【结构设计】环索屋盖结构体系

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[size=18px][b][color=#000000]引言[/color][/b][color=#000000][/color][/size]                                                                                                                                                                                                                                                                                                        [size=14px]结构中力的传递路径应该是清晰可见的，这正是sbp的结构工程师所希望展现的结构可读性。当建筑用材与构件截面不被强制规定时，对结构体系创新，针对建筑自身的特进行设计与建造。[/size]
                                                                                       
                                                                                        [color=#888888][size=12px]? sbp /Marcus Bredt[/size][/color]
                                                                                       
                                                                                        [size=14px]五月末六月初，欧洲冠军联赛刚结束，马上又将迎来世界杯的哨音。本期将向大家介绍由sbp首创的轻型结构体系——环索屋盖结构体系，以及相应体育场案例。[/size]
                                                                                       
                                        [size=16px]                                                [font=微软雅黑][size=14px][/size][/font][/size]
                                        [size=16px]                                                [/size]
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                [size=36px][b]1[/b][/size]                                                                                                                                                                                                                                                                                [b][color=#000000][font=SimSun][font=DengXian][size=14pt][b]环索屋盖结构[/b][/size][/font][size=15px][/size][/font][/color][/b]                                                                                                                                                                                                                                        [size=14px]预应力钢索可以在耗费很少材料的情况下实现很大的结构跨度。但对于索网结构而言，其对应于索的锚固而产生的造价会很高。钢索端部的锚固是实现索网结构样式多样化的前提，但是这需要耗费大量的锚固基础，索网扣件、锚固件等。[/size]
                                                                                       
                                                                                        [size=14px]环索屋盖结构充分发挥了预应力钢拉索结构的优良特性且规避了其短处，其结构构造类似于轮辐。刚度很小的轮辋在单独工作的时候很小的外力就可以让其产生屈曲。通过辐条的预张拉后，轮辋的刚度则得到了加强。[/size]
                                                                                       
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        [size=14px]在环索屋盖结构中，结构外圈设置的封闭的压环担起了轮辋的角色，结构内圈的封闭预应力拉环则起着类似于中央轮轴的作用。压环和拉环之间通过按一定间距布置的径向拉索连接。拉环中的预应力在放射状分布的径向拉索上产生拉力。径向拉索内的拉力传递到外环上在外环内部产生压力。[/size]                                                                                                                                                        [size=14px]预应力在这一轻型结构中的的作用就是提高整个屋盖结构的刚度 ，从而减小屋顶结构的位移和屋顶的振动以及非均匀荷载下的抗压环弯曲变形。拉索不但可以向抗压环传递荷载而且能起到稳定抗压环的作用。最终拉环、压环与其间的钢拉索一道构成了该内力自平衡的“自锚”形式环索屋盖结构。[/size]                                                                                                                                                                                                                                                        [align=left]                                                [/align]
                                                                                        [size=14px]根据实际项目屋盖造型、屋面覆盖材质等的不同，环索屋盖结构体系演变出了两个压环一个拉环、一个压环两个拉环、一个压环一个拉环等不同的类型以满足建筑需要。[/size]
                                                                                                                                               
                                                                                                       
                                                                                                       
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        [size=36px][b]2[/b][/size]                                                                                                                                                                                                                                                                                [b][font=DengXian]巴西马拉卡纳体育场[/font][/b]                                                                                                                                                                                                                                        [size=14px]巴西马拉卡纳体育场是为1950年巴西世界杯而兴建的一座足球场，它在建成时能够容纳20万名观众观看球赛，是当时世界上最大的体育场。球王贝利在马拉卡纳体育场打进了他效力巴西国家队的第一个进球，也是在马拉卡纳体育场打进了他为国家队效力的第1000个进球。1950年7月16日，相当于里约热内卢1/10人口数量的观众涌入了马拉卡纳体育场，含泪在自己家门口见证了巴西队在世界杯决赛上以1:2输给了乌拉圭。[/size]
                                                                                       
