 传统结构与结构师迎接挑战的创新能力:
      建国初期的纺织厂房、电子厂房及火车站站台多采用混凝土折板结构(图19a)。当代闻名的北京798艺术区(图19b),原为当年的电子厂,德国引进技术,很多厂房都是折板结构,其折角做了圆润构造处理,相当美观,被艺术家原样保留裸体结构(无包装、无吊顶),仅净化而用之。
      我国有V形折板标准图,非预应力跨度达18m,预应力达27m。
      有些公建则为单曲边折板空间结构(图19c)、折板拱组合壳结构(图19d)。
      以此为基础,在计算机分析能力和结构应用技术高度发达的当代,应该相信结构师能够迎接挑战,证明创新结构的可行性,揭示创新结构受力特点,革新发展出经济可行的水晶石结构。
   

      
  a b c d
图19 折板结构

3) 水晶机理与折纸手法的感悟:
      建筑师设计理念为“水晶”,取自“水晶机理”,是追求的目标。
      其实,实现这一目标的工法可由“折纸手法”得到启示。
      a  一张薄纸,支不起来。专业上讲:“没有抗弯刚度”,不可承重。如单向折皱,则单向折起,产生单向刚度,可单向承重,如同图19ab。
      b  两端不等距折皱,变成平面折扇,沿圆周线围合,即单曲边折纸尖塔(图19c)。
类推,折皱、裁剪、弯弓、组合,就象折纸灯笼一样,折纸组合形成拱壳状(图19d)。
再想象,矩形纸,正交等距或不等距双向折皱,鼓起何样?三角形折皱鼓起何样?换用圆片纸、圆环纸呢?椭圆纸、椭环纸呢?是否想象或产生大运水晶石建筑形体的感觉?甚至想象或创造出更新颖的体形。
      4) 结构类型
      2号竞赛方案设计师称之为“折板结构folded plate structrure”,折板就是三角形网格面,属于单层折面网壳。
      5) 下弦在哪里?
      由于杆件折来折去,人们自然想用桁架结构理念来理解这类结构,深层次是力之传递问题。所以回答:上下弦是“抽象的”,刚度是“折来折去”折出来的,传力是“空间的”。
      6) 变形可控吗?
      只要结构概念成立,强度和变形是可以控制的,连同其他一系列技术问题都需要通过结构(几何找形)、杆件材料和截面、甚至节点的优化设计来实现。
      7) 经济性?
      业主担心创新结构用钢量指标太高。作者[1]当时只能说该结构新颖,非受力需要的构造杆件较少,轻巧,用钢量自然比鸟巢要小得多。

6 实施方案的结构技术
      该创新结构引起全国各界人士的兴趣,以及院士专家教授的关注,必然受到政府和各参建单位的高度重视,持科学地态度、方法和对策,“人肉”探索,攻克每个难题。
      挑战性的结构之设计首先应从基本概念和原理入手。有了清晰的概念,才可设计出创新性的结构。

6.1 几何构成
      大运中心场馆结构的几何构成[14],按两维单元的平面结构构成原理示意为图20。
      由“Г形(平面)刚架”与“桁架(空腹)式Г形刚架”组合,可形成“(组合)桁架式Г形刚架(图20a)”,属于平面悬臂承重结构。将Г形刚架结构单元,沿体育场平面周边放射形布置一周,加上环周系杆及支撑,就是传统的体育场平面承重结构体系。建国初期的体育场多采用混凝土结构或实腹式钢结构Г形刚架,抑或混凝土柱与屋面悬臂钢桁架组成的Г形刚架。上世纪末八九十年代,多采用平面钢桁架式Г形刚架。近些年盛行立体桁架式,如7号竞赛方案,属于带有副榀立体桁架子结构的立体桁架式。

 
 a  体育场 b  体育馆、游泳馆
图20  水晶石结构几何构成单元
 

Г形空间刚架几何单元(图20a),沿趋近于圆环的椭圆线围合成空间刚架结构,即大运体育场结构;图20b门式空间刚架几何单元沿圆周放射布置围合,就形成大运体育馆结构(图18b);沿矩形平面长边布置,两端Г形空间刚架封闭,即形成大运游泳馆结构(图18c)。
      一场两馆统一的几何单元构成原理是水晶石结构的理论精髓,这一结构体系用于建筑结构属于国际首创,设计水平处于国际领先。

6.2 支座形式
      既然是空间刚架,而非平面刚架,故“铰支”成立。前面已述,其实,图20只是一个示意,并非支座是固支,铰支即可。
      由于建筑美观要求,故设计为球铰。大运体育场球铰支座的设计极具挑战性,其分析研究与设计成果同样处国际领先水平。
      由于几乎用尽了动静平衡力学分析研究方法,综合应用了跨越多学科领域知识与材料技术,与结构体系的提出应用,同样具有挑战性。


      6.3  建筑风格体形与结构分类折面围绕某个空间面“折上折下”或“折里折外”,这个空间面称作单层折面空间网格结构的“虚构面”,虚构面其实就是建筑体形面,可用于这类建筑结构的体形描述和分类。体育场为“椭圆平面马鞍屋面形”、体育馆为“圆形平面门式”、游泳馆为“矩形平面门式”单层折面空间网格结构。
      折面空间网格结构都是“水晶机理”,或“折板(折纸)”机理(手法)。3个场馆形状各异,但风格完全一致,这符合结构设计的理想追求。

