現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)與奧運場館建設(shè)

現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)

奧運場館建設(shè)與

主要內(nèi)容一、北京奧運場館與空間結(jié)構(gòu)二、創(chuàng)新設(shè)計理念三、自主科技創(chuàng)新四、優(yōu)秀奧運建筑回顧與展望一、北京奧運場館與空間結(jié)構(gòu)

2008北京奧運會使中國人前所未有地近距離感受到奧林匹克的氣息。美侖美奐的奧運場館為奧運會的熱烈氣氛增添了一道絢麗的色彩。奧運場館建設(shè)也為我國大跨空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了廣闊舞臺。什么是空間結(jié)構(gòu)?

在實際的三維世界里，任何結(jié)構(gòu)本質(zhì)上都是空間性質(zhì)的。只不過出于簡化設(shè)計和建造的目的，人們在許多場合有條件地把它們分解成一片片平面結(jié)構(gòu)來進行構(gòu)造和計算。排架框架桁架拱

與此同時，無法進行簡單分解的真正意義上的空間結(jié)構(gòu)也始終沒有停止其自身的發(fā)展，而且日益顯示出一般平面結(jié)構(gòu)無法比擬的創(chuàng)造潛力，體現(xiàn)出大自然的美麗和神奇。沙特阿拉伯利雅德皇家體育場美國迪斯尼樂園球幕電影院空間結(jié)構(gòu)基本類型1.薄殼結(jié)構(gòu)2.空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)3.張力結(jié)構(gòu)4.混合結(jié)構(gòu)(剛性構(gòu)件與柔性索的組合)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)●網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

●其它形式網(wǎng)格體系

●懸索結(jié)構(gòu)

●膜結(jié)構(gòu)

●索穹頂●張弦結(jié)構(gòu)

●斜拉結(jié)構(gòu)

●其它形式混合體系

薄殼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)平板網(wǎng)架可開合網(wǎng)殼索網(wǎng)結(jié)構(gòu)充氣膜結(jié)構(gòu)張拉膜結(jié)構(gòu)張弦結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)形式豐富多彩，具有卓越的工作性能，不僅表現(xiàn)在

三維受力，而且還在于通過合理的曲面形體來有效抵抗外荷載作用?？臻g結(jié)構(gòu)的受力特點1.三維受力

由于有多個方向的構(gòu)件同時參與工作，使內(nèi)力分布更加均勻。2.通過合理的曲面形體抵抗外荷載作用使結(jié)構(gòu)承受軸力為主，充分利用材料強度傳力路徑更為直接，有效提高結(jié)構(gòu)剛度q對大跨和超大跨度建筑，一般平面結(jié)構(gòu)往往難以成為合理的選擇。從國內(nèi)外工程實踐來看，許多現(xiàn)代大跨建筑都采用空間結(jié)構(gòu)體系。歷屆奧運會往往都是空間結(jié)構(gòu)展示其強大潛力的重要舞臺，北京奧運會也給空間結(jié)構(gòu)提供了難得的發(fā)展機遇。沈陽北京秦皇島天津上海香港青島足球帆船馬術(shù)2008年奧運會比賽場館共37個，其中北京地區(qū)31個，京外地區(qū)6個。12302625312827292189104324651114131916152217212018723老山自行車場五棵松體育館五棵松棒球場豐臺壘球場北工大體育館自行車公路場地沙灘排球場工人體育館工人體育場奧體中心體育場英東游泳館奧體中心擊劍科大北航農(nóng)大體育館

北理工北大體育館首都體育館鐵人三項賽場水上公園網(wǎng)球場射箭場曲棍球場北京射擊場飛碟靶場北京射擊館老山自行車館鳥巣水立方國家體育館小輪車賽場2008年奧運會北京場館分布圖奧運場館奧林匹克公園主干道新建場館：

