大跨空间结构的魅力与灵感

立春

第24届冬奥会

在北京国家体育场“鸟巢”开幕

“鸟巢”继2008年北京夏季奥运会后

再次惊艳世界

平日的“鸟巢”

是赛会留给民众的一个珍贵奥运遗产

普通游客在赛后商业运营的餐厅就餐

可以得到一个全览“鸟巢”内场的极佳视角

“鸟巢”通体编织的巨型钢构件

是力量和气势的象征

它的外观描摹鸟巢的草枝看似自然凌乱

但我摄于2006年的两张施工照片可清晰看出

其主结构是绝对规则的

2008年这张照片已看不出主结构了

2008年2月3日

相关论文中截的这张图解释得非常清楚

相比之下

2012年伦敦奥运会的主体育场

“伦敦碗”则显得简朴实用

它采用了轻型膜结构屋面

灯架则立于屋面之上

满足场内照明角度要求

8万座位中仅下部2.5万个固定座位

上部的5.5万个座位为钢架搭建的临时座位

赛后拆除瘦身为一座中型体育场

不仅降低了维护费用

也体现了可持续发展的理念

如果说“鸟巢”是刚性结构的极致代表

那么2022年冬奥会唯一新建冰上竞赛场馆

国家速滑馆“冰丝带”则是典型的柔性结构

——单层索网

（摄影：蔡昭昀）

主创建筑师郑方的手绘概念草图

是一个平面为长轴210m、短轴150m椭圆的马鞍形

2019年7月31日

索网施工现场

两向正交的承重索和稳定索

绷起的巨大鞍形“网球拍”十分震撼

也许你会问

索网下面吊的一个个方块是什么？

那是水箱

称为施工配重

其重量约为尚未安装的屋面板重量

索网吊挂水箱产生与屋面板重压等值的下挠

在安装屋面板的同时将相应位置的水箱卸掉

则索网的形状保持不变

“冰丝带”所得名的周圈“丝带”

——曲面玻璃幕墙的承重结构也是钢索

浙江大学空间结构中心

开展了“冰丝带”缩尺模型试验研究

我的硕士生杨育臣毕业后在北京院工作

参与了这个项目的设计

他带我登上了高空索网一探究竟

双向索的交汇节点

以及索端拉固于周边环桁架的节点

很难得一见

“冰丝带”屋面索网采用了国产高钒密闭索

曾有公开报道说

当时对选用国产索还是进口索意见不一

2018年3月7日

我在中建科工PPP方式建设的

石家庄国际会展中心施工现场

接待了为此前来调研的

我的导师董石麟院士和陈正清院士

以及北京院朱忠义总工和北京城建李久林总工

石家庄会展悬索结构全部采用国产高钒索

“冰丝带”场地

是2008年奥运会射箭场、曲棍球场拆除后的地块

射箭场、曲棍球场和北侧的国家网球中心

都是我在中建国际CCDI（现悉地国际）体育事业部

主持结构设计的项目

时光荏苒一晃快二十年了

站在“冰丝带”钢索编织的巨大马鞍曲面上

凭栏临风

多少往事涌上心头

2003年从北四环出发

设计由“北顶娘娘庙”和“泰山五行石”护佑的“水立方”

到2005、06年北五环边

设计射箭场、曲棍球场和国家网球中心

北京从北四环到北五环这片土地

熔化了我三十出头的火热青春

汗水拌着泪水浇灌出愉悦和成长

2022年元月

我去北京出差

由于场馆已经进入冬奥会闭环管理

只能在奥体公园

这座被誉为最佳取景点的人行桥上远观“冰丝带”

苏州工业园体育馆的屋盖结构

也是与“冰丝带”一样的单层索网

六年前

我刚到中建科工（中建钢构）工作

招兵买马组建了

专业齐备的服务EPC项目的设计院

为使社招工程师尽快融入企业文化

带领大家深入了其施工现场

作为结构工程师稍有遗憾的是

索网结构只能在施工过程中一睹真容

建成后都会被屋面和吊顶材料所包覆

只呈现出耐人寻味的鞍形曲面

所谓“结构成就建筑之美”

