体育馆大型屋面结构之分类研析

论 文 ABSTRACT 体育馆已成为现代人生活，锻炼必不可少的场所，很多造型独特，巧妙构思的体育馆给我们留下了深刻的印 象。其中让我们印象最深的就是体育馆的屋面结构，丰富的形状，大的跨度，让我惊叹建筑师、结构师的精 湛的技艺。本文主要介绍体育馆的屋面结构的分类、特点、应用，研究分析其构造的精妙。 The Stadium has become in modern life, exercise essential place many unique the ingenious idea stadium left us a deep impression. Which impressed us most of the stadium's roof structure, shape, large span, so I marvel architects, structural engineers consummate skill. This paper describes the stadium roof structure, classification, characteristics, applications, research and analysis to the subtlety of its constructor. KEY WORDS 体育馆，屋面结构，分类，特点，应用 Stadium，Roof Structure，Classification，Characteristics，Application 体育馆大型屋面结构之分类研析 The Classified Analyse on Large-scale Roof Structure of the Gymnasium 一、概述 随着国家综合国力的增强，人们生活节奏的加 快，身体素质越来越成为认为关心的一个话题。借着 2008年北京奥运会的春风，全民刮起了一股体育锻 炼热。然而锻炼必不可少的地方就是体育馆。 体育馆由于跨度大，所以屋面结构在整个建筑设 计中就占了重要地位，对建筑造型起了决定性的作 用。屋面系统可以说是体育馆建筑最具表现力的部 分，很多体育馆建筑的屋面结构都凭借着独特的造 型，巧妙的构思给人们留下深刻的印象。只要满足覆 盖屋顶的要求，屋面就可以设计成多种形状。体育馆 的兴建也促进了大跨度结构建筑的发展，让其有别 于一般的民用和商业建筑，这正是其特点和精髓的地 方。 二、屋面结构分类 体育馆的结构最重要的就是屋面系统的结构，它 可以左右建筑的体量并影响与环境的协调，也影响建 筑的内景和外貌。 目前，屋面结构分平面和空间两种。平面结构常 用的有：梁、拱、钢架、桁架、折板等，空间结构常 用有：网架结构、悬索结构、充气结构等。常用是网 架和钢桁架系统。其设计特点是：简洁、现代、整体 感强。 （一）网架结构是由多根杆件按一定网格形式通 过节点连接而构成大跨度覆盖的空间结构。可用作 体育馆、 影剧院、展览厅、候车厅、体育场看台雨 篷、飞机库、双向大柱 距车间等建筑的屋盖。 网架结构的特点： （1）经济：杆件截面小，钢材消耗量低，工程 成本相对低。所有组成杆件标准化，能在工厂里批量 生产，组件成本相对低，质量易保证。安装工期短， 速度快； （2）安全：高次超静定结构，可承受较大荷 载，应力分布均匀，刚度大，稳定性好； （3）跨度大：网架结构受力合理、刚度大，能 制作成较大跨度的网架，中间没有立柱； （4）有利于建筑造型和立面处理：可以做成方 形、矩形、多边形、扇形、圆形等。实用上可自由分 隔，同样可以悬挂一定的荷载（在节点上）。 （二）悬索结构由柔性受拉索及边缘构件或支承 塔架所组成的承重结构。可用于体育馆、大跨度桥梁 工程、飞机库、展览馆、仓库等大跨度屋面结构中。 悬索屋面结构具有以下特点： （1）悬索结构通过索的轴向受拉来抵抗外荷载 的作用，可以最充分地利用钢材的强度。索一般都是 采用高强度材料制成的，更可大大减少材料用量并可 减轻结构自重，因而，悬索结构适用于大跨度的建筑 物。跨度越大，经济效果越好； （2）悬素结构便于建筑造型，容易适应各种建 筑平面，因而能较自由地满足各种建筑功能和表达形 式的要求，钢索线条柔和，便于协调，有利于创作种 种新颖的富有动感的建筑体型； （3）悬索结构施工比较方便。钢索自重很小， 屋面构件一般也较轻，安装屋盖时不需要大型起重设 备，施工时不需要大量脚手架，也不需要模板。