体育建筑中可分开屋面的应用与发展

体育建筑中可分开屋面的应用与发展

0可方面有利于实现场馆一体化从防风避雨、防止侵权行为的基本要求到各种形式的活动，建筑的功能随着人类生活的发展而不断发展。有建筑师曾说“建筑的发展史就是屋面的演变历史”,这种观点在一定程度上也反映了屋面在建筑设计发展中的重要性。从古罗马的万神庙到现今的许多大跨度体育建筑,人们对于建筑在功能和形态上的不断综合及创新,很多都反映在屋面的演变上,对于体育建筑,创造一个尺度宜人的大空间是其基本要求,而如今的体育建筑随着自身功能的不断发展,已经在可开合屋面上显示出了广阔的发展趋势。随着各类体育活动在人们生活中的不断开展,体育建筑越来越普及,它的功能与形式也随着社会需求的改变与综合而不断发展,而体育建筑一直所面临的一个矛盾就在于:既要为人们提供一个遮风挡雨的适宜空间进行各类体育运动,又渴望着体现出和大自然亲近的运动环境,并且需要设计者在相对封闭的大跨屋盖上仔细考虑采光、通风等条件。可开合屋面是一种在短时间内(一般为20～25min)部分或全部屋面可以移动或开合的建筑形式,它使建筑物在屋面开启、关闭和部分开闭等状态下都可以使用。具有可开合屋面的体育建筑已经在全世界有了不少实例,2008年北京奥运会主体育场的招标,最初明确提出了竞标方案需要具有可开合的屋面,后来由于造价以及工程复杂度过高,鸟巢只得“瘦身”去掉了屋面的可开合部分。对于现今功能越发综合的体育建筑来说,可开合屋面可以使“场馆一体化”,同时体现出2种体育设施的优势,并可以根据天气条件或功能需要综合使用。可开合屋面的出现及广泛应用使体育建筑从空间结构、功能综合、形态特征3个方面都有了明显的改变。1由叠合的复合屋顶结构由于计算技术、新型材料及空间结构分析理论的发展,近几十年来,各国的空间结构得到了迅速发展,各种新型空间结构体系,如可展开折叠结构、开合屋盖结构、张拉整体结构以及各种混合结构体系等,在体育场馆、展览馆等建筑中广泛应用,开创了空间结构的新局面。可开合屋面在工程学上称为开合屋盖结构,20世纪80年代以前的开合屋盖结构主要以膜结构的褶皱形式开合为主,并以中小规模居多,最大规模的建筑是1976年建成的加拿大蒙特利尔奥林匹克体育场(图1)。由于屋盖开启采用膜屋面材料褶皱形式,这种开启方式存在的内在缺陷是在使用中常受风、雨等影响,使开合运行时出现故障或膜材料被撕裂,蒙特利尔奥林匹克体育场在每年仅有的几次开合中还经常伴随着故障发生,所以其进一步的发展受到了制约。1989年加拿大多伦多建成了直径208m的天空弯顶多功能体育场,1993年日本建成了福冈体育场(图2),在世界上产生了很大的轰动效应,掀起了世界上建造现代大跨度开合屋盖结构的新浪潮。它的特点是均采用了拱架、拱形网壳、部分球壳或平板网架等刚性钢结构作为移动屋盖单元的受力结构,可开合屋面材料为膜材料、金属板及其他轻质材料,屋盖系统分成若干个单元片,通过单元片的移动和转动,使各片之间搭接叠放来实现屋盖的开合,这种屋盖结构是由刚性钢结构屋盖开合单元组成的。近20年建成的大型开合屋盖建筑主要有日本Misaki体育场、日本丰田体育场、澳大利亚墨尔本市民体育场、美国米勒棒球场、美国休斯敦棒球场等,这些体育建筑的跨度都在200m以上,采用了钢网格的屋盖结构,屋面材料采用了带玻璃纤维涂层的ETFE膜材料及钛板,代表了当今开合屋盖建筑的最新水平。其中2001年的日本大分县体育场(图3)屋盖的开合体系是在弧形拱架上平行移动的叠合屋盖单元,展现了新颖的开合方式,被人们昵称为“大眼睛”。虽然大型开合屋盖结构是20世纪50年代才开始应用和发展的,对于空间结构历史悠久的演变过程来说,属于一种新兴的结构形式,但是由于大型开合屋盖结构使体育场具有全天候复合型的使用功能,世界各国已建成的200多座各种形式的开合屋盖结构,也逐步在一些应用更为普及的中小型体育建筑中得到了实现,并产生了良好的社会效益和经济效益。2饲草、大、小的景观效果的实现从功能上来看,观众人数一直是体育建筑设计者和使用者最关注的因素之一,也是体育场馆在规模上的重要划分依据,笔者设计过一个县级中学体育馆,基地狭窄,但校方希望能够达到至少3000座规模,并具有比赛、会议、观演等功能,这说明人们对当今体育建筑的功能综合提出了更高的要求。现在很多体育场馆不仅承担着一般的体育赛事,更成为当地各类重要活动发生的“容器”与载体。2010年的NBA全明星赛在达拉斯牛仔体育场(图4)举行,这个可以容纳10万人的体育场是为当地的橄榄球队作为主场而建的。它采用了大跨拱架技术,是世界上首座将所有重量用2个全球最大的内部拱架来支撑的体育场,其跨度达到了惊人的393m,具有全世界最陡的伸缩屋面和最高的可动式玻璃门,设计者设计了超大的可开合屋面,观众在室内也可通过巨大的电子屏幕观看比赛,体验赛场氛围与电子设施的便利,2010年的全明星赛观众人数达到了创纪录的10万余人,也创下了篮球比赛最多观看人数的纪录。