 体育场馆屋盖结构除了按刚性、柔性分类外

还可以根据传力途径分为两大类

周边传力和设置大型主结构集中传力

“鸟巢”、“冰丝带”和苏州工业园体育馆

均属周边传力

2011年参观伦敦温布利足球场

我瞬间被它“编织”的高耸斜拱所吸引

拱底精密铰接

设置斜拱作为主结构吊挂着屋面

使得屋面结构就可以设计得较为轻盈

这种纤细的张弦梁

若直接从周边悬挑是很难实现的

另一侧看台的屋盖则是在内沿

设置了纵向张弦梁作为主结构

温布利球场拥有开合屋盖

每组滑行轨道结构采用二根张弦梁

二根张弦梁之间设计了非常简洁的索网连接

这个球场精致的索杆节点值得细细欣赏

看的体育场多了你是否会有一个疑问

为什么有的罩蓬支座处截面高向场内渐渐收小

而另一些则是内环截面高向支座收小？

柏林体育场

巴西利亚足球场

周边传力的体育场罩蓬往往是圆形或椭圆形

罩蓬整体看是周边支承的圆（椭圆）开口板或壳

如果我们采用径向悬挑为主的概念设计

则周边根部截面大

而采用支座铰接的空间结构概念设计

则跨中内环截面大

索桁架屋面一般采用铰接支座

如巴西利亚足球场

周圈柱林支撑起内部轻盈的索膜罩蓬

GMP事务所为2014年世界杯设计的

巴西里约热内卢马拉卡纳足球场改造项目

罩蓬采用非常简洁的索桁架环绕一周

受力体系十分简洁明了

索桁架的撑杆为一菱形桁架

马道、声光设备和大屏均附着其上

屋面张拉膜的找形与索桁架的形式完美契合

（图片源于网络）

山东枣庄体育馆采用了一种新型的索桁架体系

上层斜交双向布索

下层索仍为径向

即上、下索不共面的索桁架

双向索受力、刚度和稳定性

好于单一方向的径向索

但是双向索交叉节点带来了构造和施工的繁琐

斜向索长度较长

会给施工带来一定的困难

上索的斜向交叉成就了螺旋状铺膜的效果

有别于已有体育场的径向铺膜

图案新颖漂亮

郑州体育场则将大开口弦支穹顶用于室外体育场

也是一种应用创新

柏林奥林匹克体育场2000年重建

GMP为其选择了自重轻的膜作为覆盖材料

这个罩蓬环向不闭合

因此采用了钢桁架悬挑的受力体系

不惜在上层看台中间设置立柱增加支点

这在新建场馆中几乎是不可能被允许的

当然这些柱被设计成非常纤细的重力柱（撑杆）

柏林体育场最早为举办1916年夏季奥运会而建

从场外厚重的历史砖墙

走入场内清新的场地和轻巧的膜结构罩蓬

穿越感十足

钢桁架+膜结构的体育场

我亲自设计过一个

2006年 我离开CCDI前

参与的最后一个建筑方案投标

——惠州体育场

体育场屋面和外墙都采用了膜材

立面幕墙膜的图案和折转变化

是建筑师商宏和我

在北京欧陆经典小区的宿舍里熬夜推敲出来的

记得交标那天惠州下着大雨

我们的模型从北京空运至深圳机场

再汽车运至惠州

商宏为模型设计了各色灯光

方案文本和PPT中的很多图片不是电脑渲染图

而是直接拍摄的模型照片

当梦幻的模型灯光点亮

瞬间赢得竞争对手竞相围观不停拍照

感觉连对手都更欣赏我们的方案

商宏的述标专业、精彩、动情

可是专家投票却是第二名入围

我们很是失落

哦弥陀佛最后定标给了我们

建筑模型灯光效果照片

惠州体育场这样周圈幕墙结构落地、看台给个支点

向场内挑出的罩蓬结构形式

近年来在很多大型体育场得到了应用

但是毋须讳言那一圈落地幕墙虽然漂亮

但并非体育场的必须

当投资有限时

罩蓬从看台顶挑出是经济的选择

