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奧運摔跤館內(nèi)斂精巧落校園

作者：鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-23 10:00:23 [收藏]

    坐落在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)的奧運摔跤館即將完工，體育館外形別出心裁地采用了框架組合設(shè)計，使其自然地融入校園環(huán)境，但其中的能耗及鋼結(jié)構(gòu)等問題，又給設(shè)計者提出了不少難題，今天我們請總設(shè)計師和總工程師為大家解讀其中的奧妙。

    走進中國農(nóng)業(yè)大學(xué)東校區(qū)大門，向東北方走去，穿過校園中的林陰道，一座泛著金屬光澤、造型新穎的巨大體育館便赫然眼前。這就是2008年奧運會摔跤比賽的場館―――中國農(nóng)業(yè)大學(xué)體育館。

    　　作為這座場館設(shè)計團隊的領(lǐng)軍人物，華南理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院院長、中國工程院院士何鏡堂教授對這件作品非常滿意，因為從中標到最后實施，設(shè)計方案從沒有被改動過，這在建筑設(shè)計中非常少見。他認為，同校園環(huán)境相協(xié)調(diào)、造型簡單新穎、便于改造滿足賽后利用要求，是這個場館的主要特點。對此，農(nóng)大體育館的另一位總設(shè)計師、華南理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院副院長孫一民教授進行了深入細致的介紹。

    　　氣質(zhì)內(nèi)斂的體育館

    　　談到大型體育場館時，人們首先想到的往往是新穎的造型、完善的內(nèi)部功能等等，但卻很容易忽視場館同周邊環(huán)境是否協(xié)調(diào)的問題。在這一點上，農(nóng)大體育館的設(shè)計師們考慮得很充分，他們根據(jù)場館周邊的建筑和自然環(huán)境，把農(nóng)大體育館設(shè)計成了一個“謙讓”的體育館，“謙讓”首先表現(xiàn)在場館的體量上。

    　　農(nóng)大體育館雖是個奧運場館，但同時它還是一個高校體育館。農(nóng)大校園狹窄，用地比較緊張，所以場館的體量也應(yīng)當相對較小，于是場館的用地、體形、體量設(shè)計得都比較集中。這樣在校園環(huán)境中，人們看過去不會給人以壓迫感，又與周邊環(huán)境很協(xié)調(diào)。

    　　孫一民說，當初參與競標的幾家單位的設(shè)計方案，對與校園環(huán)境協(xié)調(diào)考慮得較少，都是按照社會體育館方式設(shè)計的，風格很張揚，給人以突兀之感，而這種謙讓的設(shè)計風格則是它在競標中取勝的重要因素。

    　　在減小體量、集中用地的同時，為了和環(huán)境更加融洽，設(shè)計師們還調(diào)整了主館和副館的位置。一般來講，體量小的副館放在南面比較合適，因為這樣在滿足副館采光的同時不會影響主館采光，但由于體育館北面有兩棟高層建筑，如果體量大的主館放在北面，加上兩棟高大的建筑，整個格局就顯得非常局促。于是設(shè)計師們把副館放在了北面，解決了格局局促的問題。

    　　站在即將完工的農(nóng)大體育館面前，記者看到，它東面是操場，西面和南面是教學(xué)和辦公樓，在它們之間是寬闊的道路和綠化帶，格局自然舒適。在百年農(nóng)大的校園中，充滿歷史感的建筑和散發(fā)著現(xiàn)代氣息的體育館和諧地融為一體，設(shè)計師的理念獲得了很好的實現(xiàn)。

    　　普通布料做出漂亮衣服

    　　設(shè)計“謙讓”的農(nóng)大體育館，外形非常吸引人的眼球。一層層的框架組合，給人以強烈的層次感，內(nèi)斂而不失大體。屋頂?shù)男毕蚣咕€讓整個建筑充滿活力。如此新穎的造型，結(jié)構(gòu)卻非常簡單。農(nóng)大體育館采用了工廠廠房常見的“門式框架結(jié)構(gòu)”，使整體框架看上去就像一扇大門。不過廠房一般都采用相同規(guī)格的門式框架組成，而農(nóng)大體育館則是用了不同規(guī)格的門式框架搭建起來的。

    　　孫一民說，門式框架這樣設(shè)計在我國還是第一次。這些形式固定，但高低、大小不同的門式框架組合起來，便形成了一種全新的形式。對這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新應(yīng)用，一位設(shè)計師做了一個很形象的比喻：“這就像一塊普通的布料，通過精心裁剪，照樣可以做出非常漂亮的衣服。”

