来源:建筑钢结构网 作者: 时间:2009-12-22
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摘要：
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[提 要] 本文介绍有关2008年北京奥运会计划新建和改建的37个场馆中已开工或即将开工的新建九个场馆及其施工概况。并因此而引起的一些值得思考的问题。
[关键词] 2008年北京奥运会，体育场，体育馆，游泳中心，天津体育场，自行车馆，篮球馆，羽毛球馆，摔跤馆，乒乓球馆。
北京2008年奥运会为20项比赛项目需要将建37座体育场馆。其中32座在北京，19座为新建，13座为改建，另5座在外省市，3座新建在天津、沈阳和青岛，2座改建在上海和秦皇岛。这新建22座新场馆和改建的15座旧场馆，实为我国当前一件非常具有挑战性的艰难任务。在新建场馆确定设计方案过程中又遇到新的“磨难”，距2008年8月8日开幕日期仅还有3年时间，时间非常迫切。现仅就已肯定下来的并已施工或准备施工的九个场馆做一综述，同时对一些值得思考的问题略谈一些看法。
一、2008年北京奥运会九个新建场馆
1） 国家体育场
国家体育场建筑体形上像鸟巢新颖独特，具有一定的独创性（图1，2）。可容纳8万人（奥运会期间可容纳10万人）。平面为椭圆形,长轴340m短轴292m。屋盖中间原有一个146m×76m的开口，并设计成开合屋盖，后几经优化将开口扩大到185.3mX127.5m,并取消了开合屋盖。
整体承重结构由一系列空间刚架绕着内环旋转而成，这种结构布置形成一种三维空间承重体系（图3）。每一榀刚架由高12m的屋盖桁架和三角形桁架柱组成，均采用加肋薄壁箱形截面，为了形成鸟巢效果主桁架上弦上还设有交叉的次要构件，也采用箱形截面。总用钢量现已优化到41875t，较前降低了12000t。由于该工程新颖而复杂，投入大量人力财力（数百万元），组织许多单位立项进行科学研究以保证工程的合理和安全。
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2） 国家游泳中心
国家游泳中心建筑体形简单，为170m x 170m x 29m方盒子状，屋盖厚7m，墙厚5.4m，可容纳1.7万人（图4），外墙及屋面的填充单元是由十二面体和十四面体组合而成的异型网格或称WP多面体（Weaire-phelan）（图5），然后再按一定角度斜切成水泡状网格（图4）。既有上弦，也有下弦，中间为腹杆。网格内外均铺设透明的ETFE充气膜，赋以整个建筑以晶莹剔透的外表，这种结构又称之为“水立方”（Water Cube）。其杆件和节点原设计非常复杂，很难实现，经立项研究精心优化后，杆件仍用传统的方钢管及圆钢管，但是两端是变截面的，而节点大多数为我国采用最普遍的焊接空心球节点。这个工程也曾组织许多单位，花费了数百万元经费专门定项进行科学研究。
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3） 国家体育馆
（一）原方案设计
国家体育馆原方案为2003年8月国际竞赛第一名。由欧博迈亚(Obermeyer)与格吕克纳(Glorkner)国际发展有限公司和慕尼黑奥林匹克公园有限公司合作设计，为2008奥运会体育比赛用的场馆，位于奥林匹克公园B区。建设用地6.7万m2，总建筑面积67151 m2，总座位19000个，奥运会期内将用来举行体操、手球、排球比赛，赛后将成为多功能综合性文体设施。
主馆的大园与附馆的小园简洁连接，构成一个8字型，即代表2008年奥运会，也象征着中国古代红山文化的“双连壁”，象征着各国家、各民族的友谊和奥林匹克精神。