我配合深圳市建筑设计研究总院设计的

广州亚运会网球场的主、副两场便是如此

混凝土看台底面自然暴露也非常好看

建筑师为这个混凝土斜柱的设计

还专门参考了混凝土诗人奈维尔的书

我请建筑师专门渲染了一张罩蓬钢结构的表现图

主馆采用径、环双向平面桁架

副馆则采用径、环双向H型钢梁

环梁铰接于径梁

仅腹板高强螺栓连接

翼缘不焊

主副场的支座均设于看台柱顶

你可能会问这样的支座弯矩不大吗？

柱顶能承受吗？

其实

这里我虽然设计了刚接支座

其实铰接也是可以的

为什么呢？

因为我更多地应用了

周边支承开口圆壳的受力模型

径、环双向网格结构形成了壳体受力的空间结构

内压环和外拉环形成的力偶

平衡了重力和支座竖向反力形成的力偶

而不是靠径向梁的悬挑（不是悬臂梁）

所以支座弯矩不太大

这种空间结构的受力模式是一把双刃剑

对付重力荷载、风荷载和地震作用非常好

但是在温度作用下空间结构会产生温度内力

副场环向梁在温度工况下轴力非常大

造成连接螺栓数量很多排布困难

同时支座的弯矩也剧增

设计中曾让人一筹莫展

还是悬挑梁这种静定结构好啊！

梁可自由变形不产生内力

此刻我灵感闪现：

为何不在温度工况下将空间结构

转化为悬臂梁的受力模式呢？

只需让环梁在温度作用下失效即可呀

于是我提出了“可呼吸结构”的思路

环梁腹板的连接螺栓数量不考虑温度

按重力、风、地震工况下

环梁的最大轴力配置螺栓个数

螺栓孔设计为水平长圆孔

这样当温度作用下

环梁轴力超过高强螺栓摩擦力时

螺栓滑动释放轴力

温度引起的支座弯矩也一并释放

而螺栓提供的正常摩擦力仍然保持

为此我们还进行了

高强螺栓连接副的滑动摩擦系数测试

寥寥几颗高强螺栓便成就了一个可呼吸的结构构思

既节约又安全

使用以来经过十余年四季温度循环

可呼吸的环梁运行良好

广州亚运网球馆的这些照片

摄于2020年4月16日

距离2010年亚运会已整整10年

这座室外场馆钢结构油漆几乎丝毫没有破坏

再一次证明正常设计施工的钢结构防腐

是绝对可靠的

这一天我独自在主场和副场细细观察每一个细节

看着这个简朴的孩子依然朴素健康很是欣慰

2020年4月16日

就在 我回访广州网球中心的同一天

广州举行了

恒大超级豪华的足球场建筑方案发布会

大莲花方案旋即引来舆论一片哗然

体育建筑到底该是朴实简约还是浮夸炫目？

这考验着城市决策者的心智

一座球场的辉煌不在乎它的豪华和宏大

而在于它的历史、故事、球迷和俱乐部

曼彻斯特老特拉福德球场（Old Trafford）

兴建于1908年

经多次扩建魅力依旧

所谓体育建筑的体量、造型、力量和气势

都抵不过那一片绿茵的温柔

纯粹悬挑梁的球场我也设计过一座

北京奥运国家网球中心主赛场

赛场的看台和罩棚恰似12片纯洁的花瓣

盛开在绿色的森林里并向着湛蓝的天空伸展

摄影：陈凯（新华社）

由于花瓣的概念

立面上巨大的“V”型切口非常醒目

因此12瓣看台和罩蓬

顺理成章地采用了12个独立的悬臂结构

这个方案

是CCDI体育事业部和澳洲BVN合作竞得的

记得做方案时建筑师郑方去了澳洲

给在深圳CCDI办公室的我拨入电话会议

问看台能不能不要斜出去的一个腿

作为参考的悉尼奥林匹克公园网球场就有个斜腿

悉尼奥林匹克公园网球场（图片源自网络）

我慌里慌张的手算了一下

干脆地回答“可以不要”