                                                                                        [size=14px]为了迎接2014年世界杯以及2016年夏季奥运会，马拉卡纳体育场于2010年3月开始重修工程。体育场的上层观众席被进行了加固翻新，而下层的观众席则直接进行了拆除重建以确保更好的观赛视角。对于当时的马拉卡纳体育场重修工程，主要问题是屋顶。[/size][size=14px]工程师提出一个环索屋[/size][size=14px]盖结构解决方案，这个屋盖在结构高度是如此的小，以至于它可以作为一个整体嵌入原混凝土结构，而不改变足球场的外观轮廓。[/size]
                                                                                        [size=14px]马拉卡纳球场的环索屋盖结构由一个外圈压环，三个拉环以及两者之间的径向拉索组成。为了放置该环索屋盖，旧的混凝土屋盖悬挑梁被移除。对应于下部混凝土结构环形布置的60根混凝土柱，环索屋盖结构也分成了60个单元。截面尺寸为1m x 2m的外圈压环就放置于混凝土柱顶。这60个连接节点中有52个是不传递横向力的，风荷载等引起的水平力仅通过4对对角切向布置的锚固件传递给下部混凝土结构。[/size]
                                        [color=#000000]                                                [/color]
                                        [color=#000000]                                                [size=12px][color=#333333][font=arial]▲[/font][/color]马拉卡纳体育场 – 改造前 before renovation (photoby: Reprodu??o)[/size][/color]
                                                                                        [size=12px][font=DengXian][font=arial]
                                                ▲[/font]马拉卡纳体育场[/font]–[font=DengXian]改造后[/font][color=#000000]after renovation[/color][color=black][font=MarkWebPro-Light]?[/font][/color]sbp/Marcus Bredt[/size]
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                [size=14px]新建的屋盖结构，径向距内环1/3跨度的位置设置飞柱，来加强整个屋盖结构的稳定性和刚度。结构中引入飞柱后得到了类似非常形状的索桁架结构，在索桁架的最外侧为压环，而在剩余的三个内部的角点上则均为环形索构成的拉环。[/size]
                                                                                                                                                                                                                                                        [size=14px]高度达到13.5米的梭形飞柱上还设置了检修马道及其他的设备。各处均向内悬挑了68米的屋盖的总重量为4000吨，而每平米的用钢量在90千克左右。[/size]
                                                                                                                                                                                                                                                       
                                                                                                                                                                                                                                                        [size=12px][font=arial]▲[/font]马拉卡纳球场-飞柱及索桁架示意 (rendering: schlaich bergermann partner)[/size]
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
                                                                                                                                                                                                        [size=12px]? sbp/Marcus Bredt[/size]
                                                                                                                                                                                                        [size=12px]? sbp/Marcus Bredt[/size]
                                                                                                                                                                                                        [color=#888888][size=14px]建筑师：gmp- Von gerkan Mark und partner[/size][/color]
                                                                                                [color=#000000]                                                                                                        [color=#888888][size=14px]看台结构设计-Daniel Fernandes.[/size][/color][/color]
                                                                                                [color=#000000]                                                                                                        [color=#888888][size=14px]业主方：EMOP,Rio de Janeiro[/size][/color][/color]
                                                                                                [color=#000000]                                                                                                        [color=#888888][size=14px]结构形式：轮辐式工作原理的环索屋盖[/size][/color][/color]
                                                                                                [color=#000000]                                                                                                        [color=#888888][size=14px]长度：295m  宽度：258m[/size][/color][/color]
                                                                                                [color=#000000]                                                                                                        [color=#888888][size=14px]面积：46,500m2  座位：77,000个[/size][/color][/color]
                                                                                                [color=#000000]                                                                                                        [color=#888888][size=14px]竣工时间：2013年6月[/size][/color][/color]
                                                                                                                                                                                                         