12改擴建場館：11臨時場館：

8北京地區(qū)的場館相對集中于奧林匹克公園區(qū)、西部社區(qū)、大學(xué)區(qū)和北部風(fēng)景區(qū)等4個區(qū)域。新建場館

國家體育場格構(gòu)式交叉剛架

國家游泳中心多面體空間網(wǎng)架

國家體育館雙向張弦桁架結(jié)構(gòu)北京射擊館網(wǎng)架與桁架結(jié)構(gòu)

北京奧林匹克籃球館巨型網(wǎng)格平板網(wǎng)架

老山自行車館雙層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

順義奧林匹克水上公園平面剛架結(jié)構(gòu)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)體育館桁架結(jié)構(gòu)北京大學(xué)體育館矩形平面弦支肋環(huán)型網(wǎng)殼北京科技大學(xué)體育館網(wǎng)架結(jié)構(gòu)北京工業(yè)大學(xué)體育館弦支聯(lián)方型球面網(wǎng)殼北京奧林匹克公園網(wǎng)球場

混凝土懸挑板梁結(jié)構(gòu)田徑、足球游泳、跳水體操、踹床

射擊籃球自行車賽艇、皮劃艇

摔跤乒乓球柔道、跆拳道羽毛球網(wǎng)球改擴建場館奧體中心體育場懸臂剛架結(jié)構(gòu)奧體中心體育館斜拉網(wǎng)殼北京工人體育場剛架結(jié)構(gòu)北京工人體育館車輻式雙層懸索結(jié)構(gòu)

首都體育館網(wǎng)架結(jié)構(gòu)豐臺體育中心壘球場露天場地英東游泳館斜拉網(wǎng)殼老山山地自行車場

露天場地北京理工大學(xué)體育館桁架結(jié)構(gòu)北京射擊場飛碟靶場桁架結(jié)構(gòu)北京航空航天大學(xué)體育館網(wǎng)架結(jié)構(gòu)跑步、馬術(shù)手球拳擊足球排球

壘球

水球

自行車排球飛碟射擊

舉重臨時場館國家會議中心擊劍館北京奧林匹克公園曲棍球場

北京奧林匹克公園射箭場北京五棵松體育中心棒球場朝陽公園沙灘排球場老山小輪車賽場鐵人三項賽場公路自行車賽場擊劍曲棍球射箭棒球沙灘排球小輪車鐵人三項公路自行車分賽場場館青島奧林匹克帆船中心香港奧運馬術(shù)場館天津奧林匹克中心體育場V形大懸臂空間桁架上海體育場膜結(jié)構(gòu)沈陽奧體中心體育場拱支單層網(wǎng)殼秦皇島市奧體中心體育場膜結(jié)構(gòu)帆船馬術(shù)足球足球足球足球這些奧運場館建設(shè)反映了我國大跨空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的最新水平：—

新穎的設(shè)計理念—

先進的結(jié)構(gòu)體系—

大量自主創(chuàng)新技術(shù)

可以看到，新建奧運場館采用了豐富多彩的空間結(jié)構(gòu)體系：—創(chuàng)造了一些新穎的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)—先進的張弦結(jié)構(gòu)體系得到廣泛應(yīng)用

—傳統(tǒng)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)得到進一步發(fā)展

二、創(chuàng)新設(shè)計理念

北京奧運場館建設(shè)中，“鳥巢”、“水立方”以其新穎的設(shè)計理念，創(chuàng)造出令人耳目一新的大跨空間結(jié)構(gòu)形式。

張弦結(jié)構(gòu)等先進空間結(jié)構(gòu)體系在許多場館中獲得成功應(yīng)用，形成了北京奧運場館建設(shè)的另一個亮點。HOKSport&Venue&EventPtyLimited,AustraliaB011.GMPInternationalGmbh,Germany2.SbpGmbh,GermanyB02RamirezVazquezAsociados,SAdeCV,Mexico