达拉斯牛仔体育场可开合屋面的应用使得赛事规模、收入以及影响力都得到了很高的提升,同时也促进了美式橄榄球和篮球等运动赛事转播上的革命性改变,成为当今体育场馆功能综合化的一个成功范例。江苏南通体育会展中心号称“南鸟巢”,面积达到4.8×104m2(图5),为了创造出满足全天候环境的多功能综合型场所,采用了空间移动方式的可开合屋面,活动屋盖的移动距离达到了120m,并在世界上首次应用了先进的机电液压计算机技术来控制屋面的开合。南通体育会展中心的屋盖分为固定部分(金属屋面和阳光板)和活动部分(ETFE膜结构),这样既减少了屋面活动部分的荷载与变形,也丰富了该体育会展中心的外观造型。南通体育会展中心可开合屋面的实现,使得3万余人的体育场完全可以变成能够举行大型会展、演唱会的综合体育馆,并且利用屋面开合的变化创造出表演者各种新颖的表现形式。南通体育会展中心利用可开合屋面,充分发挥了体育运动和商业会展的多功能效用,也通过举办各种赛事及活动使得当地的知名度得到了很好的提高。同济大学游泳馆(图6)也采用了可开合式的屋面,游泳馆泳区主体部分屋面采用水平滑动的开启方式,最大开启率达到42%。其钢结构屋盖采用张弦梁与拱形桁架相结合的结构形式,固定部分采用梭形张弦梁结构(索单元加梁单元加杆系单元),活动部分采用单层加劲桁架结构体系。这样的结构组合使得“刚性梁”的内力和变形明显减小,突破以往结构形式的限制。同济大学游泳馆的可开合屋面主要从适应地域气候以及节能减耗方面进行了精心设计,人们在游泳时最担心刮风下雨,但又希望能够有着接近自然、体会蓝天和碧水一色的感受,而南方气候夏天闷热,冬天阴冷,游泳馆最大的维护成本就来自于其在封闭状态下空调设备的运行,同济大学游泳馆的开合式屋面在冬季关闭,有效减少了能源消耗,改善了室内环境,一般游泳馆冬天室内空气中的氯气含量较高,对人体有害,开启屋面可以有效调节空气,“结露”难题也得以解决。而在夏季通过屋面滑轨局部打开屋面,给人们创造一个能够仰望天空和亲近自然的良好运动环境,可谓一举两得,并在日常运行之中节省了大量的空调运行费用,也提供了很好的光照和通风条件。同济大学游泳馆从建成使用以来,在应对各种气候环境下的针对性运营得到了广大师生及外界人士的一致好评,也为今后体育建筑的节能减耗目标做出了示范。3屋面运行形式可开合屋面对于使用者来说,主要体现在场馆合一的功能综合使用效应,由此体育建筑的外部形态也产生了相应的变化,同时这也是和体育建筑所采用的结构形式息息相关的。滑轨模式及屋面的开合方式在很大程度上决定了体育建筑的形态特征,大多数具有可开合屋面的体育建筑从造价及技术难度上来考虑,开合后的外形变化主要反映在屋面开合后的虚实变化,建筑形体的整体轮廓不会有很大的变化,但也有较为特殊的例子,其屋面的特殊开合方式决定了这类体育建筑的外部形态可以在开合时以完全不同的形式展现。上海旗忠网球中心(图7)的屋面开启方式是世界首创的,同时花瓣开启的造型隐喻了上海的市花——纯洁的白玉兰。屋面约15min内完全开启,其投影形态由若干条相互关联的几何曲线构成,覆盖了整个场内而又互不干涉,开启时以各自的圆心做45°的离心运动,屋面就像花瓣在开放。可以想象,一座巨大的建筑如同科幻影片一样在人们眼前进行变形,其屋面运行开启的过程,对于观众和比赛者都是个极度具有视觉冲击和令人激动的场景。屋面上的钢结构叶片以其巨大的尺度匀速运动着,多重圆心的同步运动令人感到科技力量和几何形态变化带给人的振奋,叶片之间的间隙随着轨迹运动逐渐变大扫过室内,场内的光线和巨大的屋面一起以奇妙的方式变化着,带给观众心理上与众不同的独特感受。结合可开合屋面,以往显得“科幻主义”的设计也在体育建筑的形态上实现,克罗地亚首都萨格勒布的城市体育场运用了“火山加UFO”(图8)的设计思路,整个体育场的造型结合城市远处山峦的背景,以自然界中火山的最简单原型展示给人们,并在色彩上符合了当地球队的主要队服颜色,建筑师在“火山顶”上另辟蹊径,设计了一个充气的可移动屋面,这个飞碟一样的装置用拉索控制,自身采用ETFE薄膜为材料,半透明的悬浮屋面覆盖在厚重的“火山”之上,形成了外部形态上的强烈对比,这个可开合屋面避免了滑轨及各种机械装置的繁琐,上空的“UFO”结合以索承网壳为屋盖结构的半透明屋面,在为室内进行的体育赛事提供遮风挡雨的环境的同时,也利用其材料特性在屋面下方显示比分,充分融入了整个体育赛事的气氛之中。4体育竞技与环境自然需要有机结合(1)在体育建筑设计与实施中结合自身内外部条件,因地制宜地运用可开合屋面,能够体现出最新的工程技术和材料,不仅以先进的空间结构创造出新颖的外部形态,还使得体育建筑在功能上展现了更多的可选择性和可变通性,更使得以往一个个城市中封闭、呆板的庞大构筑物成为让人们感到亲切、自然的“运动容器”,极大地提高了大型公共建筑的利用率,也成为体育建筑可持续发展及绿色设计中重要的实践基础与发展方向。