從世界杯看現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展

1、從世界杯看現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展論文作者：劉煒（城市規(guī)劃0301 學(xué)號03001420）摘要四年一度的世界杯足球賽在德國開幕了，萬眾矚目。德國作為東道主其體育場館都采用了空間結(jié)構(gòu)。讓我們在欣賞世界杯精彩賽事的同時也來了解下空間結(jié)構(gòu)的形式和特點，并結(jié)合世界杯球場對現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容分別進(jìn)行論述，從中了解現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程、技術(shù)特點、科研狀況以及工程應(yīng)用等。了解國內(nèi)外應(yīng)用和發(fā)展情況，看出我國與世界領(lǐng)先水平的差距，一方面讓球迷們了解自己喜愛的球隊所比賽的球場，另一方面也給我國工程技術(shù)人員提出新的挑戰(zhàn)。關(guān)鍵詞世界杯球場 現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu) 應(yīng)用和發(fā)展空間結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)的形態(tài)呈三維狀態(tài)，在荷載作用下具

2、有三維受力特性并呈空間工作的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)形式主要包括網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)等五大空間結(jié)構(gòu)及各類組合空間結(jié)構(gòu)。形態(tài)各異的空間結(jié)構(gòu)在體育場館、會展中心、影劇院、大型商場、工廠車間等建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。平板網(wǎng)架、網(wǎng)殼以及懸索結(jié)構(gòu)等空間結(jié)構(gòu)在我國得到了廣泛的應(yīng)有，已為人們所熟悉?？臻g結(jié)構(gòu)與平面結(jié)構(gòu)相比具有很多獨特的優(yōu)點，國內(nèi)外應(yīng)用非常廣泛。特別是近年來，人們生活水平不斷提高，工業(yè)生產(chǎn)、文化、體育等事業(yè)不斷進(jìn)步，大大增強了社會對空間結(jié)構(gòu)尤其是大跨度高性能空間結(jié)構(gòu)的需求。而計算理論的日益完善以及計算機技術(shù)的飛速發(fā)展使得對任何極其復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計成為可能。這些正是空間結(jié)構(gòu)

3、能夠擴大應(yīng)用范圍得以蓬勃發(fā)展的主要因素?，F(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展是日新月異，新型的空間結(jié)構(gòu)形式也隨之出現(xiàn)。目前空間結(jié)構(gòu)向著輕量、大跨方向發(fā)展，這種發(fā)展趨勢要求必須千方百計降低結(jié)構(gòu)自重，降低結(jié)構(gòu)自重的途徑一方面是研制運用輕質(zhì)高強的新型建筑材料，另一方面是研究開發(fā)合理的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)受拉部位采用膜材或鋼索，受壓部分采用鋼或鋁合金構(gòu)件，這樣膜、索、桿結(jié)合使用，形成雜交結(jié)構(gòu)，可望實現(xiàn)理想的輕量大跨結(jié)構(gòu)。另外適應(yīng)全天候氣候條件的開合結(jié)構(gòu)、施工便捷的折疊結(jié)構(gòu)，以及外觀華麗的玻璃結(jié)構(gòu)等也都屬于現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)新發(fā)展的課題，國外已有很多的工程應(yīng)用。世界杯賽場上的大部份球場就是采用了我上面提到的雜交結(jié)構(gòu)。下面讓我們走進(jìn)世

4、界杯，走進(jìn)世界杯賽場。1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由多根桿件按照某種規(guī)律的幾何圖形通過節(jié)點連接起來的空間結(jié)構(gòu)稱之為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其中雙層或多層平板形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)稱為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)或網(wǎng)架。它通常是采用鋼管或型鋼材料制作而成。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的形式：（1）平面桁架系組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。主要有：兩向正交正放網(wǎng)架、兩向斜交斜放網(wǎng)架、兩向正交斜放網(wǎng)架、三向網(wǎng)架等型式。（2）四角錐體組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。主要有：正放四角錐網(wǎng)架、斜放四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架、棋盤形四角錐網(wǎng)架、星型四角錐網(wǎng)架、單向折線型網(wǎng)架等型式。（3）三角錐組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。主要有：三角錐網(wǎng)架、抽空三角錐網(wǎng)架（分型和型）、蜂窩形三角錐網(wǎng)架等型式。（4）六角錐體組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。主要形式