上海現(xiàn)代建筑設(shè)計(集團)公司B03B041.EllerbeBecket,Inc.,USA2.AEPCConsultants,Inc.,USAB05NBBJWestLimitedPartnerShip,USAB06GoodwellInternationalServicesInc,BritishVirginIslandsRANInternationalArchitects&engineers,CanadaB071.株式會社AXS佐藤綜合計畫,日本2.清華大學(xué)建筑設(shè)計研究院B081.天津市建筑設(shè)計研究院2.LinTungYenChinaInc.,HongKong3.KodamaDisenoArchitects&PlannersHeeryInternational,USAB09S.C.A.UInternational,FranceB10北京市建筑設(shè)計研究院B121.株式會社原廣司+Atebier建筑研究所/HiroshiHara+Atelier,Japan2.TaiseiCorporationArchitecturalDesignOffice,JapanB13

國家體育場建筑概念設(shè)計方案經(jīng)全球設(shè)計競賽招標(biāo)，共有13個建筑概念設(shè)計方案參加評審。1.Herzog&DeMeuronArchitektenAG(H&deM)Switzerland2.中國建筑設(shè)計研究院

經(jīng)專家評審和公眾投票，“鳥巢”在所有13個方案中脫穎而出。B11外墻面為橢圓錐面內(nèi)墻面為橢圓柱面“鳥巢”幾何構(gòu)形屋面為圓環(huán)體(toroid)內(nèi)側(cè)表面的一部分剖面大樣完整構(gòu)形主結(jié)構(gòu)完整結(jié)構(gòu)“鳥巢”結(jié)構(gòu)布置

“鳥巢”主結(jié)構(gòu)平面布置

原設(shè)計方案

結(jié)構(gòu)細部示意圖

總體效果圖“鳥巢”建成后外景

“鳥巢”——其建筑與結(jié)構(gòu)渾然一體，貌似無序的自由編織的結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成了新穎的、富于視覺沖擊力的獨特建筑形式，為大跨空間結(jié)構(gòu)家族添加了一個富于個性的新成員。B05B06B07B01B02B031.CoxGroupPtyLtd,Australia2.北京市建筑設(shè)計研究院

國家游泳中心建筑概念設(shè)計方案HOKSportLimited,UKDominiquePerraultArchitects,France1.Kawaguchi&EngineersCo.Ltd.,Japan2.TakamatsuArchitect&AssociatesCo.Ltd.,Japan1.FosterandPartners,UK2.OveArup&ParnersLtd.,UK上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(集團)有限公司中國建筑設(shè)計研究院B08B09B10經(jīng)全球設(shè)計競賽招標(biāo)，共有10個建筑概念設(shè)計方案參加評審。1.DECATHLONS.A.ProjectPlanning&EngineerinConsultantsofAthens,Greece2.UNIVERSALATELIERInternationalGROUP,Australia3.南京市民用建筑設(shè)計研究院RafaelVinolyArchitectsPC,USAB04方案1.中國建筑工程總公司2.PTWArchitects,Australia3.OveArupPtyLtd.Australia

經(jīng)專家評審和公眾投票，“水立方”在所有10個方案中脫穎而出?！八⒎健钡慕Y(jié)構(gòu)概念19世紀(jì)末Kelvin提出：如果將三維空間細分為許多單元，各單元體積相等且接觸面積最小，這些單元應(yīng)是什么形狀？許多科學(xué)家將Kelvin問題歸納為“等體積肥皂泡陣列幾何學(xué)”問題

——氣泡理論1993年Weaire和Phelan提出一種由14面體和12面體組成的多面體組合模型。迄今，該模型仍被認為是Kelvin問題的最佳解決方案。由多面體組成空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意

1、由多面體單元構(gòu)成的完整空間

2、由空心多面體單元構(gòu)成的空間網(wǎng)格內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面結(jié)構(gòu)合成結(jié)構(gòu)3、切割形成平板狀空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)4、三塊平板的組合建成后的網(wǎng)格形式ETFE薄膜氣枕“水立方”建成后外景“水立方”建成后內(nèi)景哇！