                                                                                                                                                                                                       
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        [size=36px][b]3[/b][/size]                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                [b][font=DengXian]乌克兰国家奥林匹克体育中心[/font][/b]                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
                                                                                        [size=14px]位于乌克兰的基辅国家奥林匹克体育场的前身叫做 “列夫托洛斯基红馆”。在20世纪20年代初，基辅当地建造了这座“红馆”用以举办第二届全乌克兰奥林匹克运动会。建造完成至20世纪末，这座体育馆几经改名和修整重建。2007年，波兰和乌克兰联合申办欧洲杯成功，基辅市在原体育场既有结构的基础上改造建设了基辅国家奥林匹克体育场。[/size]
                                                                                       
                                                                                        [size=12px][font=DengXian]基辅国家奥林匹克体育场[/font]-[font=DengXian]改造前[/font](photo by: René Hoeflaak)[/size]
                                                                                        [size=14px]基辅国家奥林匹克体育场保留了大部分建于1968年的的原混凝土看台结构，屋盖结构则通过设置在看台结构外围的钢结构立柱进行支撑，这样避免了将屋盖结构的自重和承受的外力直接作用到原混凝土结构及其下部基础上去。[/size]
                                                                                        [size=14px]钢结构立柱的数量以及空间布置遵循了原看台结构混凝土柱的布置原则，原结构的80条径向轴线上对应设置了80根支承屋盖的钢结构柱。在钢结构立柱上，采用了设置2个外圈压环和1个内圈拉环的轻型环索屋盖结构，屋盖顶部通过张拉膜进行覆盖。[/size]
                                                                                        [size=14px]对于该体育场，由于设置了环绕足球场的跑道，且该跑道在长轴方向为长直线，在短轴方向为半圆弧，这样的设置在一定程度上定义了整个体育场的几何形状，而如此的几何形状对于拉压环结构来说较为不利。因为该几何形状的曲率变化较大，而拉压环的曲率对结构内力有很大的影响。[/size]
                                                                                        [size=14px]结构设计师将支承屋盖的钢结构柱设计成了在半柱高位置向内折的折线形式，且对于沿体育场长轴两侧布置的钢结构柱，其折角较小，而对于沿着体育场短轴两侧布置的钢结构柱，其折角则较大。如此一来，较之体育场内场的几何形状，钢结构柱的顶点闭合环和中间折点闭合环的在几何曲率上有了更好的连续性，而两个闭合环即可作为屋盖结构的外圈压力环。[/size]
                                        [color=#000000]                                                [/color]
                                        [color=#000000]                                                [color=#333333][font=arial][size=13px]▲[/size][/font][/color][size=12px][font=DengXian]折线形钢结构梁以及上下两个压环[/font]([font=DengXian]图片来源：[/font]JaegerF., Next 3 Stadia (p.100),2012)[/size][/color]
                                                                                       
                                                                                        [size=12px]? gmp Architekten[/size]
                                                                                       
                                                                                        [size=12px]? sbp/Marcus Bredt[/size]
                                                                                        [size=12px]? sbp/Marcus Bredt[/size]
                                                                                        [color=#B2B2B2][size=14px]建筑师：gmp- Von gerkan Mark und partner[/size][/color]
                                        [color=#000000]                                                [color=#B2B2B2][size=14px]业主方：Nationalenterprise Olympic NSC[/size][/color][/color]
                                        [color=#000000]                                                [color=#B2B2B2][size=14px]结构形式：轮辐式工作原理的环索屋盖[/size][/color][/color]
                                        [color=#000000]                                                [color=#B2B2B2][size=14px]长度：306m  宽度：236m[/size][/color][/color]
                                        [color=#000000]                                                [color=#B2B2B2][size=14px]高度：65m  座位：68,000个[/size][/color][/color]
                                        [color=#000000]                                                [color=#B2B2B2][size=14px]竣工时间：2011年5月[/size][/color][/color]
                                        [size=16px]                                                [/size]
                                        [size=16px]                                                [/size]
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                [size=36px][b]4[/b][/size]                                                                                                                                                                                                                                                                                [size=18px][b][color=#000000][font=DengXian]加拿大卑诗省体育馆[/font][/color][/b][/size]                                                                                                                                                                                                                                        [size=14px]加拿大卑诗省体育馆在1981年到1983年间建造完成并于1983年6月19日正式开放。其开始建造时是为了用作不列颠哥伦比亚雄狮队和温哥华白帽队的主场。建成时这座体育场的屋盖结构为气承式膜结构穹顶，在当时该穹顶屋盖是世界上最大的之一。该穹顶结构屋盖在2010年和2011年间的翻新工程中被环索屋盖结构替代。[/size]
                                                                                       
