體育建筑中可分開屋面的應(yīng)用與發(fā)展

0可方面有利于實現(xiàn)場館一體化從防風(fēng)避雨、防止侵權(quán)行為的基本要求到各種形式的活動，建筑的功能隨著人類生活的發(fā)展而不斷發(fā)展。有建筑師曾說“建筑的發(fā)展史就是屋面的演變歷史”,這種觀點在一定程度上也反映了屋面在建筑設(shè)計發(fā)展中的重要性。從古羅馬的萬神廟到現(xiàn)今的許多大跨度體育建筑,人們對于建筑在功能和形態(tài)上的不斷綜合及創(chuàng)新,很多都反映在屋面的演變上,對于體育建筑,創(chuàng)造一個尺度宜人的大空間是其基本要求,而如今的體育建筑隨著自身功能的不斷發(fā)展,已經(jīng)在可開合屋面上顯示出了廣闊的發(fā)展趨勢。隨著各類體育活動在人們生活中的不斷開展,體育建筑越來越普及,它的功能與形式也隨著社會需求的改變與綜合而不斷發(fā)展,而體育建筑一直所面臨的一個矛盾就在于:既要為人們提供一個遮風(fēng)擋雨的適宜空間進(jìn)行各類體育運(yùn)動,又渴望著體現(xiàn)出和大自然親近的運(yùn)動環(huán)境,并且需要設(shè)計者在相對封閉的大跨屋蓋上仔細(xì)考慮采光、通風(fēng)等條件?？砷_合屋面是一種在短時間內(nèi)(一般為20～25min)部分或全部屋面可以移動或開合的建筑形式,它使建筑物在屋面開啟、關(guān)閉和部分開閉等狀態(tài)下都可以使用。具有可開合屋面的體育建筑已經(jīng)在全世界有了不少實例,2008年北京奧運(yùn)會主體育場的招標(biāo),最初明確提出了競標(biāo)方案需要具有可開合的屋面,后來由于造價以及工程復(fù)雜度過高,鳥巢只得“瘦身”去掉了屋面的可開合部分。對于現(xiàn)今功能越發(fā)綜合的體育建筑來說,可開合屋面可以使“場館一體化”,同時體現(xiàn)出2種體育設(shè)施的優(yōu)勢,并可以根據(jù)天氣條件或功能需要綜合使用?？砷_合屋面的出現(xiàn)及廣泛應(yīng)用使體育建筑從空間結(jié)構(gòu)、功能綜合、形態(tài)特征3個方面都有了明顯的改變。1由疊合的復(fù)合屋頂結(jié)構(gòu)由于計算技術(shù)、新型材料及空間結(jié)構(gòu)分析理論的發(fā)展,近幾十年來,各國的空間結(jié)構(gòu)得到了迅速發(fā)展,各種新型空間結(jié)構(gòu)體系,如可展開折疊結(jié)構(gòu)、開合屋蓋結(jié)構(gòu)、張拉整體結(jié)構(gòu)以及各種混合結(jié)構(gòu)體系等,在體育場館、展覽館等建筑中廣泛應(yīng)用,開創(chuàng)了空間結(jié)構(gòu)的新局面?？砷_合屋面在工程學(xué)上稱為開合屋蓋結(jié)構(gòu),20世紀(jì)80年代以前的開合屋蓋結(jié)構(gòu)主要以膜結(jié)構(gòu)的褶皺形式開合為主,并以中小規(guī)模居多,最大規(guī)模的建筑是1976年建成的加拿大蒙特利爾奧林匹克體育場(圖1)。由于屋蓋開啟采用膜屋面材料褶皺形式,這種開啟方式存在的內(nèi)在缺陷是在使用中常受風(fēng)、雨等影響,使開合運(yùn)行時出現(xiàn)故障或膜材料被撕裂,蒙特利爾奧林匹克體育場在每年僅有的幾次開合中還經(jīng)常伴隨著故障發(fā)生,所以其進(jìn)一步的發(fā)展受到了制約。1989年加拿大多倫多建成了直徑208m的天空彎頂多功能體育場,1993年日本建成了福岡體育場(圖2),在世界上產(chǎn)生了很大的轟動效應(yīng),掀起了世界上建造現(xiàn)代大跨度開合屋蓋結(jié)構(gòu)的新浪潮。它的特點是均采用了拱架、拱形網(wǎng)殼、部分球殼或平板網(wǎng)架等剛性鋼結(jié)構(gòu)作為移動屋蓋單元的受力結(jié)構(gòu),可開合屋面材料為膜材料、金屬板及其他輕質(zhì)材料,屋蓋系統(tǒng)分成若干個單元片,通過單元片的移動和轉(zhuǎn)動,使各片之間搭接疊放來實現(xiàn)屋蓋的開合,這種屋蓋結(jié)構(gòu)是由剛性鋼結(jié)構(gòu)屋蓋開合單元組成的。近20年建成的大型開合屋蓋建筑主要有日本Misaki體育場、日本豐田體育場、澳大利亞墨爾本市民體育場、美國米勒棒球場、美國休斯敦棒球場等,這些體育建筑的跨度都在200m以上,采用了鋼網(wǎng)格的屋蓋結(jié)構(gòu),屋面材料采用了帶玻璃纖維涂層的ETFE膜材料及鈦板,代表了當(dāng)今開合屋蓋建筑的最新水平。