“水立方”所采用的多面體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，其不規(guī)則的復(fù)雜形體其實是由相對簡單的元素經(jīng)多次重復(fù)形成的，是空間結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)的杰出創(chuàng)新。圍護結(jié)構(gòu)采用新穎的ETFE薄膜氣枕—“水泡”，“方”與“水”的碰撞，形成新穎獨特的“水立方”。

國家體育館國家體育館內(nèi)景

主體結(jié)構(gòu)——雙向張弦桁架

北京工業(yè)大學(xué)體育館北京工業(yè)大學(xué)體育館內(nèi)景主體結(jié)構(gòu)——弦支聯(lián)方型球面網(wǎng)殼

北京大學(xué)體育館北大體育館內(nèi)景主體結(jié)構(gòu)——弦支肋環(huán)型網(wǎng)殼

國家體育館、北京工業(yè)大學(xué)體育館、北京大學(xué)體育館不約而同地采用了不同形式的空間張弦結(jié)構(gòu)。輕盈優(yōu)美、受力合理、用材經(jīng)濟的張弦結(jié)構(gòu)是近年來空間結(jié)構(gòu)的重要創(chuàng)新成果，并日益成為大跨度建筑的一種合理選擇。這種先進的空間結(jié)構(gòu)體系在2008奧運場館中廣泛應(yīng)用，是充分貫徹“適用、經(jīng)濟、美觀”這一設(shè)計原則的具體體現(xiàn)。2008奧運場館種類多樣，規(guī)模各異，為中外杰出建筑師和工程師的創(chuàng)新思維提供了廣闊舞臺，從而創(chuàng)造出一批富有特點的優(yōu)秀體育建筑。設(shè)計者以“人文奧運、科技奧運、綠色奧運”三大理念作為指導(dǎo)方針，在所有場館設(shè)計中均努力貫徹“適用、經(jīng)濟、美觀”的設(shè)計原則。同時，針對少數(shù)有代表性的重要場館，更多地重視和強調(diào)其新穎性和標(biāo)志性，突出了創(chuàng)新設(shè)計理念與奧林匹克“更高、更快、更強”精神的有機融合?？梢哉J為，北京奧運場館建設(shè)充分體現(xiàn)了不同設(shè)計理念的碰撞和交融，也反映了中華悠久文化的多樣性和包容性。三、自主科技創(chuàng)新如果說奧運場館的創(chuàng)新設(shè)計是中外設(shè)計者共同合作的成果，那么將這些設(shè)計理念變成現(xiàn)實，則主要靠中國人自己來完成。這些場館規(guī)模巨大，技術(shù)要求復(fù)雜，為建設(shè)者提出了前所未見的巨大挑戰(zhàn)。因此貫徹建設(shè)全過程的自主科技創(chuàng)新成為這次奧運場館建設(shè)的顯著特點。

針對奧運場館建設(shè)，完成了108項自主科技創(chuàng)新課題，涵蓋設(shè)計、材料、施工和監(jiān)測等不同領(lǐng)域。

精細化結(jié)構(gòu)分析與試驗新材料的研發(fā)與應(yīng)用高難度的施工技術(shù)施工數(shù)值仿真、實時監(jiān)測與控制的廣泛應(yīng)用

許多奧運場館規(guī)模巨大、結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、影響因素眾多，因此，它的設(shè)計要求非一般常規(guī)設(shè)計可比。只有進行精細化分析，并配合必要的試驗，才能確保設(shè)計和施工質(zhì)量。

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非均勻溫度場效應(yīng)分析

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地震空間相關(guān)性效應(yīng)分析

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全面細致的風(fēng)荷載及風(fēng)效應(yīng)研究

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復(fù)雜結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵節(jié)點大比例試驗

精細化結(jié)構(gòu)分析與試驗

設(shè)計者對“鳥巢”在太陽輻射下的非均勻溫度場進行了深入分析，對所引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行了精細化的研究，并對最佳的合攏溫度提出了建議。非均勻溫度場效應(yīng)分析日照引起的非均勻溫度場

