[经典工程]美国塔科马穹顶体育馆

[经典工程]美国塔科马穹顶体育馆

1. 工程简介
1980年，美国塔科马市为了刺激经济，决定建造一个多功能赛场和一个会议中心。最终塔科马穹顶公司的木结构穹顶方案（图1）从众方案中脱颖而出，由McGranahan和Messenger设计，造价为3.02亿美元。相比之下，充气穹顶和混凝土穹顶的造价分别为3.55亿美元和4.38亿美元。整个工程从立项到竣工使用，历时37个月。
塔科马穹顶直径为162m，与之相连的是一个13900m2展厅。穹顶顶部高度达45.7m。穹顶内的座位数量可以调节，以考虑举行不同类型的活动。例如，在举办如美式足球或者橄榄球之类的大型活动时，体育馆可以容纳20000名观众；而在进行如篮球和网球之类的小型比赛时，体育馆可以容纳26000名观众。管理者办公室、休息室等设置在固定的观众席下。

图1 塔科马穹顶外观

2． 结构构造
穹顶屋面的主要受力构件为414根截面尺寸为200mm×762mm的胶合木梁。每根胶合木梁均根据穹顶表面的曲线被弯成曲线形，进而通过金属连接件将其连接，形成球形的单层网壳结构（图2）。屋面檩条与曲线形胶合木肋梁搭接，屋面板采用2mm×6mm凹槽拼合的冷杉板覆面。屋面的做法是在38mm厚的橡胶泡沫保温板上覆盖一层喷涂液形成的弹性膜。曲线形胶合木肋梁通过Varax节点连接（图3），Varax连接件能将构件的轴力、剪力和弯矩从肋梁的端部传递到与之相连的其他肋梁，从而形成了穹顶结构明确的传力路线，能够承受足够的荷载。例如，塔科马穹顶结构内容纳了两个栈桥，上面安装着扬声器和场地照明灯具，两个永久性的计分牌以及附加的冷却和通风设备，总重量达到了160t之多。穹顶的荷载由一个现浇的后张预应力混凝土圈梁传递到36根直径为660mm的钢筋柱上。

图2 塔科马穹顶内部

图3 Varax节点

3．穹顶特点
比起传统的穹顶建筑材料来，木构穹顶有许多优点。除了满足承载能力外，木构穹顶还能提供优秀的抗震性能、声学效果、热学绝缘性能和防火能力。
在地震多发地带，木结构特别有利于建造大跨度空间结构。比起钢结构或者混凝土结构来，木结构具有较大的强重比，因此在地震发生的时候产生的水平地震力相对较小。例如，2001年，在距离体育馆不到25km的地方发生了里氏6.8级地震，而体育馆却未发生任何损坏。
屋面板的内表面声学覆有声学绝缘板。这些声学绝缘措施加上穹顶的形状，为比赛场提供了剧院般的音响效果。屋面板下的隔音板上喷涂有7 6mm聚亚安酯泡沫，这些构造措施为场馆提供了一个R26级的隔音效果，而且因其良好的隔热性能将场内温控费用减到最小。
穹顶较大截面的胶合木构件具有很高的火灾安全性。屋顶系统按照与通用建筑标准中的重型木结构相同的要求设计。当暴露在火焰中时，木材表面将形成能够形成碳化层。碳化层延缓了构件内部木材的氧化过程，可以有效地阻燃。同时，碳化层也能够保护构件内部的温度在很低的水平，因此碳化层内部截面的刚度和承载能力不会受到影响。由于木构件在升温过程中不会延展，因而承重构件的位置将不会改变，而钢结构则不然。事实上，利用重型木结构来实现建筑防火安全已经有很长的历史。
4． 穹顶施工
穹顶在拼装的过程中不需要设置脚手架。第一批首先拼装36根构件，每根构件使用一根木柱作为支撑，与现浇的钢筋混凝土环形圈梁构成了自平衡体系。然后在进行剩余构件、檩条和屋面板的安装。最后完成屋面的保温和防水层的铺设施工。

参考文献
保罗·C·吉尔汉姆.塔科马穹顶体育馆—成功的木构多功能赛场的建设过程[J].世界建筑，2002(9):80-81.

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