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閱讀 1215 次 勘察設計大師任慶英談天津大學新校區綜合體育館創新設計

摘要:天津大學新校區綜合體育館項目體現了如何用混凝土來展現建筑、表達美。在該項目中,我有幸和李興鋼大師合作,獲得了諸多獎項,特別是2017年國際建筑攝影展的一等獎、ArchDaily 2018年度建筑大獎等。下面從結構的角度介紹在設計中結構和建筑是如何融合,共同實現設計構想的。 ...

 勘察設計大師任慶英談天津大學新校區綜合體育館創新設計

    任慶英,中國建筑設計研究院有限公司總工程師,全國工程勘察設計大師。主要結構作品:國家體育場(鳥巢)、首都博物館新館、北京梅地亞中心、北京金融街富凱大廈、北京奧林匹克花園(一期)、深圳京基金融中心、海南國際會展中心、南京青奧中心、天津大學新校區綜合體育館等。

    西南側半鳥瞰

屋頂夜景鳥瞰

    項目概況

    天津大學新校區綜合體育館項目位于天津大學新校區,規模并不大,總建筑面積只有1.75萬㎡,包括室內體育活動中心(以下簡稱體育館)、游泳館及廊橋。體育館地上2層,結構高度23.350m;游泳館地上2層,結構高度18.350m。體育館、游泳館及廊橋在地上通過防震縫分成3個獨立的結構單元。

    總平面圖

建筑方案演化

    建筑方案經過了一系列演化,最終實施的方案和初始方案有些區別,主要是從結構的角度對建筑方案提出了幾點疑問:一是體育館一側的墻,原本的表達是直紋曲面墻體,墻體的上部是曲面,下部收成直線,但是實際上對應結構的體現正好相反,結構底部需要側向剛度,如果收成直線的話,就變成了單向剛度,這樣對出墻面方向的剛度太弱;二是體育館的屋面,其一端是曲面而另一端收成直線,使得屋面從拱形變為平板,導致整個屋面要么平板一側的厚度非常厚,要么需要設置高出屋面的梁構件提供抗彎剛度,結構上不順暢,建筑效果也不好;三是游泳館的屋面由幾個跨度較大的筒殼組成,但這些筒殼并不是圓形筒殼,而是利用擺線形成的比圓拱更扁、殼跨更大的筒殼,隨矢高需求的增加殼跨也相應增大,在如此跨度下,筒殼的體量較大,顯得比較笨重。

    針對這些問題,我們提出了三點調整意見,得到了建筑師的認可。一是體育館一側的墻體,將其形式上下顛倒,使下部是曲面而上部收成一點,結構受力更加合理;二是體育館的屋面,將原來的形式改成了筒殼形式,因為其高度和跨度比較相配;三是游泳館的屋面,將筒殼改為兩向交叉的錐殼,其好處在于交線是水平線,兩向交叉之后在跨中即錐的半高位置形成了整個跨度的矢高,經計算,半高的高度基本上能夠滿足矢高的要求,同時因為交線剛好是水平線,也解決了屋面排水問題。

    方案演變(方案階段)主要變化位置示意

    這些變化也體現在具體的結構構件上,如建筑內部支撐屋面的柱子由單一的直柱變為V字形斜柱。建筑中間部分的屋面是比較理想的直紋曲面,相當于殼下端是水平的,上端是拱形的,形成了從拱到直線變化的殼體。于是,利用這個形式做桁架,桁架的下弦是水平直線形,支撐相鄰榀殼的下緣,上弦是上端拱形殼的一部分,因此形成一個合理的魚鱗式結構。同時,桁架利用纖細的豎桿形成采光良好的天窗。這種做法在國際上已有先例,但是如此大跨度而且建成的實體目前還是首例。

    初設階段的部分豎向構件

施工圖階段的部分豎向構件

建成的室內效果

    建筑平面

    平面采用拆分的形式,體育館、游泳館及廊橋在地上通過2條防震縫分成3個獨立的結構單元,另外還有一個利用兩側桁架支撐的百米跑道。從游泳館屋頂殼的平面布置情況來看,兩側實際上是一個三角形的平屋面,形成殼體成立所必須有的水平約束。雖然在屋面兩側有拱形天窗的下弦作為拉接,但是在如此大跨度中間如果不形成約束,殼體會產生很大的變形。因此,利用兩邊沒有成殼的部分做成平板,對殼體形成了一定的約束。兩側拱形桁架的腹桿比較纖細,有利于側窗采光。