最終確定主體鋼結(jié)構(gòu)合攏溫度應(yīng)為19±4℃。非均勻溫度場結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)

對于超大跨度空間結(jié)構(gòu)，需要考慮不同位置基礎(chǔ)所受地震動的差異性。地震空間相關(guān)性效應(yīng)分析

分析模型各位置一致激勵與多點激勵響應(yīng)對比

例如：對“鳥巢”來說，與多點激勵地震輸入相比，常規(guī)的抗震設(shè)計方法偏于不安全。全面細致的風(fēng)荷載及風(fēng)效應(yīng)研究

大量的風(fēng)洞試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)分析風(fēng)環(huán)境CFD數(shù)值模擬膜結(jié)構(gòu)流固耦合效應(yīng)分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵節(jié)點大比例試驗多面體網(wǎng)架子結(jié)構(gòu)試驗大直徑鋼球足尺試驗北工大館整體模型試驗國家體育場KK型節(jié)點試驗國家體育場扭曲構(gòu)件試驗

奧運場館的獨特設(shè)計對建筑材料提出了許多高新技術(shù)要求，必須依靠自主創(chuàng)新來解決。

新型材料的研發(fā)與應(yīng)用

Q460E-Z35特厚鋼板(100－110mm)

的研發(fā)和生產(chǎn)

ETFE膜材的大規(guī)模應(yīng)用

鋼板厚度超過GB/T1591標(biāo)準(zhǔn)上限100mm

E－要求-40℃低溫韌性

Z35－抗層狀撕裂性能最高級別鋼材焊接碳當(dāng)量≤0.5%屈強比≤0.83、延伸率≥20%Q460鋼材過去主要應(yīng)用于工程機械行業(yè)，從未在建筑中使用過，而且其厚度不超過100mm。

用于“鳥巢”的Q460E－Z35建筑鋼板需滿足一系列高難度技術(shù)要求。

Q460E-Z35特厚鋼板(100－110mm)

的研發(fā)和生產(chǎn)

這種強度等級、厚度和技術(shù)要求的鋼板，其生產(chǎn)工藝沒有可供借鑒的成功經(jīng)驗。我國舞陽鋼廠自主研發(fā)、綜合采用多種工藝技術(shù)措施，經(jīng)反復(fù)試煉，終于成功生產(chǎn)出Q460E－Z35厚鋼板，填補了國內(nèi)外的空白。ETFE膜材的大規(guī)模應(yīng)用ETFE膜材厚度僅0.05～0.25mm，透光率高達95％，但可通過表面印刷調(diào)整透光率；材料強度高，自潔性好，耐久性保證25年。作為一種新型建筑覆面材料，ETFE膜材在這次奧運場館建設(shè)中得到大規(guī)模應(yīng)用。國家游泳中心

用量30萬平米國家體育場

用量5.7萬平米

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精確空間定位技術(shù)

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復(fù)雜的焊接工藝

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異型構(gòu)件的精確成型

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多點同步撤支技術(shù)

奧運場館的施工面臨許多前所未有的挑戰(zhàn)，是在一系列技術(shù)創(chuàng)新、攻克難點的過程中完成的。

高難度的施工技術(shù)

精確空間定位技術(shù)

精確空間定位是保證安裝精度的一項關(guān)鍵技術(shù)，奧運場館施工中大規(guī)模采用了先進的GPS衛(wèi)星定位、激光定位與其它高精度測量設(shè)備，建立了精確的三維坐標(biāo)控制系統(tǒng)，用精細的施工保證精細的設(shè)計。

“水立方”由30513個構(gòu)件、9843個球節(jié)點焊接構(gòu)成，所有節(jié)點的三維坐標(biāo)均靠上述先進測量系統(tǒng)精確定位。復(fù)雜的焊接工藝