5、有：正六角錐網(wǎng)架。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的主要特點：空間工作，傳力途徑簡捷；重量輕、剛度大、抗震性能好；施工安裝簡便；網(wǎng)架桿件和節(jié)點便于定型化、商品化、可在工廠中成批生產(chǎn)，有利于提高生產(chǎn)效率；網(wǎng)架的平面布置靈活，屋蓋平整，有利于吊頂、安裝管道和設(shè)備；網(wǎng)架的建筑造型輕巧、美觀、大方，便于建筑處理和裝飾。德國的蓋爾森基興的傲赴沙爾克體育場是歐足聯(lián)評出的唯一五星級球場建于2002年可容納6萬人，卻沒有一個視覺死角，移動草坪，可閉合屋頂。令人瞠舌的純粹高科技: 在澆水時球場草地可以移出球場，場頂可關(guān)閉，南看臺可移動。（如圖一、圖二）圖一：圖二：位于紐倫堡的法蘭克人世界杯球場，也有能開合的頂棚，和玻璃網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。主看臺

6、一側(cè)的地面部分被改造為300平米的混合區(qū)，主看臺為三層VIP包廂和提供給媒體報道的轉(zhuǎn)播區(qū)。（如圖三）圖三：圖四：玻璃結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，是現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向之一。在一般人眼里玻璃是一種纖薄易碎的東西，很難與碩大的承重結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來。事實上雖然玻璃在力學(xué)性能上有一定的局限性，但如果對其設(shè)計合理，揚長避短，用于建筑結(jié)構(gòu)會取得意想不到的效果。透明或半透明是玻璃的最主要也是最顯著的特征，因此玻璃結(jié)構(gòu)一般明亮華麗，從采光這個角度上說，這也是一種節(jié)能結(jié)構(gòu)。玻璃在力學(xué)性能上有點像混凝土，是一種脆性材料，抗壓性能好、抗拉性能差，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為線性，彈性模量在70-73GPa之間，約為鋼材彈性模量的三分之一。玻璃

7、的強重比要優(yōu)于普通鋼材，玻璃結(jié)構(gòu)能給人一種輕巧的感覺。玻璃的熱膨脹系數(shù)為 9×10-6，與鋼材的相近，這使得鋼材和玻璃能夠用于同一結(jié)構(gòu)，發(fā)揮各自特長。玻璃的耐腐蝕性能很強，可抵抗強酸的侵蝕，因此玻璃結(jié)構(gòu)的防腐費用較低。因此越來越多的建筑師和結(jié)構(gòu)工程師在工程中利用玻璃來實現(xiàn)建筑物更亮、更輕、更美的高科技效果，增強城市的現(xiàn)代化氣息。結(jié)構(gòu)用玻璃主要類型有：退火玻璃、夾絲玻璃、鋼化玻璃以及淬火玻璃等。通過對這幾種玻璃的再次加工可得到一些特殊用途的玻璃，如夾層玻璃、隔熱、隔聲玻璃等。由于力學(xué)上的局限性，玻璃在結(jié)構(gòu)中一般與鋼、鋁等抗拉材料共同工作，因此玻璃結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是通過一定的結(jié)構(gòu)及構(gòu)造形式

8、來發(fā)揮不同材料各自的受力特長，以求得合理的設(shè)計。最簡單也是最常用的方案是采用鋼或鋁合金框架來鑲嵌玻璃幕。這樣做可通過金屬框架來分割整個玻璃幕，使得每塊玻璃面積不致太大，從而保證玻璃板的面外剛度。顯然整個幕墻因為被不透明的金屬框分割而變得不連續(xù)，影響了建筑效果。玻璃結(jié)構(gòu)發(fā)展的最新技術(shù)就是去掉這些金屬框架，保持玻璃幕的連續(xù)性。這種結(jié)構(gòu)用玻璃板代替了張拉整體體系中的壓桿，為增強整個結(jié)構(gòu)的剛度，減小結(jié)構(gòu)的變形，用有一定剛度的桿件代替拉索。整個玻璃幕仍然是由若干塊玻璃拼成，只是玻璃之間不再通過金屬框架連接，而是由位于平面外的專用連接件直接對接，連接件與玻璃幕之間可以栓接也可粘接。凱澤斯勞騰的弗里茨瓦爾特