    　　農(nóng)大體育館的每一榀門式框架都有一個脊，而且每一榀框架的脊的位置都是錯開的。這些錯位的脊連接起來，最后在體育館的屋頂組成了一個“Z”字形的屋脊。這條“Z”字形屋脊除了讓體育館更有力感外，看上去，就好像兩個摔跤的人正在角力，不經(jīng)意間，便呼應(yīng)了奧運摔跤館的主題。

    　　采用技術(shù)成熟的門式框架結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)形式，還可以使施工難度大大降低，讓工程質(zhì)量獲得更高保證。而且，利用框架大小和高低差制造出來的天窗和側(cè)窗，為賽后使用降低能耗打下了基礎(chǔ)。

    　　天然采光節(jié)能降耗

    　　體育場館都是耗能大戶，對此，孫一民深有感觸。他說，在上世紀七八十年代，我們國家的體育館沒有天然采光，所有體育館大部分時間都不開燈，里面伸手不見五指，照明完全依靠燈光提供，耗能巨大。

    　　現(xiàn)在，農(nóng)大體育館的天窗使室內(nèi)采光效果非常好，賽后學(xué)校使用場館進行教學(xué)活動時，白天不用開燈，可完全依靠自然光滿足使用。孫一民強調(diào)說，天然采光的想法一直是他們所堅持的，由于一直堅持天然采光的理念，才引出了天窗采光的建筑形式。

    　　天窗的設(shè)計除了可以采光，還能夠增強室內(nèi)對流通風，有效降低溫度，減少空調(diào)使用。但自然通風畢竟不能完全替代空調(diào)的作用，好在設(shè)計師想出了其他辦法減少空調(diào)耗能。

    　　由于農(nóng)大體育館設(shè)有8000個座席，如果只設(shè)置一套空調(diào)系統(tǒng)的話，滿足奧運會的需求沒有問題。但在賽后學(xué)校的長期使用中，觀眾數(shù)量很少能達到8000人，屆時開動滿足8000人需要的空調(diào)，無疑會造成巨大浪費。

    　　為此，設(shè)計師們在體育館上下兩個區(qū)域，分別設(shè)置了2套空調(diào)系統(tǒng)，如果觀眾人數(shù)不多，就只開下面的空調(diào)；如果觀眾幾乎滿員，則兩套系統(tǒng)同時開，有效避免能源浪費。

    　　為了讓場館設(shè)計更加合理，有效節(jié)能，設(shè)計師們還使用了CFD技術(shù)輔助設(shè)計。CFD是“計算流體力學(xué)”的英文縮寫，它使用計算機軟件模擬分析建筑中的溫度、風速等條件。設(shè)計師們根據(jù)初步設(shè)定的屋頂高度、座席數(shù)量、出入口和通風口的數(shù)量和分布情況等條件，在計算機中建立了場館模型，從模型中可以直觀地看到風速、溫度等情況，分析人員會將結(jié)果反饋給設(shè)計者，如果與設(shè)計目標有差異，設(shè)計者就會調(diào)整設(shè)計方案，達到目標要求。

    　　靈活設(shè)計方便賽后利用

    　　正如孫一民開始所說的，農(nóng)大體育館是一座奧運場館，同時也是一座高校體育館，在完成了奧運比賽任務(wù)后，還面臨著長期的賽后利用問題。設(shè)計者充分考慮到了這點，為它的賽后改造埋好了伏筆。

    　　具有賽事管理功能的副館，在賽后一般是沒用的，所以奧運大綱要求，功能用房盡量使用臨時建筑。但是校方希望賽后能夠在功能用房的位置建一個新的游泳館。對此，設(shè)計者的做法是將賽事的功能用房在賽后轉(zhuǎn)化成游泳館。現(xiàn)在，游泳館的泳池已經(jīng)挖好，泳池將填上土，用輕質(zhì)隔墻隔開房間就能供賽時使用了。在賽后，這些隔墻將被拆除，挖出游泳池中的填土，將其改造成為游泳館。出于長久使用的考慮，游泳館將使用抗腐蝕能力強的混凝土結(jié)構(gòu)，以便很好應(yīng)對游泳館內(nèi)的空氣濕度、氯氣、消毒液等物質(zhì)的腐蝕。