体育馆是由一连续的室内拱形屋顶结构覆盖。长250m最大宽度140m,高46m,透明的外立面材料为玉绿色玻璃纤维板，封闭的外层安装是有PolyLED技术支持的由内向外照明的多媒体墙（图6）。
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二）最近确定的设计方案
国家体育馆（图7）在建筑空间上划分为两个大厅，即比赛大厅和训练大厅。比赛大厅空间平面尺寸为114mX144.5m，柱顶高度约35m~43m~30m，训练大厅空间平面尺寸为51mX63m，柱顶高度约30m~22.3m。
屋盖结构为双向张弦梁体系，梁采用箱型截面（见图8）。
下部结构为框架抗震墙结构与型钢混凝土框架?钢支撑相结合的混合型结构体系（见图9）。
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4） 天津奥林匹克中心体育场
天津奥林匹克体育场位于拥有得天独厚的自然环境的天津市西南，坐落于碧水、树林之中。他以2008年北京奥林匹克运动会的三大理念??“绿色奥运”、“科技奥运”、“人文奥运”为主题，将成为未来天津体育活动的中心和基地。本体育场从举办2008年奥运会赛事开始，有能力在此之后陆续承办各类国际体育大赛。同时，体育场四周的人工水盘与相邻的待建综合馆和水上运动中心相呼应。建筑与水体、绿化紧密结合，共同创造出符合人体尺度的宜人的建筑空间。体育场的外观造型以具有自然形态的露珠为主题，尽可能做到与天津市优美的自然环境相协调。选取“晶莹露珠”为建筑构思，以金属和玻璃作为建筑皮肤来调整采光面积（图10）。
建筑底面面积为80,000m2，屋顶面积76,719m2，地上层数6层，最高点高度53.00m，可容纳观众数60,000（活动坐席20,000）人。屋顶结构采用钢桁架悬挑结构。屋顶桁架选用V字型平行弦桁架悬挑结构，以表现运动的动感和轻快感（图11）。钢结构屋架平面呈扁长椭圆（长轴约471米，短轴约370米），整个平面沿长轴对称，屋面桁架落地，形似露珠，内圈和外圈铺设玻璃面板，中间部分基本为金属板，但在V型桁架之间交替铺设玻璃和金属板；屋面面积为76,719m2，几乎覆盖全部观众席。屋面中心不封闭，即在运动场上方留有近似椭圆形空洞，以不同曲率坡向地面，近地面时收于波浪形起伏的环形钢管桁架圈梁处，再由环向布置的92组钢桁架柱连接到基础的混凝土承台上。露珠曲面是由896条不同圆心和半径的圆弧模拟成，并非由统一的数学方程建立，经过建筑师和结构师不断推敲修改，逐步形成光滑的曲线面。目前，桁架表面所构成的曲面并非光滑的，将来由屋面板材以及檩条的高度来调整整个屋面钢管桁架体系，整个屋顶被环梁化分为上、中、下三部分；各榀平行弦桁架呈V字型布置，径向首尾相接，环向布设钢管檩架和交叉斜撑，构成一个稳定的三维空间体系。桁架搭建在斜向支撑屋面的V字型钢桁架柱和屋顶下部的环向圈梁的交叉点上，前挑出50米，其支点间距为14米；桁架高度在悬挑的根部约为4.5米，在端部约为2米。
主桁架上下弦杆、支座桁架上下弦杆及环向圈梁上下弦杆选用Φ508无缝钢管；主桁架腹杆、支座桁架腹杆以及环向圈梁腹杆选用Φ219无缝钢管；主桁架中间支座竖杆选用Φ762无缝钢管，最大的檩条为300×700的箱形截面。各品桁架和檩条的跨度、高度、弧线曲率均不同，各节点连续相贯并为刚接，重要节点采用铸造工艺直接成形，既保证节点的几何精度、材料性能又便于现场安装。本结构方案构思巧妙，主要受力桁架按一定规律相连成网，布局合理，空间性能好，给人以力度感、稳定感的同时，又极富韵律，
显得轻巧、活泼。结构美和建筑美充分结合是结构设计美学思想的新探索。
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（二）、最后确定的设计方案