                                                                                        [size=14px]对于卑诗省体育馆的环索屋盖结构，径向钢索向外连接于36根巨型的立柱，而这些立柱则沿着体育馆外边线设置于原结构之上。整个屋盖结构由一个外压环和一个内拉环组成，可以提供足够的刚度以承受温哥华地区200 kg/m?的雪荷载。[/size]
                                                                                        [size=14px]在该屋盖结构的内圈，还设置了另一个可开合式的膜结构屋顶，这个膜结构屋顶的开合用时约为10分钟。屋盖上铺设的透光率较大的面积达9500 m?的ETFE膜对建筑外观及建筑内部采光都有了很积极的影响。[/size]
                                                                                        [size=12px]
                                                ? Michael Elkan[/size]
                                                                                       
                                        [color=#000000]                                                [color=#B2B2B2][size=14px]建筑师：Stantec, Vancouver[/size][/color][/color]
                                        [color=#000000]                                                [color=#B2B2B2][size=14px]业主方：BCPlace, Vancouver[/size][/color][/color]
                                        [color=#000000]                                                [color=#B2B2B2][size=14px]合作单位：GeigerEngineers (engineer of record: David Campbell)[/size][/color][/color]
                                        [color=#000000]                                                [color=#B2B2B2][size=14px]长度：261m  宽度：220m[/size][/color][/color]
                                        [color=#000000]                                                [color=#B2B2B2][size=14px]固定屋盖面积：32,500m2  可开合屋盖面积：8,500m2[/size][/color][/color]
                                        [color=#000000]                                                [color=#B2B2B2][size=14px]座位：56,000个[/size][/color][/color]
                                        [color=#000000]                                                [/color]
                                                                                       
                                                                                                                                                                                                                                                                                        [size=36px][b]5[/b][/size]                                                                                                                                                                                                                [size=18px][b][font=DengXian]结束语[/font][/b][/size]                                                                                                                               
                                                                                        [size=14px]在中国，sbp结构师事务所陆续在深圳宝安体育场、东莞体育中心、苏州工业园区体育中心、海口五源河体育场等项目上均采用了基于轮辐结构原理的屋盖结构。其中前三者作为闭合屋面要求的体育场，采用的是具备自锚特性的环索屋盖结构体系；而对于海口五源河体育场，基于其月牙形的屋盖形状要求，将结构由自锚变换为屋盖支座锚入下部结构。[/size]
                                                                                                                                                [size=14px]环索轻型屋盖结构体系在许多体育场馆的屋盖结构体系中得以不断衍生发展，在解决大跨需要的前提下，可以在最大程度上实现场馆内无柱空间和几乎毫无遮挡的体育场内部视野。此外，由于大量采用了索、膜等材料，其结构效率，环保性和经济性也具备极强的优势，从工程界来推动社会向前进步，极具意义。[/size]
                                                                                                        [color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]                                        [color=#7F7F7F][size=12px]文章来源于网络，如涉及作品内容、版权和其它问题，请及时与本公众号联系，我们将在第一时间删除内容！感恩您的理解包容。[/size][/color][/size][/font][/color]