    　　賽后，原來的運動員用房也將改造為一個可以容納3個籃球場的熱身館。這是因為，如果能夠滿足籃球項目的熱身需要，其他如排球、羽毛球等項目的熱身需求，也就全部滿足了。并且，農(nóng)大體育館的主場地是按照40×70米的規(guī)格來做的，這種規(guī)模的場地甚至可以滿足室內(nèi)的5人制足球比賽需要，使場館的適應(yīng)面大大增加。

    　　 總工程師:精確計算解決鋼結(jié)構(gòu)安裝難題

    中國農(nóng)業(yè)大學(xué)體育館由于在設(shè)計中基本采用了成熟技術(shù)，所以場館施工的進展一直有條不紊，馬上就要竣工交付使用。但這并不意味著整個過程一帆風順。

    　　中國農(nóng)業(yè)大學(xué)體育館總工程師高建文坦言，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)體育館的鋼結(jié)構(gòu)跨度較大，達到78米，由11榀桁架組成。桁架先在地面拼裝，整體就位后再進行分段吊裝、空中組對，然后進行高空焊接。在吊裝過程中，鋼結(jié)構(gòu)桁架的撓度控制是施工過程中的主要技術(shù)難點。而應(yīng)對這個難題，精確的計算發(fā)揮了重要作用。

    　　撓度，簡單說就是下垂問題。舉個例子，假如我們用手托起一張紙，會發(fā)現(xiàn)紙的兩側(cè)自然下垂，這種現(xiàn)象就是下?lián)?。同樣，由于鋼桁架本身是一個偏于彈性的東西，當被吊到高空之后，也會有下?lián)犀F(xiàn)象發(fā)生，這種變形對施工控制精度提出了很高要求。

    　　對此，工程建設(shè)者們的做法是“預(yù)起拱”，也就是在吊裝前給鋼桁架施加一個反向的力，使其與下垂的力量相抵消。首先，他們通過嚴格計算，算出在吊裝過程中，鋼桁架將要下垂的合理數(shù)值。然后，在鋼桁架加工焊接時，使原本是“直”的桿件向上翹起，翹起的這個數(shù)值同先前計算出的下垂數(shù)值一樣。這樣，在吊裝過程中，利用鋼桁架本身下垂的特性，使原本翹起的部分逐漸恢復(fù)到正常狀態(tài)，從而達到使用要求。

    　　“預(yù)起拱”的方法解決了鋼桁架吊裝過程中的下垂問題，但這并不意味著萬事大吉。除此之外，對于鋼結(jié)構(gòu)支撐點分布的計算是安裝中的另一個重要工作。在安裝鋼結(jié)構(gòu)時，整個場館內(nèi)全部搭滿了腳手架為鋼結(jié)構(gòu)提供支撐。據(jù)介紹，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)體育館的鋼結(jié)構(gòu)只有500多噸，但腳手架的重量就達到了1000噸。但是，既然起支撐作用的腳手架搭滿整個場館，為何還要專門計算支撐點的分布？高建文介紹說，腳手架呈網(wǎng)格狀，中間有很多空隙。所以腳手架和鋼結(jié)構(gòu)的接觸并非面對面，而是點對面，因此這些點必須要確定好。對點的位置計算是通過計算機進行的，經(jīng)過計算之后的準確點位，就可以為鋼結(jié)構(gòu)提供準確而有力的支撐。

    　　很多人都看過國家體育場“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)在完工后的整體卸載實況，而中國農(nóng)業(yè)大學(xué)體育館鋼結(jié)構(gòu)采取的卻是一邊安裝、一邊卸載。卸載方式是，第一次卸載鋼桁架有4榀，卸載時，第一榀降5公分，第二榀降2.5公分，后面兩榀不降。第二次卸載時，鋼桁架數(shù)量也是4榀，但原先的第三榀鋼桁架這次成了第一榀，其他3榀依次向后順延，并按照上次的幅度進行卸載。這樣不斷地依次卸載，最后完成全部鋼結(jié)構(gòu)的卸載。對為什么每次都是降前兩榀桁架而后兩榀不降的問題，高建文解釋說，每榀桁架之間都是由焊死的橫桿連接，如果將剛性的橫桿全部都降掉，很容易使橫桿的焊縫產(chǎn)生變形。而逐步卸載，卻能讓連接的橫桿逐步適應(yīng)這個力。而且這種分段安裝、分段卸載的施工方式可以提高效率，有效節(jié)省工期。


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