【解构】环索屋盖结构体系简述

（来源： sbp施莱希工程设计咨询 作者：曹旭-sbp  已获授权转载）

引言

结构中力的传递路径应该是清晰可见的，这也是sbp的结构工程师在设计中所希望展现的结构的可读性。只有当建筑用材与构件截面在形式上不被强制规定的时候，才可对结构体系进行发展，针对结构自身特性进行相应地设计与建造。

© sbp / Marcus Bredt

五月末六月初，欧洲冠军联赛刚结束，马上又将迎来世界杯的哨音。本期特稿将向大家介绍由sbp公司首创而且不断在众多的体育场馆中设计中频繁采用，并结合不同项目环境条件下不断创新发展的典型轻型结构体系——环索屋盖结构体系及sbp设计的一些采用该结构体系的世界著名体育场。

环索屋盖结构

预应力钢索可以在耗费很少材料的情况下实现很大的结构跨度，但对于索网结构而言，其对应于索的锚固而产生的造价会很高。钢索端部的锚固是实现索网结构样式多样化的前提，但是这需要耗费大量的锚固基础，索网扣件、锚固件等。

环索屋盖结构充分发挥了预应力钢拉索结构的优良特性且规避了其短处，其结构构造类似于轮辐。轮辐由截面较薄的轮辋结构，大量辐条和一个中央轮轴组合而成。刚度很小的轮辋在单独工作的时候很小的外力就可以让其产生屈曲。通过辐条的预张拉后，轮辋的刚度则得到了很大的加强。

在环索屋盖结构中，结构外圈设置的封闭的压环担起了轮辋的角色，结构内圈的封闭预应力拉环则起着类似于中央轮轴的作用。压环和拉环之间通过按一定间距布置的径向拉索连接。拉环中的预应力在放射状分布的径向拉索上产生拉力。径向拉索内的拉力传递到外环上在外环内部产生压力。预应力在这一轻型结构中的的作用就是提高整个屋盖结构的刚度 ，从而减小屋顶结构的位移和屋顶的振动以及非均匀荷载下的抗压环弯曲变形。拉索不但可以向抗压环传递荷载而且能起到稳定抗压环的作用。最终拉环、压环与其间的钢拉索一道构成了该内力自平衡的“自锚”形式环索屋盖结构。

根据实际项目屋盖造型、屋面覆盖材质等的不同，环索屋盖结构体系演变出了两个压环一个拉环、一个压环两个拉环、一个压环一个拉环等不同的类型以满足建筑需要。

巴西马拉卡纳体育场

巴西马拉卡纳体育场是为1950年巴西世界杯而兴建的一座足球场，它在建成时能够容纳20万名观众观看球赛，是当时世界上最大的体育场。马拉卡纳的名气，不仅仅来源于它的规模，马拉卡纳同时见证了许多顶级赛事、顶级球员辉煌时刻以及足球史上的一些难忘瞬间。球王贝利在马拉卡纳体育场打进了他效力巴西国家队的第一个进球，也是在马拉卡纳体育场打进了他为国家队效力的第1000个进球。1950年7月16日，相当于里约热内卢1/10人口数量的观众涌入了马拉卡纳体育场，含泪在自己家门口见证了巴西队在世界杯决赛上以1:2输给了乌拉圭。

为了迎接2014年世界杯以及2016年夏季奥运会，马拉卡纳体育场于2010年3月开始重修工程。马拉卡纳体育场需要做出一系列的改造以满足国际足联对世界顶级赛事举办体育场的相关要求。体育场的上层观众席被进行了加固翻新，而下层的观众席则直接进行了拆除重建以确保更好的观赛视角。对于当时的马拉卡纳体育场重修工程，其中的一个主要问题是屋顶：其混凝土结构的悬挑屋盖只能够最大限度地为现场45%的坐席起到遮挡作用。

一开始的时候，设计师打算保留既有的屋盖结构并将其向体育场内侧进行加固延伸。但是很快他们发现这些已经建造了半个世纪之久的混凝土悬挑梁既无法被加固，也无法继续提供足够强度满足当前结构需求。同时，原有结构上再建造新的屋盖结构也被否决了，因为这样会改变体育馆的外观，这是不被允许的。最终sbp的工程师提出一个环索屋盖结构解决方案，这个屋盖在结构高度是如此的小以至于它可以作为一个整体嵌入原混凝土结构而不改变这个世界闻名的足球场的外观轮廓。马拉卡纳球场的环索屋盖结构由一个外圈压环，三个拉环以及两者之间的径向拉索组成。为了放置该环索屋盖，旧的混凝土屋盖悬挑梁被移除。对应于下部混凝土结构环形布置的60根混凝土柱，环索屋盖结构也分成了60个单元，其截面尺寸为1m x 2m的外圈压环就放置于混凝土柱顶。这60个连接节点中有52个是不传递横向力的，风荷载等引起的水平力仅通过4对对角切向布置的锚固件传递给下部混凝土结构。

▲马拉卡纳体育场 – 改造前

▲马拉卡纳体育场 – 改造后

新建的屋盖结构通过径向距内环1/3跨度的位置设置飞柱的方式来加强整个屋盖结构的稳定性和刚度，结构中引入飞柱后得到了类似非常形状的索桁架结构，在索桁架的外最外侧为压环，而在剩余的三个内部的角点上则均为环形索构成的拉环。这个高度达到13.5米的梭形飞柱上还设置了检修马道及其他的设备。这个各处均向内悬挑了68米的屋盖的总重量为4000吨，而每平米的用钢量在90千克左右，因此本结构是名副其实的轻型结构。

▲马拉卡纳球场-飞柱及索桁架示意

© sbp/Marcus Bredt

© sbp/Marcus Bredt

建筑师：gmp- Von gerkan Mark und partner

看台结构设计-Daniel Fernandes.