9、球場，則是玻璃結(jié)構(gòu)和平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的混合（如圖五）圖五：萊比錫中央球場和柏林的奧林匹克球場都是才用的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。萊比錫中央體育場在原先可容納10萬人的舊中央體育場圍墻內(nèi)新建一個專用足球場，并于2004年年初竣工，建成后的場館總?cè)萘繛?4199人(其中坐席數(shù)38898個)。從遠(yuǎn)處看去，萊比錫中央體育場猶如一個火山口。（如圖六、圖七）圖六：圖七：柏林的奧林匹克球場，是本屆世界杯足球賽決賽的比賽場地。其結(jié)構(gòu)之美和藝術(shù)性自然不用多說。（如圖八）圖八：折板式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、多平面型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、多層多跨框架式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等，總起來可稱為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。與國際水平相比，我國目前網(wǎng)架生產(chǎn)的工藝水平和質(zhì)量管理水平尚有一定距離

10、。尤其是在市場需求帶動下，大量小型網(wǎng)架企業(yè)雨后春筍般成立起來，難免良莠不齊，設(shè)計也非總由有經(jīng)驗人士擔(dān)任。因而大力加強行業(yè)管理，切實把握住設(shè)計制作和安裝質(zhì)量，是促進(jìn)我國空間結(jié)構(gòu)進(jìn)一步健康發(fā)展的重要課題。張力結(jié)構(gòu)懸索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)和索-膜結(jié)構(gòu)等柔性體系均以張力來抵抗外荷載的作用，可總稱為張力結(jié)構(gòu)。膜結(jié)構(gòu)也稱為織物結(jié)構(gòu)，是20世紀(jì)中葉發(fā)展起來的一種新型大跨度空間結(jié)構(gòu)形式。它以性能優(yōu)良的柔軟織物為材料，由膜內(nèi)空氣壓力支承膜面，或利用柔性鋼索或剛性支承結(jié)構(gòu)使膜產(chǎn)生一定的預(yù)張力，從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大空間的結(jié)構(gòu)體系。膜結(jié)構(gòu)所用膜材料由基布和涂層兩部分組成。（如圖）圖：基布主要采用聚酯纖維和玻璃纖維

11、材料；涂層材料主要聚氯乙烯和聚四氟乙烯。常用膜材為聚酯纖維覆聚氯乙烯（PVC）和玻璃纖維覆聚聚四氟乙烯（Teflon）。PVC材料的主要特點是強度低、彈性大、易老化、徐變大、自潔性差，但價格便宜，容易加工制作，色彩豐富，抗折疊性能好。為改善其性能，可在其表面涂一層聚四氟乙烯涂層，提高其抗老化和自潔能力，其壽命可達(dá)到15年左右。Teflon材料強度高、彈性模量大、自潔、耐久耐火等性能好，但它價格較貴，不易折疊，對裁剪制作精度要求較高，壽命一般在30年以上，適用于永久建筑。膜結(jié)構(gòu)的主要形式：主要有空氣支承膜結(jié)構(gòu)；張拉式膜結(jié)構(gòu)；骨架支承膜結(jié)構(gòu)等形式。膜結(jié)構(gòu)主要特點：自重輕、跨度大；建筑造型自由豐富；

12、施工方便；具有良好的經(jīng)濟性和較高的安全性；透光性和自結(jié)性好；耐久性較差。懸索結(jié)構(gòu)是以能受拉的索作為基本承重構(gòu)件，并將索按照一定規(guī)律布置所構(gòu)成的一類結(jié)構(gòu)體系，懸索屋蓋結(jié)構(gòu)通常由懸索系統(tǒng)，屋面系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)三部分構(gòu)成。用于懸索結(jié)構(gòu)的鋼索大多采用由高強鋼絲組成的平行鋼絲束，鋼絞線或鋼纜繩等，也可采用圓鋼、型鋼、帶鋼或鋼板等材料。懸索結(jié)構(gòu)形式：懸索結(jié)構(gòu)按索的布置方向和層數(shù)分為：單向單層懸索結(jié)構(gòu)；輻射式單層懸索結(jié)構(gòu)；雙向單層懸索結(jié)構(gòu)；單向雙層預(yù)應(yīng)力懸索結(jié)構(gòu)；輻射式預(yù)應(yīng)力懸索結(jié)構(gòu)；雙向雙層預(yù)應(yīng)力懸索結(jié)構(gòu)；預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)結(jié)構(gòu)等。懸索結(jié)構(gòu)的特點：懸索結(jié)構(gòu)的受力特點是僅通過索的軸向拉伸來抵抗外荷載的作用，結(jié)構(gòu)中不出