其中2001年的日本大分縣體育場(圖3)屋蓋的開合體系是在弧形拱架上平行移動的疊合屋蓋單元,展現(xiàn)了新穎的開合方式,被人們昵稱為“大眼睛”。雖然大型開合屋蓋結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)50年代才開始應(yīng)用和發(fā)展的,對于空間結(jié)構(gòu)歷史悠久的演變過程來說,屬于一種新興的結(jié)構(gòu)形式,但是由于大型開合屋蓋結(jié)構(gòu)使體育場具有全天候復(fù)合型的使用功能,世界各國已建成的200多座各種形式的開合屋蓋結(jié)構(gòu),也逐步在一些應(yīng)用更為普及的中小型體育建筑中得到了實現(xiàn),并產(chǎn)生了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。2飼草、大、小的景觀效果的實現(xiàn)從功能上來看,觀眾人數(shù)一直是體育建筑設(shè)計者和使用者最關(guān)注的因素之一,也是體育場館在規(guī)模上的重要劃分依據(jù),筆者設(shè)計過一個縣級中學(xué)體育館,基地狹窄,但校方希望能夠達(dá)到至少3000座規(guī)模,并具有比賽、會議、觀演等功能,這說明人們對當(dāng)今體育建筑的功能綜合提出了更高的要求。現(xiàn)在很多體育場館不僅承擔(dān)著一般的體育賽事,更成為當(dāng)?shù)馗黝愔匾顒影l(fā)生的“容器”與載體。2010年的NBA全明星賽在達(dá)拉斯牛仔體育場(圖4)舉行,這個可以容納10萬人的體育場是為當(dāng)?shù)氐拈蠙烨蜿犠鳛橹鲌龆ǖ?。它采用了大跨拱架技術(shù),是世界上首座將所有重量用2個全球最大的內(nèi)部拱架來支撐的體育場,其跨度達(dá)到了驚人的393m,具有全世界最陡的伸縮屋面和最高的可動式玻璃門,設(shè)計者設(shè)計了超大的可開合屋面,觀眾在室內(nèi)也可通過巨大的電子屏幕觀看比賽,體驗賽場氛圍與電子設(shè)施的便利,2010年的全明星賽觀眾人數(shù)達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的10萬余人,也創(chuàng)下了籃球比賽最多觀看人數(shù)的紀(jì)錄。達(dá)拉斯牛仔體育場可開合屋面的應(yīng)用使得賽事規(guī)模、收入以及影響力都得到了很高的提升,同時也促進(jìn)了美式橄欖球和籃球等運(yùn)動賽事轉(zhuǎn)播上的革命性改變,成為當(dāng)今體育場館功能綜合化的一個成功范例。江蘇南通體育會展中心號稱“南鳥巢”,面積達(dá)到4.8×104m2(圖5),為了創(chuàng)造出滿足全天候環(huán)境的多功能綜合型場所,采用了空間移動方式的可開合屋面,活動屋蓋的移動距離達(dá)到了120m,并在世界上首次應(yīng)用了先進(jìn)的機(jī)電液壓計算機(jī)技術(shù)來控制屋面的開合。南通體育會展中心的屋蓋分為固定部分(金屬屋面和陽光板)和活動部分(ETFE膜結(jié)構(gòu)),這樣既減少了屋面活動部分的荷載與變形,也豐富了該體育會展中心的外觀造型。南通體育會展中心可開合屋面的實現(xiàn),使得3萬余人的體育場完全可以變成能夠舉行大型會展、演唱會的綜合體育館,并且利用屋面開合的變化創(chuàng)造出表演者各種新穎的表現(xiàn)形式。南通體育會展中心利用可開合屋面,充分發(fā)揮了體育運(yùn)動和商業(yè)會展的多功能效用,也通過舉辦各種賽事及活動使得當(dāng)?shù)氐闹鹊玫搅撕芎玫奶岣?。同?jì)大學(xué)游泳館(圖6)也采用了可開合式的屋面,游泳館泳區(qū)主體部分屋面采用水平滑動的開啟方式,最大開啟率達(dá)到42%。其鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用張弦梁與拱形桁架相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式,固定部分采用梭形張弦梁結(jié)構(gòu)(索單元加梁單元加桿系單元),活動部分采用單層加勁桁架結(jié)構(gòu)體系。這樣的結(jié)構(gòu)組合使得“剛性梁”的內(nèi)力和變形明顯減小,突破以往結(jié)構(gòu)形式的限制。