但是看台须采用混凝土看台

且挑梁根部的高度要保证3.1米

我可不是所谓的“大师”掐指一算

而是按公式计算了悬臂梁的挠度

从而推算了看台梁的竖向振动频率

满场的观众在体育场看台上的人致振动

是看台设计的控制指标

而不仅仅是看台的强度

这里还有个小插曲

后续设计中郑方微调了总平面

改变了看台斜梁的水平尺寸L

殊不知斜梁不同于水平梁

水平尺寸改变会联动使梁高h发生变化

斜梁高度随之变小了一点

我还和郑方吵了一架

争取改回了3.1米

我保留了当时工作模型照片

悬挑梁下部支承于混凝土墙围合而成的多筒环状结构

稳定可靠

看台悬挑梁由下部落地混凝土墙体向外悬挑约12.5m

钢结构罩棚从看台悬挑梁顶端向场内挑出约17m

针对特殊的开口体形和网球比赛的风环境要求

我们做了风洞试验和CFD数值模拟

北京大学风洞试验

2007年6月22日施工中

盗一张2019年3月24日朋友圈的照片

花瓣网球场和施工中的“冰丝带”同框

2019年7月31日

在“冰丝带”工地上抓拍了一张网球场

这些年我坚持与方案建筑师直接配合

为建筑师提供自己原创的结构解决方案

尝头啖汤

在哈工大（深圳）教书期间

我带着研究生做了几个设计

前述广州亚运网球中心

是06级硕士生宋寒、齐宏拓完成的

在深圳也设计了两个很有特色的小项目

要感谢CCDI的老同事陈岩和隋丽

他们介绍我认识了新锐建筑师杨小荻和尹毓俊

得以为他们的一个颇具国际范儿的建筑小品配结构

——深圳湾生态科技城“活力中心”

建筑师玩了把纯粹的几何造型

这正是我的菜

这个项目如果仅是马鞍屋面

周边落地倒也没什么特殊

但是它的南北侧底面是腾空的

只有东西侧很小的面积落地

除了马鞍形屋面

内部还有使用楼层

我们利用了二层楼面

拉住南北侧的凌空斜拱形成了受力体系

再将底层、二层与屋面

用边桁架连接进一步加强结构整体性

在听完杨小荻和尹毓俊的建筑构思后

我随即提出了结构解决方案

没想到一拍即合

我绘制了结构构成草图

您也许会问

屋面和底面都是曲面

我怎么那么懒省事儿画成直线梁？

其实理论上马鞍曲面本身就是直纹曲面

由直线扭曲而成

不信你看广州塔曼妙身材的“小蛮腰”