13、現(xiàn)彎距和剪力效應(yīng)，可充分利用鋼材的強度；懸索結(jié)構(gòu)形式多樣，布置靈活，并能適應(yīng)多種建筑平面；由于鋼索的自重很小，屋蓋結(jié)構(gòu)較輕，安裝不需要大型起重設(shè)備，但懸索結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計理論與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，比較復(fù)雜，限制了它的廣泛應(yīng)用。索-膜結(jié)構(gòu)自80年代以來在發(fā)達(dá)國家獲得極大發(fā)展。這種體系與索網(wǎng)結(jié)構(gòu)類似，張緊在剛性或柔性邊緣構(gòu)件上，或通過特殊構(gòu)造支承在若干獨立支點上，通過張拉建立預(yù)應(yīng)力，并獲得確定形狀。1993年建成的美國丹佛國際機場候機大廳采用完全封閉的張拉式膜結(jié)構(gòu)平面尺寸305mx67m，由17個連成一排的雙支柱帳篷式單元組成，每個長條形的單元由相距45.7m的兩根支柱撐起。這兩個工程是比較典型的大型張拉

14、式膜結(jié)構(gòu)的例子。另外還有一類骨架支承式膜結(jié)構(gòu)。在德國的世界杯球場很多采用了上面提到的張力結(jié)構(gòu)，如斯圖加特的高特里普.戴姆勒球場，由聚酯織物構(gòu)成的波浪起伏的頂棚，配之以精美的結(jié)構(gòu)與花紋，達(dá)到了古典美與現(xiàn)代美的巧妙融合。（如圖九）圖九：法蘭克福的法蘭克福森林球場，該球場擁有43324個座位，為了本屆世界杯該球場進(jìn)行了重行修整，并建成了很有特色的半透明頂棚。（如圖十）它們都是采用的膜結(jié)構(gòu)。圖十：還有漢堡的漢堡AOL球場，投資總額：.億歐元，總?cè)萘浚喝?，座位?shù)：人，同樣采用了輕盈的膜結(jié)構(gòu)。（如圖十一）圖十一：而多特蒙德采用的是我國涉及很少的的索-膜結(jié)構(gòu)。其看臺挑蓬由8個連在一起的形狀相同的單支柱帳篷式

15、膜結(jié)構(gòu)單元組成。每個單元圍繞于中央，外緣通過邊緣索張緊在若干獨立的錨固裝置上，內(nèi)緣則蹦緊在直徑為133m的中央環(huán)索上。（如圖十二）圖十二：張拉整體結(jié)構(gòu)不知道是把幕尼黑安聯(lián)競技球場算到張拉整體結(jié)構(gòu)范疇里好，還是應(yīng)該是張拉整體膜結(jié)構(gòu)更加準(zhǔn)確吧。它由2874個菱形特制塑膜構(gòu)成的球狀外觀不僅具有超強的防火和防水功效，而且還能在夜間折射出白、藍(lán)、紅三色，分別代表著德國國家隊、1860、拜仁三個深受慕尼黑球迷喜愛的球隊標(biāo)志色，為晚間前來觀看比賽的各地球迷指引方向。每片塑膜邊長各約4米左右，在各種天氣條件下都能起到很好的防護(hù)作用，這種塑膜結(jié)構(gòu)質(zhì)地看似柔軟實則堅韌耐用，為了更好的維護(hù)球場外觀，工作人員都有定期