同濟(jì)大學(xué)游泳館的可開合屋面主要從適應(yīng)地域氣候以及節(jié)能減耗方面進(jìn)行了精心設(shè)計,人們在游泳時最擔(dān)心刮風(fēng)下雨,但又希望能夠有著接近自然、體會藍(lán)天和碧水一色的感受,而南方氣候夏天悶熱,冬天陰冷,游泳館最大的維護(hù)成本就來自于其在封閉狀態(tài)下空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行,同濟(jì)大學(xué)游泳館的開合式屋面在冬季關(guān)閉,有效減少了能源消耗,改善了室內(nèi)環(huán)境,一般游泳館冬天室內(nèi)空氣中的氯氣含量較高,對人體有害,開啟屋面可以有效調(diào)節(jié)空氣,“結(jié)露”難題也得以解決。而在夏季通過屋面滑軌局部打開屋面,給人們創(chuàng)造一個能夠仰望天空和親近自然的良好運(yùn)動環(huán)境,可謂一舉兩得,并在日常運(yùn)行之中節(jié)省了大量的空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用,也提供了很好的光照和通風(fēng)條件。同濟(jì)大學(xué)游泳館從建成使用以來,在應(yīng)對各種氣候環(huán)境下的針對性運(yùn)營得到了廣大師生及外界人士的一致好評,也為今后體育建筑的節(jié)能減耗目標(biāo)做出了示范。3屋面運(yùn)行形式可開合屋面對于使用者來說,主要體現(xiàn)在場館合一的功能綜合使用效應(yīng),由此體育建筑的外部形態(tài)也產(chǎn)生了相應(yīng)的變化,同時這也是和體育建筑所采用的結(jié)構(gòu)形式息息相關(guān)的?；壞Ｊ郊拔菝娴拈_合方式在很大程度上決定了體育建筑的形態(tài)特征,大多數(shù)具有可開合屋面的體育建筑從造價及技術(shù)難度上來考慮,開合后的外形變化主要反映在屋面開合后的虛實變化,建筑形體的整體輪廓不會有很大的變化,但也有較為特殊的例子,其屋面的特殊開合方式?jīng)Q定了這類體育建筑的外部形態(tài)可以在開合時以完全不同的形式展現(xiàn)。上海旗忠網(wǎng)球中心(圖7)的屋面開啟方式是世界首創(chuàng)的,同時花瓣開啟的造型隱喻了上海的市花——純潔的白玉蘭。屋面約15min內(nèi)完全開啟,其投影形態(tài)由若干條相互關(guān)聯(lián)的幾何曲線構(gòu)成,覆蓋了整個場內(nèi)而又互不干涉,開啟時以各自的圓心做45°的離心運(yùn)動,屋面就像花瓣在開放?？梢韵胂?一座巨大的建筑如同科幻影片一樣在人們眼前進(jìn)行變形,其屋面運(yùn)行開啟的過程,對于觀眾和比賽者都是個極度具有視覺沖擊和令人激動的場景。屋面上的鋼結(jié)構(gòu)葉片以其巨大的尺度勻速運(yùn)動著,多重圓心的同步運(yùn)動令人感到科技力量和幾何形態(tài)變化帶給人的振奮,葉片之間的間隙隨著軌跡運(yùn)動逐漸變大掃過室內(nèi),場內(nèi)的光線和巨大的屋面一起以奇妙的方式變化著,帶給觀眾心理上與眾不同的獨特感受。結(jié)合可開合屋面,以往顯得“科幻主義”的設(shè)計也在體育建筑的形態(tài)上實現(xiàn),克羅地亞首都薩格勒布的城市體育場運(yùn)用了“火山加UFO”(圖8)的設(shè)計思路,整個體育場的造型結(jié)合城市遠(yuǎn)處山巒的背景,以自然界中火山的最簡單原型展示給人們,并在色彩上符合了當(dāng)?shù)厍蜿牭闹饕牱伾?建筑師在“火山頂”上另辟蹊徑,設(shè)計了一個充氣的可移動屋面,這個飛碟一樣的裝置用拉索控制,自身采用ETFE薄膜為材料,半透明的懸浮屋面覆蓋在厚重的“火山”之上,形成了外部形態(tài)上的強(qiáng)烈對比,這個可開合屋面避免了滑軌及各種機(jī)械裝置的繁瑣,上空的“UFO”結(jié)合以索承網(wǎng)殼為屋蓋結(jié)構(gòu)的半透明屋面,在為室內(nèi)進(jìn)行的體育賽事提供遮風(fēng)擋雨的環(huán)境的同時,也利用其材料特性在屋面下方顯示比分,充分融入了整個體育賽事的氣氛之中。4體育競技與環(huán)境自然需要有機(jī)結(jié)合(1)在體育建筑設(shè)計與實施中結(jié)合自身內(nèi)外部條件,因地制宜地運(yùn)用可開合屋面,能夠體現(xiàn)出最新的工程技術(shù)和材料,不僅以先進(jìn)的空間結(jié)構(gòu)創(chuàng)造出新穎的外部形態(tài),還使得體育建筑在功能上展現(xiàn)了更多的可選擇性和可變通性,更使得以往一個個城市中封閉、呆板的龐大構(gòu)筑物成為讓人們感到親切、自然的“運(yùn)動容器”,極大地提高了大型公共建筑的利用率,也成為體育建筑可持續(xù)發(fā)展及綠色設(shè)計中重要的實踐基礎(chǔ)與發(fā)展方向。