6.4  传力路线
      根据上述结构的几何构成分析,可以基本理解受力传力路线。经过力学分析,体育场的轴力图(图21a)抽象的显示了传力路线实际是一个空间拱(图21b);体育馆、游泳馆传力路线可以由几何构成单元图(图20)理解为门式刚架受力简图(图21c)。
   

    
 a 体育场轴力图(隐约抽象拱) b 体育场结构虚构拱 c 体育馆、游泳馆受力简图
  图21  水晶石结构传力图

6.5  方案优化与经济性
      施工图设计人员及早介入外方方案调整,同步各自计算分析,及时发问探讨,并提出研究课题,如:罩棚与看台结构相连利弊、结构单元数(支座数及杆件长度)与恢宏立面、三环(内环、马道环、肩谷环)设置与纯净室内、鞍体垂直度及鞍面矢高与体育上扬张力、杆件箱形截面或圆管与折面棱角或圆润倒角、变形控制标准确定等等,与建筑师密切配合,与国家规范编委研讨,逐个突破,不断优化,最终取得经济、美观、可靠的设计结果,实际用钢量约226kg/m2。

6.6  可靠性
      最早被质疑用钢量会很大,设计完成后又遭质疑用钢量比鸟巢小的太多、强度够吗?
实际上,该工程结构设计条件和设计过程是经过事先周密策划,除通过规范编委审查、方法和成果都经过院内和国内顶尖专家逐个专题多次研讨评审确认、经过第三方审查外,另有2个国内外专业公司复核、结构整体(1/10)及节点试验(1/3)的科学验证(图24),院士大师鉴定,确认了设计成果的可靠性。
设计还布置了试加工以及施工安装、合拢、卸载(脚手架卸载、结构承载)等过程的测控,以及全寿命周期的健康监测监视,确保万无一失。
      7 建筑效果与技术成就

建筑效果当初被质疑的水晶石结构大运中心的一场两馆建筑已建成,实际建筑效果(图1)与原创设计效果(图5)一致,原创设计师是满意的,相信当初的评审专家和各级领导以及留言市民也会为自己的选择和期望而欣慰。对于向城市、向社会、向市民交出的这一答卷,相信 “不留败笔、不留遗憾、不留骂名!”的既定目标应该达到了“少留败笔、少留遗憾、少留骂名!” 之修正期盼!

7.1 结构水平中国工程院士专家组评审认为,深圳大运体育场结构设计技术水平达到“总体国际先进,结构体系等方面国际领先”,获2010中国钢结构金奖(国家优质工程),权威性的肯定和工程实践证明了竞赛方案阶段的技术评审意见,经受了考验,完成了承办世界大运赛事的重任。
    

  
 a  箱形截面焊接节点 b  主杆箱形截面铸钢节点 c  焊接平面铰支座
图22  水晶石结构节点比选方案

    
 a  主杆圆管铸钢节点  b  铸钢球铰支座
图23  水晶石结构工程节点照片
         

 a  体育场整体试验模型 b  体育馆整体试验模型 c  节点试验模型
图24  试验模型
 

8 鸣谢

本文直接引用了7个竞赛方案的效果图和有关原始资料,建筑方案原创建筑师的论述[5]-[11]、方案评审专家点评意见[12][13]。
      感谢方案竞赛单位[5]-[11],感谢第一阶段技术评审专家:张弛规划师(当时的职称,下同)、杨华高级规划师、高青教授级高级建筑师(本文审稿人)、肖明高级建筑师、袁勇高级工程师(体育工艺)、郭满良教授级高工(结构)、陈志强教授级高工(结构)、牛晓阳教授级高工(暖通)、凌智敏教授级高工(强弱电)。
感谢第二阶段方案评审专家:钟训正院士(建筑)、朱荣远教授级高级规划师、王富海教授级高级规划师、郭明卓设计大师(建筑,本文审稿人)、黎沱芬设计大师(建筑)、张家臣设计大师(建筑)、钱锋教授(建筑)、张伶伶教授(建筑)、刘毅高级建筑师、汤顺宏高级工程师(体育工艺)、郭彦林教授(结构)。
      感谢市政府、工务署、体育局和规划局的各级领导,尤其感谢体育局场馆建设管理处负责建筑方案征集竞赛的袁勇处长。
      感谢承担深圳大运中心规划建筑设计国际竞赛的代理单位深圳市鑫中建建筑设计顾问有限公司,感谢参加和关注该项目设计与建造的所有人士,尤其是优胜方案公示期间留言的市民。

参考文献
      [1] 孟建民,失重,中国建筑工业出版社,2008年
      [2] 郭满良等,灾难的遗产—纽约世贸双塔楼坍塌分析,建筑结构,2002年9月
      [3] 张弛等,深圳市奥林匹克中心(大运中心曾用名)设计规划要求,深圳市规划局,深圳市体育局,中国城市规划设计研究院深圳分院,2005年12月
      [4] 郭满良,袁勇等,深圳市世界大学生运动会体育中心详细规划及一场两馆建筑方案设计国际邀请竞赛,竞赛文件、及详细规划、主体育场、主体育馆和游泳馆设计任务书(共4册),深圳市工务署,深圳市体育局,深圳市规划局,深圳市鑫中建建筑设计顾问有限公司2006年4月30日
      [5] David等(美国HOK),深圳市世界大学生运动会体育中心详细规划及一场两馆建筑方案设计国际邀请竞赛方案(下同)(1号),2006年6月25日
      [6] 曼哈德 •冯•格康等(德国GMP),(同上,下略),2号方案
      [7] 澳洲COX, 3号方案
      [8] 北京市建筑设计研究总院, 4号方案
      [9] 澳洲BLIGH VOLLER NIELD, 5号方案
 
      作者简介:郭满良1 黄朝捷1  凌江1 肖明2 
      (1深圳市建筑设计研究总院,深圳,518031, 2中国建筑西南设计院深圳分院,深圳,518030)


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