16、的修護(hù)（如圖十三、十四、十五、十六）圖十三：安聯(lián)球場剖面設(shè)計圖圖十四：圖十五：內(nèi)景圖圖片十六：外觀圖“張拉整體”概念是美國著名建筑師富勒（RBFuller）的發(fā)明，它是“張拉”（tensile）和“整體”（integrity）的縮合。這概念的產(chǎn)生受到了大自然的啟發(fā)。富勒認(rèn)為宇宙的運行是按照張拉整體的原理進(jìn)行的，即萬有引力是一個平衡的張力網(wǎng)，而各個星球是這個網(wǎng)中的一個個孤立點。按照這個思想，張拉整體結(jié)構(gòu)可定義為一組不連續(xù)的受壓構(gòu)件與一套連續(xù)的受拉單元組成的自支承、自應(yīng)力的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的剛度由受拉和受壓單元之間的平衡預(yù)應(yīng)力提供，在施加預(yù)應(yīng)力之前，結(jié)構(gòu)幾乎沒有剛度，并且初始預(yù)應(yīng)力的大小對結(jié)

17、構(gòu)的外形和結(jié)構(gòu)的剛度起著決定性作用。由于張拉整體結(jié)構(gòu)固有的符合自然規(guī)律的特點，最大限度地利用了材料和截面的特性，可以用盡量少的鋼材建造超大跨度建筑。張拉整體結(jié)構(gòu)的幾何形狀同時依賴于構(gòu)件的初始幾何形狀、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)（拓?fù)洌┘靶纬梢欢▌偠鹊淖詰?yīng)力的存在。另外這種結(jié)構(gòu)在外力作用下的變形（與自應(yīng)力的效果不同）也提出了其它結(jié)構(gòu)問題，首先它屬于臨界類體系，結(jié)構(gòu)在外荷載過程中剛度不斷發(fā)生變化，傳力途徑也就隨之改變；其次這種結(jié)構(gòu)只能在考慮了幾何非線性甚至材料非線性時才能分析。斯耐爾森的極具藝術(shù)性的雕塑是體現(xiàn)富勒張拉整體思想的最早嘗試。在這之后富勒、埃墨瑞赤、瓦爾耐(O.Vilnay)、莫特羅(R.Motro)、漢

18、納(A.Hanaor)等創(chuàng)造了多種張拉整體結(jié)構(gòu)體系。目前在世界很多地方都建造了藝術(shù)品性質(zhì)的張拉整體結(jié)構(gòu)，如法國的公園雕塑、華沙國際建筑聯(lián)合會前的自張拉空間填充體、荷蘭國家博物館前覆蓋的四棱柱張拉整體單體以及1958年富勒為布魯塞爾博覽會設(shè)計的一個有表現(xiàn)力的張拉整體桅桿等。除此之外，漢諾威的球場也采用了張拉整體結(jié)構(gòu)。漢諾威球場于2004年12月改造完成，球場在舉行的德甲比賽時，可以容納50，000名觀眾，球場最大的特色是它那個重達(dá)2，500噸的頂棚，位于草皮上方的頂棚含有防紫外線的鋁箔，它可以保證草皮隨時處于一種理想的狀態(tài)。（如圖十七）圖十七：因為還沒有完全實現(xiàn)結(jié)構(gòu)自支承、自應(yīng)力的原則，離開下部受壓環(huán)梁則不能成應(yīng)。徹底意義上的大跨度張拉整體結(jié)構(gòu)還沒有建成，因此對于張拉整體結(jié)構(gòu)無論在理論分析方面還是施工技術(shù)及建筑材料方面都還有很多工作要做。至此，世界杯個足球賽場的空間結(jié)構(gòu)應(yīng)用情況大概介紹完了，很多問題談得不具體。對于空間結(jié)構(gòu)來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止我上面提到的那些，有些場館也不能算是純粹的我說的那種空間結(jié)構(gòu)，多是混合方式。比如說還有開合結(jié)構(gòu)，混合結(jié)構(gòu)，和折疊結(jié)構(gòu)等等，其都已經(jīng)應(yīng)用在現(xiàn)在為大家所熟知的建筑上了，在這里我就不一一的敖述了?？臻g結(jié)構(gòu)還有一個發(fā)展趨勢是從較重的屋蓋向輕型屋蓋體系發(fā)展，從剛性結(jié)構(gòu)體系向柔性體系發(fā)展。由早期的薄殼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和懸索結(jié)構(gòu)發(fā)展