业主方：EMOP, Rio de Janeiro

结构形式：轮辐式工作原理的环索屋盖

长度：295m                        宽度：258m

面积：46,500m2                 座位：77,000个

竣工时间：2013年6月

乌克兰国家奥林匹克体育中心

位于乌克兰的基辅国家奥林匹克体育场的前身叫做 “列夫托洛斯基红馆”。在20世纪20年代初，基辅当地建造了这座“红馆”用以举办第二届全乌克兰奥林匹克运动会。建造完成至20世纪末，这座体育馆几经改名和修整重建。2007年，波兰和乌克兰联合申办欧洲杯成功，并决定将决赛场地设置在乌克兰的首都基辅，于是基辅市在原体育场既有结构的基础上改造建设了基辅国家奥林匹克体育场。

基辅国家奥林匹克体育场 - 改造前

基辅国家奥林匹克体育场保留了大部分建于1968年的的原混凝土看台结构，屋盖结构则通过设置在看台结构外围的钢结构立柱进行支撑，这样避免了将屋盖结构的自重和承受的外力直接作用到原混凝土结构及其下部基础上去。钢结构立柱的数量以及空间布置遵循了原看台结构混凝土柱的布置原则，原结构的80条径向轴线上对应设置了80根支承屋盖的钢结构柱。在钢结构立柱上，采用了设置2个外圈压环和1个内圈拉环的轻型环索屋盖结构，屋盖顶部通过张拉膜进行覆盖。对于该体育场，由于设置了环绕足球场的跑道，且该跑道在长轴方向为长直线，在短轴方向为半圆弧，这样的设置在一定程度上定义了整个体育场的几何形状，而如此的几何形状对于拉压环结构来说较为不利，因为该几何形状的曲率变化较大，而拉压环的曲率对结构内力有很大的影响。对于这种情况，结构设计师将支承屋盖的钢结构柱设计成了在半柱高位置向内折的折线形式，且对于沿体育场长轴两侧布置的钢结构柱，其折角较小，而对于沿着体育场短轴两侧布置的钢结构柱，其折角则较大，如此一来，较之体育场内场的几何形状，钢结构柱的顶点闭合环和中间折点闭合环的在几何曲率上有了更好的连续性，而这两个闭合环即可以很好的作为屋盖结构的两个外圈压力环。

▲折线形钢结构梁以及上下两个压环 (图片来源：Jaeger F., Next 3 Stadia (p.100),2012)

© gmp Architekten

© sbp/Marcus Bredt

© sbp/Marcus Bredt

建筑师：gmp- Von gerkan Mark und partner

业主方：National enterprise Olympic NSC

结构形式：轮辐式工作原理的环索屋盖

长度：306m                        宽度：236m

高度：65m                          座位：68,000个

竣工时间：2011年5月

加拿大卑诗省体育馆

加拿大卑诗省体育馆在1981年到1983年间建造完成并于1983年6月19日正式开放。其开始建造时是为了用作不列颠哥伦比亚雄狮队和温哥华白帽队的主场。建成时这座体育场的屋盖结构为气承式膜结构穹顶，在当时该穹顶屋盖是世界上最大的之一。该穹顶结构屋盖在2010年和2011年间的翻新工程中被环索屋盖结构替代。

考虑到现有的下部看台结构以及业主希望翻新后的体育场成为温哥华市区的一个地标的想法，轮辐式环索屋盖结构的被选中做为了屋盖的替换方案。对于卑诗省体育馆的环索屋盖结构，径向钢索向外连接于36根巨型的立柱，而这些立柱则沿着体育馆外边线设置于原结构之上。整个屋盖结构由一个外压环和一个内拉环组成，整个结构可以提供足够的刚度以承受温哥华地区200 kg/m²的雪荷载。在该屋盖结构的内圈，还设置了另一个可开合式的膜结构屋顶，这个膜结构屋顶的开合用时约为10分钟。屋盖上铺设的透光率较大的面积达9500 m²的ETFE膜对建筑外观及建筑内部采光都有了很积极的影响。

© Michael Elkan

建筑师： Stantec, Vancouver

业主方：BC Place, Vancouver

合作单位：Geiger Engineers (engineer of record: David Campbell)

长度：261m                                  宽度：220m

固定屋盖面积：32,500m2            可开合屋盖面积：8,500m2

座位：56,000个

结束语

环索轻型屋盖结构体系从第一次由sbp结构工程师设计研究并在大型体育场馆中得以应用，到迄今在大多体育场馆的屋盖结构体系中得以不断衍生发展，在解决大跨需要的前提下，可以在最大程度上实现场馆内无柱空间和几乎毫无遮挡的体育场内部视野。此外，由于大量采用了索、膜等材料，其结构效率，环保性和经济性也具备极强的优势，从工程界来推动社会向前进步，极具意义。

在中国，sbp结构师事务所陆续在深圳宝安体育场、东莞体育中心、苏州工业园区体育中心、海口五源河体育场等项目上均采用了基于轮辐结构原理的屋盖结构。其中前三者作为闭合屋面要求的体育场，采用的是具备自锚特性的环索屋盖结构体系；而对于海口五源河体育场，基于其月牙形的屋盖形状要求，我们将结构由自锚变换为屋盖支座锚入下部结构。不同的项目，根据具体的边界条件进行相应调整，可是，结构设计本身都应该是在基于充分理解结构原理的情况下进行的。正因为秉承这一原则，面对不同的项目背景，灵活的运用创新，才会使得环索轻型屋盖结构在不同体育场馆上以丰富多变的姿态展现给世人。

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