双层球面网壳结构方案（图13）。网壳跨度133.06m，沿周边外挑8.238m，矢高14.69m，总投影面积约17000m2。网壳通过24对人字型柱支承于沿周边均匀分布的24根钢筋混凝土柱柱顶，人字型柱柱顶设置钢结构圈梁，利用网壳外挑部分设置圈梁桁架。钢筋混凝土柱柱顶标高+7.15m，网壳最高点标高+35.49m。网壳采用四角锥网格，最大网格尺寸为4.96m×4.24m，厚度2.8m。
屋面采用轻型金属屋面板（图14），局部为玻璃采光屋面。网壳采用焊接球节点，最大杆件为Φ219×14，最大球节点为D650×30，用钢量约为95kg/m2，其中双层球面网壳部分为60kg/m2，人字型柱及钢结构圈梁35 kg/m2。
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6） 2008年奥运会篮球馆（五棵松）
（一）、原设计方案
2008年奥运会篮球馆位于北京海淀区五棵松，建筑面积11.9万m2，它是120m×120m×40.8m的方盒子式建筑，内部分为上下两部分，上部五层为商业区，六层以下为篮球馆，共十一层（图15）。整个结构周边设16根（每边4根）矩形钢管混凝土柱（1500mm×4600mm），四角设四个钢筋混凝土角筒（12m×12m）。上层在16根柱向设8根32.4m高的桁架，六层的楼板支于桁架的腹杆上（图16）。空间桁架上下弦杆为1200mm×2200mm的箱型钢梁，腹杆为650mm×650mm～900mm×900mm的焊接方钢管。桁架采用铸钢节点。五层以上商业区内还设四个双曲面束筒作为采光和通风用，最大直径为18m，由48根直径为45mm的预应力圆钢组成，在每个双曲筒上方设一圆形单层网壳的玻璃屋顶，其直径21m，矢高3.2m。
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二）、最近确定的方案
方案更动较大，将原上部五层商业全部去掉，改为双向正交正放网架，支于周边20根混凝土柱上，并在四边柱向共设八道交叉支撑（图17）。另外一个较大的更动是将四周外面的超大屏幕取消，省了一大笔费用。
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7） 2008 年奥运羽毛球比赛馆（在北京工业大学内）
中标第一方案：华南理工大学建筑设计研究院设计(图18)。
场馆总建筑面积为38000?，地上面积为32800?，地下面积为5200?。主馆跨度105m，高度32.43m。座席总数10076个。屋盖形式：原设计方案为葵花形三向网格的球面网壳，最近通过数个方案比较，最后确定为弦支穹顶方案（图19）。
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8） 2008年奥运会摔跤馆（在中国农业大学校内）
本方案为中国农业大学体育馆（2008年北京奥运会摔跤比赛馆）的中标方案，是由华南理工大学建筑设计研究院设计（图19）。
体育馆主体建筑布置在属于校园中心区的建设用地的南端，突出体育馆作为校园中心区主题建筑的统筹全局的作用，在体育馆的西侧形成集散广场，和主校道西侧原有的绿带一起形成校园中心区的主要空间节点。
体育馆主要由比赛馆和游泳中心以及一部分平台组成。比赛馆是体育馆的主要建筑（图20），其平面是一个约90m×90m的矩形平面，屋面是反对称的折面，采用巨型门式刚架结构，形成富有韵律的造型。比赛馆的东西立面的檐口是两条反对称的高低起伏的折线，通过硬朗的折线与檐口和屋脊，表现出了丰富多变的建筑轮廓线，也展现了摔跤比赛馆的阳刚之美。立面侧窗加强了竖向线条的韵律，突出了比赛的纪念性形象。
