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結(jié)構(gòu)中力的傳遞路徑應(yīng)該是清晰可見的，這正是sbp的結(jié)構(gòu)工程師所希望展現(xiàn)的結(jié)構(gòu)可讀性。當(dāng)建筑用材與構(gòu)件截面不被強(qiáng)制規(guī)定時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新，針對(duì)建筑自身的特進(jìn)行設(shè)計(jì)與建造。

© sbp / Marcus Bredt

五月末六月初，歐洲冠軍聯(lián)賽剛結(jié)束，馬上又將迎來世界杯的哨音。本期將向大家介紹由sbp首創(chuàng)的輕型結(jié)構(gòu)體系——環(huán)索屋蓋結(jié)構(gòu)體系，以及相應(yīng)體育場案例。

預(yù)應(yīng)力鋼索可以在耗費(fèi)很少材料的情況下實(shí)現(xiàn)很大的結(jié)構(gòu)跨度。但對(duì)于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)而言，其對(duì)應(yīng)于索的錨固而產(chǎn)生的造價(jià)會(huì)很高。鋼索端部的錨固是實(shí)現(xiàn)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)樣式多樣化的前提，但是這需要耗費(fèi)大量的錨固基礎(chǔ)，索網(wǎng)扣件、錨固件等。

環(huán)索屋蓋結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了預(yù)應(yīng)力鋼拉索結(jié)構(gòu)的優(yōu)良特性且規(guī)避了其短處，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造類似于輪輻。剛度很小的輪輞在單獨(dú)工作的時(shí)候很小的外力就可以讓其產(chǎn)生屈曲。通過輻條的預(yù)張拉后，輪輞的剛度則得到了加強(qiáng)。

根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目屋蓋造型、屋面覆蓋材質(zhì)等的不同，環(huán)索屋蓋結(jié)構(gòu)體系演變出了兩個(gè)壓環(huán)一個(gè)拉環(huán)、一個(gè)壓環(huán)兩個(gè)拉環(huán)、一個(gè)壓環(huán)一個(gè)拉環(huán)等不同的類型以滿足建筑需要。

巴西馬拉卡納體育場是為1950年巴西世界杯而興建的一座足球場，它在建成時(shí)能夠容納20萬名觀眾觀看球賽，是當(dāng)時(shí)世界上最大的體育場。球王貝利在馬拉卡納體育場打進(jìn)了他效力巴西國家隊(duì)的第一個(gè)進(jìn)球，也是在馬拉卡納體育場打進(jìn)了他為國家隊(duì)效力的第1000個(gè)進(jìn)球。1950年7月16日，相當(dāng)于里約熱內(nèi)盧1/10人口數(shù)量的觀眾涌入了馬拉卡納體育場，含淚在自己家門口見證了巴西隊(duì)在世界杯決賽上以1:2輸給了烏拉圭。

為了迎接2014年世界杯以及2016年夏季奧運(yùn)會(huì)，馬拉卡納體育場于2010年3月開始重修工程。體育場的上層觀眾席被進(jìn)行了加固翻新，而下層的觀眾席則直接進(jìn)行了拆除重建以確保更好的觀賽視角。對(duì)于當(dāng)時(shí)的馬拉卡納體育場重修工程，主要問題是屋頂。工程師提出一個(gè)環(huán)索屋蓋結(jié)構(gòu)解決方案，這個(gè)屋蓋在結(jié)構(gòu)高度是如此的小，以至于它可以作為一個(gè)整體嵌入原混凝土結(jié)構(gòu)，而不改變足球場的外觀輪廓。

馬拉卡納球場的環(huán)索屋蓋結(jié)構(gòu)由一個(gè)外圈壓環(huán)，三個(gè)拉環(huán)以及兩者之間的徑向拉索組成。為了放置該環(huán)索屋蓋，舊的混凝土屋蓋懸挑梁被移除。對(duì)應(yīng)于下部混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)形布置的60根混凝土柱，環(huán)索屋蓋結(jié)構(gòu)也分成了60個(gè)單元。截面尺寸為1m x 2m的外圈壓環(huán)就放置于混凝土柱頂。這60個(gè)連接節(jié)點(diǎn)中有52個(gè)是不傳遞橫向力的，風(fēng)荷載等引起的水平力僅通過4對(duì)對(duì)角切向布置的錨固件傳遞給下部混凝土結(jié)構(gòu)。

▲馬拉卡納體育場 – 改造前 before renovation (photoby: Reprodução)

▲馬拉卡納體育場 – 改造后 after renovation © sbp/Marcus Bredt

位于烏克蘭的基輔國家奧林匹克體育場的前身叫做 “列夫托洛斯基紅館”。在20世紀(jì)20年代初，基輔當(dāng)?shù)亟ㄔ炝诉@座“紅館”用以舉辦第二屆全烏克蘭奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)。建造完成至20世紀(jì)末，這座體育館幾經(jīng)改名和修整重建。2007年，波蘭和烏克蘭聯(lián)合申辦歐洲杯成功，基輔市在原體育場既有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改造建設(shè)了基輔國家奧林匹克體育場。

基輔國家奧林匹克體育場 - 改造前 (photo by: René Hoeflaak)