首層平面圖

二層平面圖

    游泳館這樣的混凝土結構,其屋面比較重,在抗震方面是不利的,因為地震是慣性力,屋面越重慣性力越大。從平面上可以看出,游泳館空間內多是單跨,抗側力也會有很大問題,如果只有柱子,其側向剛度嚴重不足,且柱子截面會比較大,這對體育功能的空間會有比較大的影響。因此,利用外部形式做成錐筒柱,形成較好的抗側剛度。而且錐筒柱上部采用點接觸,使得整個結構端部在水平力的作用下不至于約束那么大的彎矩。空間內部的柱子采用斜柱,也提供了較大的抗側剛度。

    縱剖面圖

橫剖面圖

    結構模型及分析

    結構模型模擬得非常真實,包括所有的結構構件以及建筑需要表達的內容。在計算機的輔助下,結構分析變得非常容易,只是要注意單元劃分的精細程度。殼的受力分析比較復雜,有很多不同的工況,不僅有受力的問題,還有穩定的問題。

    從結構模型可以看出,游泳館的柱子都是薄壁的錐筒形式,并不是實體,但是剛度比較大。從錐筒柱的分析可以看出,如果將其做成完全薄壁的形式,對于兩個側邊的穩定非常不利,所以加大了其側邊的斷面形成邊緣構件,加強了邊緣的穩定。

    屋蓋形式

    建筑包含三種屋蓋形式:一是體育館的半圓筒殼,二是體育館的直紋曲面板殼,三是游泳館的雙向交叉錐殼。為避免連續倒塌及屈曲,前兩種屋蓋形式均在邊跨以不同形式設置了約束構件。

    體育館的一部分是一個跨度約27m的半圓筒殼,對受力非常有好處,因為筒殼的矢高是均勻的,施工起來也比較方便。但是如此大的跨度,中間部分的約束實際上很弱,所以在兩側的筒殼中間各做了兩塊隔板,以平衡這兩側筒殼的側向推力,使得中間殼體的約束變成可能。

    半圓筒殼邊跨附加隔板

    體育館的直紋曲面板殼部分,一個方向是拱形,按照拱的尺度做了一個桁架,全部采用豎腹桿,下弦實際上是一個拉桿,但因其要提供整個屋面一側的支點,所以采用了預應力混凝土技術。另外結合建筑的窗,增加了一些豎向分隔作為豎腹桿,與建筑結合良好。

    直紋曲面屋頂邊跨附加扶壁柱

    從游泳館錐殼屋面的剖面圖可以看到,錐殼的剖面是三角形,只能根據跨中的矢高確定其最大矢高。這一點也和建筑師進行了溝通,力圖用滿足變形限值的原則來確定合適的矢高。從錐筒柱的立面圖也能看出,其上端收成一點,并采用橡膠支座來支撐上面的殼體。混凝土屋面在溫度作用下會有變形,采用橡膠支座是為了不把整個變形傳到柱子上,從而減小對錐筒柱的推力。

    邊跨屋蓋起約束作用

剖透視分析

    在本項目中,很多建筑概念的想法因有結構的合理對應和配合,最終呈現出非常好的效果。當外部光線照射進體育館室內時,經不同殼體的反射,形成了非常美麗的光影。建造殼體的木模混凝土是用條形木板拼出來的模板印上去的,形成了漂亮的肌理,無需任何裝飾。整個殼體的施工因李興鋼建筑師的高要求而呈現出高品質的效果。總之,項目經過建筑師和結構工程師的通力配合,通過樸素的結構體現出了建筑的建構之美,呈現出了空間的詩意表達。

    游泳館室內

 游泳館錐筒及屋頂結構細部

 自西向東看體育館室內直紋曲面屋頂

西立面局部

 

西立面磚墻細部

天津大學新校區綜合體育館項目體現了如何用混凝土來展現建筑、表達美。在該項目中,我有幸和李興鋼大師合作,獲得了諸多獎項,特別是2017年國際建筑攝影展的一等獎、ArchDaily2018年度建筑大獎等。下面從結構的角度介紹在設計中結構和建筑是如何融合,共同實現設計構想的。  文徑網絡設計整理  

    原標題:結構成就建筑之美——任慶英大師談天津大學新校區綜合體育館創新設計  

 (本文來源:建筑技藝雜志網     文徑網絡數據中心:劉紅娟 尹維維 編輯      劉真 方俊 審核)

   

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