焊接工作量巨大

“鳥巢”的焊縫總長度達到了300公里，現(xiàn)場施焊焊縫長度60公里，消耗焊材2100噸；“水立方”的焊縫總長度也達到了100公里。

焊接工藝特別復(fù)雜

焊接鋼材等級多種多樣，對于很多新鋼種的焊接缺乏技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；復(fù)雜的高強度厚板焊接；大量的現(xiàn)場高空焊接（包括空中對接），其中50%是在冬季負溫下進行的。

焊接質(zhì)量要求高

幾乎全部采用全熔透一級焊縫。異型構(gòu)件精確成型技術(shù)

“鳥巢”采用的異型彎扭構(gòu)件，斷面1200x1200毫米，最大板厚60毫米，最大長度15米，形狀復(fù)雜多變，而且每根構(gòu)件的彎扭程度各不相同，它們的制作是“鳥巢”施工面臨的最大挑戰(zhàn)之一。為此加工廠專門開發(fā)出“異型構(gòu)件制作軟件”，創(chuàng)造出“多點成形和計算機結(jié)合的無模成形工藝”，最終高精度加工出完全符合設(shè)計要求的彎扭構(gòu)件。

“鳥巢”共設(shè)置78個臨時支承架，撤支時分7級同步卸載。撤支過程中綜合采用了數(shù)值仿真、實時監(jiān)測和同步控制等技術(shù)，對撤支全過程進行精密控制。撤支完成后，主體結(jié)構(gòu)最大下降位移271毫米(數(shù)值計算結(jié)果286毫米)。

所謂“撤支”，就是在主體結(jié)構(gòu)合攏后將施工臨時支承架撤除，使已經(jīng)成為整體的主體結(jié)構(gòu)依靠自身的受力體系矗立起來。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)多點同步撤支技術(shù)

數(shù)值仿真、實時監(jiān)測和控制技術(shù)實際上廣泛應(yīng)用于奧運場館的建設(shè)，對各主要場館的施工全過程均進行了精密的數(shù)值仿真，并在施工過程中對環(huán)境、荷載、內(nèi)力、位移等進行全方位、全過程的實時監(jiān)測，及時指導(dǎo)和調(diào)整施工過程，確保施工與設(shè)計要求精確吻合。施工數(shù)值仿真、實時監(jiān)測與控制的廣泛應(yīng)用“水立方”撤支過程實時監(jiān)測大噸位張拉全過程數(shù)值仿真及控制奧運場館建設(shè)規(guī)模之大、技術(shù)之難在國內(nèi)外建筑史上都是罕見的。中國的工程技術(shù)人員靠自己的智慧和汗水，通過大量自主科技創(chuàng)新，高水平、高質(zhì)量地把藍圖變?yōu)楝F(xiàn)實，這是中國人民的驕傲。事實上，綜合運用各種技術(shù)把這樣復(fù)雜的場館順利建成，本身就是一項重大的集成創(chuàng)新。近十幾年來我國空間結(jié)構(gòu)取得了很大發(fā)展，積累了許多經(jīng)驗，也培養(yǎng)了一批優(yōu)秀技術(shù)人才。這些技術(shù)和人才儲備為奧運場館的成功建造奠定了必要的基礎(chǔ)。反過來，在奧運場館建設(shè)中積累的豐富經(jīng)驗和取得的大量自主創(chuàng)新成果，也必將對我國空間結(jié)構(gòu)的進一步發(fā)展發(fā)揮重要作用。四、優(yōu)秀奧運建筑回顧與展望

奧運會往往是促進空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要舞臺，回顧歷屆奧運會，一些優(yōu)秀的奧運建筑迄今仍是空間結(jié)構(gòu)的經(jīng)典作品。

2008北京奧運會將會給世界留下怎樣的一筆建筑遺產(chǎn)呢……羅馬小體育館薄殼結(jié)構(gòu)（1960）

歷屆奧運會優(yōu)秀場館回顧東京代代木