游泳中心是一个高9m的梯形建筑。与比赛馆相比，其体型较小，将其与附属平台一体处理，在材质和体型上与周边建筑形式相适应。游泳中心西面采用斜面的玻璃造型
屋面板和外墙板层层错开，既在立面上形成了韵律，又可以充分引入了自然光，并通过光线的反射，在室内形成柔和的漫射光。屋面的坡顶造型有利于迅速的排除雨水和积雪。
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9） 2008年奥运会乒乓球馆（北京大学校内）
2008年奥运会乒乓球馆坐落于北京大学校园内（图21、22）。6000固定坐席＋2000可移动坐席, 结构支撑跨度80m×64m。整个屋盖结构由32榀辐射桁架、中央刚性环、中央球壳（矢高7m、跨度24 m）和下撑杆、下刚性环、辐射拉索及支撑体系六部分组成。除四角外，其余支座均为可滑动抗震球铰支座。
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二、钢结构重大工程中一些值得思考的问题
钢材产量我国居世界首位，这是众所周知的，它给我国钢结构发展，特别是空间钢结构带来了极大的机遇。2008年北京奥运会、2010年上海世博会、2010年广州亚运会，还有国内全运会、省运会等都需要建造大量钢结构场馆。不管奥运会还是世博会其建筑水平都代表着一个国家的建筑科技水平，近年来全国举国上下各界人士都在努力做好这项工作，以提高我国在世界上的地位。工程设计一个接着一个，工地开工也是一个接着一个，真是一片大好形势，每个人都受到了鼓舞，但也确还有一些值得思考的问题。
首先：规模较大的工程都要进行国际投标，这本是无可非议的，但往往最后总是国外方案中标，这除了说明国外建筑师水平比我们高，还有什么其它理由呢？如果真的是这样，那我们不管领导阶层还是专家们都应认真地思考这个问题，如何尽快扭转这种局面，长此下去我们国家变成国外建筑师施展才能的场所了。
第二，一个建筑方案，大家有各种不同意见也是无可非议的，经过专家评标最后选出的中标方案应当是最优的，但往往是奇、特、怪的，引起了众多意见，甚至高层次的人士联名上书等等。如国家大剧院、鸟巢、中央影视大楼，五棵松篮球馆等重大工程一出台大家意见纷纷，后来进行优化瘦身，修修改改总算收场。篮球馆中大跨度比赛用地顶上托着五层商业用房，显然是不合理的，为什么这么多专家通过而且是中标了，后来又不得不大改动，取消了上层建筑和超大屏幕。
第三，工程中标后，下面紧接着就是施工评标，由于投标条件限制一个重大工程出来后，只能几家（往往总是这几家）投标。实际上这少数几家哪家都能很好地完成任务，但争标是很激烈的，甚至采取一些不正当手段（报纸上已多次揭发出许多现象），长此下去也使人担忧。
第四，钢结构设计总希望越复杂越好，反正我能计算，施工也是难度越大越好，这样才能显得实力大、能力强，说白了才能获得大奖，哪一个获大奖者不宣称自己工程复杂，施工难度多么大，否则得不了大奖，一个结构简单施工方便的大工程少见了。
第五，本来空间结构是从平面结构发展而来的，它具有一系列优点，但目前出现一种提倡采用平面结构的思潮，这可能是一些建筑师的思想变化，认为空间结构杆件多、乱、不美观、这个问题也应当有个正确的理解。
第六，一个标志性建筑一定要设计成飞禽走兽形的，如大鹏、天鹅、鸟巢等等，当然这种看法也是可以理解的，有它一定的建筑艺术价值和标准，但这种艺术效果只能从飞机上看，远处望，走近时恐怕就看不出来了。另外还有一种思潮，屋面不曲不行（如波浪形），柱子不斜不好等等都值得思考。
凡此种种，都是作为一名从事结构工作的人经常遇到的现象，有些是难以理解的，也可能解决不了，现提出来供大家思考。
参考文献
1.刘锡良主编：第一至四届全国现代结构工程学术研讨会论文集．《工业建筑》增刊．
2.中国建设报、中华建筑报及建筑时报有关文章和报道．