塔身柱全为直线

就像一把筷子在筷笼里斜立着

还有深圳音乐厅的流动旋律般的幕墙

接着由尹毓俊用Rhino从建筑模型中切出结构线

转由我的学生杨亮和张臣成建立有限元模型

很顺利地实现了一个看似很不可思议的建筑造型

施工初期结构整体受力体系尚未生成

斜拱形状需由临时支撑帮助保持

2014年9月30日照片

2015年3月26日

工地走访时 结构整体已成型

拆除了临时支撑

楼面、屋面混凝土一定要等钢结构支撑卸载

变形完成后才能浇筑

否则混凝土会随着钢结构变形而产生裂缝

2016年11月28日

在装修施工现场

可以看到楼面已浇好混凝土

我眼中怎么觉得施工中的结构构成照片

比建筑竣工的成品还美呢

2000年

我来深圳之初是在深圳大学建筑设计院工作

当时参与过一些万科的项目

结识了万科的技术负责人徐青大哥

十余年后

徐总为我带来了一个难得的设计机会

——深圳前海万科国际会议中心

它门前大跨雨棚或称灰空间的气势和趣味扑面而来

夜色也迷人

屋顶和立面大面积采用铝板幕墙

局部玻璃幕墙

这是深圳华汇肖诚大师的建筑方案

外形由长方体切削而成

锐力而干净

我配合深圳市建筑设计总院做大跨结构设计

接手时建筑师和幕墙顾问已对铝板幕墙研究得很深

但结构方案一直没有敲定

徐青和万科项目部林雪旭找到我

希望能有经济、合理、快速的解决方案

在徐总的启发下

我提出了将铝板幕墙和屋盖一体化的网架方案

而且墙面网架杆件并非横平竖直

而是采用与幕墙分割一致的斜交网格

这个结构逻辑立即得到肖诚的认可

结构充分利用了幕墙的几何厚度因而合理经济

幕墙依着网架杆件又节约了斜向骨架材料

唯一增加的是结构设计的工作量

需要严丝合缝地按照建筑幕墙的网格建立网架模型

建模过程中我们不断地将三维结构模型提交华汇

套入建筑模型检查对比修正

工地已经开工

设计工期非常紧

这可累坏了我的学生肖坤、胡菁宇和张阳

螺栓球节点网架施工成熟、便捷、经济

来到万科前海会议中心

你是否能猜到铝板幕墙包覆着的网架结构？

结构与幕墙一体化的设计概念

使用钢量比常规钢框架节约了2/3以上 

2015年

从CCDI出来开了蔺科设计公司的商宏

邀我为中标的湖州吴兴区文体中心做钢结构设计

这是一座包含文化馆、图书馆、体育馆、商业酒店等

复杂的多功能综合体

建筑取意湖州丝绸和湖笔笔触

架空、悬挑、吊挂、错落、流淌、异形等手法无所不及

（图片由商宏提供）

2006年9月

我从北京的奥运项目回到深圳

在哈工大（深圳）教了9年书

2015年9月

来到中建钢构（现中建科工）工作

这十余年来脱离了一线设计单位

虽然曾在北京、广州，乃至澳门都留下了满意的作品

但在我生活了20多年深爱着的深圳

却始终未能得到主持一项大型空间结构设计的机会

不免黯然

2006年深圳龙岗大运体育中心投标

CCDI的6号方案输给了GMP的“水晶石”

铩羽而归

由于时代久远、曲终人散

大运会的投标资料CCDI的老同事都未找到

我托朋友找了深圳市工务署的档案室

仅存有GMP的中标方案

落标资料未保存

深总院郭满良写过一篇文章评述这次国际竞赛

我在郭总那儿求到了CCDI方案文本

这对我个人是极其珍贵的历史资料

目录文件中的结构说明“+gu”是我定稿文件的惯用文件名

这个投标中我详细推演了体育场的结构逻辑

——首先——

采用常规的径向和环向交叉管桁架结构

验证了体育场罩蓬的可行性和经济型

结构有限元计算模型

交叉管桁架杆件轴力图

交叉管桁架变形图

上述结构形式和屋面的建筑效果没有直接的逻辑关系

需另作一套屋面和幕墙的骨架结构

——接着——

为了配合屋盖和幕墙阵列圆圈的建筑表皮

我将交叉管桁架体系

改为教科书上经典的蜂窝型三角锥网架

蜂窝型网架平面投影图

网架的构成如下

然后在三角锥网架主结构上附加装饰结构骨架

作上弦六边形的外接圆

作为屋顶覆盖材料的边框

作下弦六边形的外接圆

作为建筑吊顶材料的边框

——灵感——

经典的蜂窝型网架的六边形网格能较好地呼应圆圈图案

但仍需为屋面覆盖材料设置圆形边框

这时一个灵感来了

我想到了在不改变蜂窝型网架拓扑构成的基础上

采用上、下弦六边形的外接圆代替六边形

从而使装饰次结构与主体钢结构合二为一

形成“新型圆弧弦杆网架结构”

结构平面投影表明这种新型结构

图案巧妙，通透美观

新型圆弧弦杆结构平面投影图

虽然圆弧弦杆受力性能不如直杆

但通过合理设计

完全可达到结构安全的要求

同时由于省掉了装修次结构

结构体系与建筑效果完全一致

可带来可观的综合经济效益 

十多年后

当我在网上看到2020年迪拜世博会

由AS+GG建筑事务所设计的

中心广场Al Wasl Dome

那曾经魂牵梦绕的圆圈圈图案

以及世博会LOGO的同心圆阵列

据说LOGO创作灵感来源于迪拜沙漠一处考古遗址

the archaeological site of Saruq Al Hadid

中发掘出的一枚黄金指环

我不禁怀疑古往今来人类的灵感

是否在一个异度空间自由地交流共享

 2006年

CCDI的小伙伴们提交了国际水准的投标文件

与HOK、GMP这样的国际老牌劲旅同台竞技

虽败犹荣

深圳标志性建筑的方案几乎被境外建筑师所垄断

这个状况在深圳新的文化建筑国际招标中仍然未见改变

我也尝试着直接接触境外建筑师

2020年

配合意大利博埃里事务所的深圳歌剧院方案

止步六强

但愿今生还能有缘分

在深圳做一个地标项目的结构原创设计

不过令人欣慰的是

看到自己的学生毕业工作后成为

诸如“冰丝带”、深圳机场卫星厅

佛山德胜体育中心、重庆1949大剧院

中建科工大厦、深圳和杭州新国际会展中心

等知名建筑的结构专业主要设计人或业主项目管理者

不论从结构类型还是设计特点上都超越了老师

师以生荣

则是人生理想的另一层境界

和学生们一起的快乐时光