因 而，与其他结构形式比较，施工费用相对较低； （4）可以建造具有良好物理性能的建筑空间， 双曲下凹碟形悬索屋面具有极好的音响性能，因而可 以用来遮盖对声学要求较高的公共建筑，悬索屋盖对 室内采光也极易处理，故用于采光要求高的建筑物也 很适宜； （5）悬索屋盖的稳定性较差，但根的悬索是一 种集和可变结构，其平衡形式随荷载分布方式而变， 特别是当荷载作用方向与垂度方向相反时，悬索就丧 失了承载能力，因此，常常需要附加布置一些索系或 1 2 3 1丨网架结构万事达中心 2丨悬索结构北京工人体育馆 3丨膜结构水立方 108: DECEMBER 2012 作者简介 张蓉 重庆卓创国际工程设计有限公司 结构设计人员 文张蓉 Zhang Rong 结构来提高屋面结构的稳定性； （6）悬索结构的边缘构件和下部支承必须具有 一定的刚度和合理的形式，以承受索端巨大的水平拉 力，因此悬索体系的支承结构往往需要耗费较多的材 料，无论是设计成钢筋混凝土结构或钢结构，其用钢 量均超过钢索部分。当跨度小时，由于钢索锚固构造 和支座结构的处理与大跨度时一样复杂，往往并不经 济。 (三)充气结构，又名“充气膜结构“，是在高分子 材料制成的薄膜制品中充入空气，形成一定空间的结 构。由于膜结构内部具有富氧，不受外界天气干扰的 重要因素，因此膜结构广泛地应用在体育场馆领域， 如滑冰场，游泳馆，羽毛球场等。由于膜结构具有丰 富多彩的造型、优异的建筑特性、结构特性和适宜的 经济型等其他传统建筑无法比拟的优势，膜结构必定 越来越广泛地应用于工业与人们的日常生活中，具有 广阔的前景。 膜结构按结构受力特性大致可分为充气式膜结 构、张拉式膜结构、骨架式膜结构、组合式膜结构等 四大类。 充气式膜结构又可分为气承式膜结构和气账式膜 结构（或叫气肋式膜结构），以及组合式气膜（气承 式与气肋式组合）。 气承式膜结构是通过压力控制系统向建筑物室内 充气，便室内外保持一定的压力差，膜体受到上浮 力，并产生一定的预张力，以保证体系的刚度。室内 设置空压自动调节系统，来不断地调整室内气压，以 适应外部荷载的变化。 气胀式膜结构是向单个膜构件内充气，使其保持 足够的压力，多个膜构件进行组合形成一定形状的一 个整体受力体系，这种结构对膜材自身的气密性要求 很高，或需不断地向膜结构构件内充气。 张拉式膜结构是现代膜结构建筑的重要组成部 分，膜面一般为负高斯曲面，因此，体形丰富、自然 流畅、曲面柔美，倍受建筑师们的青睐。但这种结构 体系受力分析复杂，对施工精度要求高，因此，其设 计计算、加工制作工艺难度都较大。 骨架式膜结构是自身封闭的、稳定的骨架体系 （一般是钢桁架体系、网架结构、索网结构或张拉整 体体系）与膜材料共同组成一个结构受力体系。应该 体系施工与常规结构相似（除索网或张拉整体体系等 的自身施工外），较易被工程界理解和接受，但为了 让膜具有一定的刚度，骨架体系提供给膜的支撑系统 一般要有一定的曲度，并应设置向膜中施加预应力的 机构。 充气膜结构结构的特点 （1）透光性 半透明是膜结构最显著的特征，与其它材料相 比，无论是在美观上或是在操作上，都有显著的优越 性；散射光线，消除眩光，能将光线广泛地漫射到其 内部空间；材料内部涂层具有较高的反射率，能在夜 间保持室内的照明效果；夜间逆光照射下表面发光； 自然照明，节省能源。 （2）能源节省 膜结构外形美观，同时又为人们创造了自然光采 光的环境，与玻璃材料相比，它大大减少了热量的传 递，与不透光的材料相比，减少了室内照明用电，使 用膜结构对能源问题的影响：在热带地区，减少了空 调制冷用电量；在寒冷地区，增加了室内取暖设备的 用电。 （3）声学效果 建筑声学主要是A、 排除外界噪声 B、吸收室内 回音。膜结构的膜材料，能让室内0-60HZ的低频率 噪音透过，较大面积和较高特殊需求的，可以采用专 门的内膜材料，吸收噪声；当然，膜材料对外部噪音 减少阻隔能力是有限的，因此当对外部隔噪声要求较 高时，膜材料可能是不适合的。 （4）防火 膜材料完全满足防火规范的要求，因此在高度和 间隙度允许下，膜结构适合于任何一种建筑，通常采 用水炮自动灭火系统对膜材料是适合的，防火设计时 应从总体考虑。 （5）耐用性 按照膜材料基材及表面涂层的不同，膜材料寿命 分为几个等级：5年、10-15年及永久性膜材。 结语： 通过前面的介绍我们了解了常见体育馆屋面结构 的分类，并研究分析了其特性和应用。便于以后大型 体育馆的屋面结构的设计和选材。好的屋面结构设计 不仅仅是设计，不仅仅满足覆盖体育馆屋面的要求， 还可以成为景点，供人欣赏，更是与自然融合的作 品。 参考文献 1.建筑结构设计问答及分析 朱炳寅 中国建筑工业出版 社; 第1版 (2009年11月1日) 2.空间结构 杜文风 中国电力出版社; 第1版 (2008年4月 1日) 3.网架、网壳结构设计实例与解析 杜文风 中国电力出 版社; 第1版 (2012年9月1日) 4.新型建筑索结构设计与监测 张其林 中国电力出版社; 第1版 (2012年10月1日) 5.“水立方”ETFE充气膜结构技术王双军 陈先明 化学 工业出版社 第1版（2010年2月1日） 6.膜结构建筑（德）科赫 著，卢昀伟等译 大连理工大 学出版社 第1版（2007年10月1日） 图片来源： 1. 2. 16031407844_jpg.html 3. html 4. html 4 4丨水立方膜结构局部 A+C 109