基輔國家奧林匹克體育場保留了大部分建于1968年的的原混凝土看臺(tái)結(jié)構(gòu)，屋蓋結(jié)構(gòu)則通過設(shè)置在看臺(tái)結(jié)構(gòu)外圍的鋼結(jié)構(gòu)立柱進(jìn)行支撐，這樣避免了將屋蓋結(jié)構(gòu)的自重和承受的外力直接作用到原混凝土結(jié)構(gòu)及其下部基礎(chǔ)上去。

鋼結(jié)構(gòu)立柱的數(shù)量以及空間布置遵循了原看臺(tái)結(jié)構(gòu)混凝土柱的布置原則，原結(jié)構(gòu)的80條徑向軸線上對(duì)應(yīng)設(shè)置了80根支承屋蓋的鋼結(jié)構(gòu)柱。在鋼結(jié)構(gòu)立柱上，采用了設(shè)置2個(gè)外圈壓環(huán)和1個(gè)內(nèi)圈拉環(huán)的輕型環(huán)索屋蓋結(jié)構(gòu)，屋蓋頂部通過張拉膜進(jìn)行覆蓋。

對(duì)于該體育場，由于設(shè)置了環(huán)繞足球場的跑道，且該跑道在長軸方向?yàn)殚L直線，在短軸方向?yàn)榘雸A弧，這樣的設(shè)置在一定程度上定義了整個(gè)體育場的幾何形狀，而如此的幾何形狀對(duì)于拉壓環(huán)結(jié)構(gòu)來說較為不利。因?yàn)樵搸缀涡螤畹那首兓^大，而拉壓環(huán)的曲率對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力有很大的影響。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師將支承屋蓋的鋼結(jié)構(gòu)柱設(shè)計(jì)成了在半柱高位置向內(nèi)折的折線形式，且對(duì)于沿體育場長軸兩側(cè)布置的鋼結(jié)構(gòu)柱，其折角較小，而對(duì)于沿著體育場短軸兩側(cè)布置的鋼結(jié)構(gòu)柱，其折角則較大。如此一來，較之體育場內(nèi)場的幾何形狀，鋼結(jié)構(gòu)柱的頂點(diǎn)閉合環(huán)和中間折點(diǎn)閉合環(huán)的在幾何曲率上有了更好的連續(xù)性，而兩個(gè)閉合環(huán)即可作為屋蓋結(jié)構(gòu)的外圈壓力環(huán)。

▲折線形鋼結(jié)構(gòu)梁以及上下兩個(gè)壓環(huán) (圖片來源：JaegerF., Next 3 Stadia (p.100),2012)

© gmp Architekten

© sbp/Marcus Bredt

© sbp/Marcus Bredt

建筑師：gmp- Von gerkan Mark und partner

業(yè)主方：Nationalenterprise Olympic NSC

結(jié)構(gòu)形式：輪輻式工作原理的環(huán)索屋蓋

長度：306m                        寬度：236m

高度：65m                          座位：68,000個(gè)

竣工時(shí)間：2011年5月

加拿大卑詩省體育館在1981年到1983年間建造完成并于1983年6月19日正式開放。其開始建造時(shí)是為了用作不列顛哥倫比亞雄獅隊(duì)和溫哥華白帽隊(duì)的主場。建成時(shí)這座體育場的屋蓋結(jié)構(gòu)為氣承式膜結(jié)構(gòu)穹頂，在當(dāng)時(shí)該穹頂屋蓋是世界上最大的之一。該穹頂結(jié)構(gòu)屋蓋在2010年和2011年間的翻新工程中被環(huán)索屋蓋結(jié)構(gòu)替代。

對(duì)于卑詩省體育館的環(huán)索屋蓋結(jié)構(gòu)，徑向鋼索向外連接于36根巨型的立柱，而這些立柱則沿著體育館外邊線設(shè)置于原結(jié)構(gòu)之上。整個(gè)屋蓋結(jié)構(gòu)由一個(gè)外壓環(huán)和一個(gè)內(nèi)拉環(huán)組成，可以提供足夠的剛度以承受溫哥華地區(qū)200 kg/m²的雪荷載。

在該屋蓋結(jié)構(gòu)的內(nèi)圈，還設(shè)置了另一個(gè)可開合式的膜結(jié)構(gòu)屋頂，這個(gè)膜結(jié)構(gòu)屋頂?shù)拈_合用時(shí)約為10分鐘。屋蓋上鋪設(shè)的透光率較大的面積達(dá)9500 m²的ETFE膜對(duì)建筑外觀及建筑內(nèi)部采光都有了很積極的影響。

© Michael Elkan

建筑師：Stantec, Vancouver

業(yè)主方：BCPlace, Vancouver

合作單位：GeigerEngineers (engineer of record: David Campbell)

長度：261m                                  寬度：220m

固定屋蓋面積：32,500m2            可開合屋蓋面積：8,500m2

座位：56,000個(gè)

在中國，sbp結(jié)構(gòu)師事務(wù)所陸續(xù)在深圳寶安體育場、東莞體育中心、蘇州工業(yè)園區(qū)體育中心、?？谖逶春芋w育場等項(xiàng)目上均采用了基于輪輻結(jié)構(gòu)原理的屋蓋結(jié)構(gòu)。其中前三者作為閉合屋面要求的體育場，采用的是具備自錨特性的環(huán)索屋蓋結(jié)構(gòu)體系；而對(duì)于海口五源河體育場，基于其月牙形的屋蓋形狀要求，將結(jié)構(gòu)由自錨變換為屋蓋支座錨入下部結(jié)構(gòu)。