日本大跨度公共建筑的结构概念

摘 要：作者参加了2001年在日本名古屋举行的IASS2001国际空间结构大会,并参观了一些日本大跨度空间结构,本文详细介绍了部分日本大跨度公共建筑的结构概念及作者对当今国内大跨度空间结构发展的体会.

关 键 词：穹顶索―膜结构拱桁架

Abstract:TheauthorparticipatedtheIASS2001InternationalSpaceStructureCongressinNagoya,Japanandvisitsomelarge-spanspacestructuresthere.Thispaperdescribesthepublicbuildingsoflarge-spanstructuresinJapanandhisexperiencesonthedevelopmentoflarge-spanspacestructureinChina.

Keywords:dome,cable-membranestructure,archtruss

中图分类号：Tu318文献标识码：B文章编号：1004-8537（2002）07-0018-10

世界上许多先进国家著名城市的标志性建筑,以及很多优秀旅游景区的建筑始终与大跨度空间结构密不可分,历届奥林匹克运动会、世界各国的各种经济贸易会、世界博览会也无不成为各国最先进的大跨度空间结构竞相亮相的舞台.

2001年7月13日国际奥林匹克委员会在莫斯科通过决议,确定2008年29届奥林匹克运动会将在北京举行.这肯定将对我国空间结构技术的进步与发展产生极大的促进作用,肯定将有大量宏伟壮观的现代空间结构在美丽的北京耸立.

日本是现代空间结构发展很快的国家,2001年10月我们有幸参加了在日本名古屋举行的IASS2001国际空间结构大会.与会期间我们参观了一些日本的大跨度空间结构,收集了一些日本空间结构的资料,通过参观、讨论,我们深切体会到现代空间结构无不充分体现了宏伟、美观、富有艺术想象力,无论哪一个空间结构都充分体现了结构设计技术的进步,体现应用了优质、高强、最新的建筑材料,体现了空间结构施工技术的进步,也体现了每一个现代空间结构均建立在合理的结构设计概念、合理的结构布置的基础之上.

2008年北京奥运会各项体育场馆、各类公共建筑中大跨空间结构肯定将会大量涌现,能否确保建筑做到技术先进、安全合理、外形美观、富有艺术性,将反映我们的建筑师结构概念设计的水平,反映建筑师与结构工程师能否完美的结合.

20世纪80年代以来日本新建的大跨度空间结构(部分)的工程名称与竣工日期如下一览表.

限于篇幅,以下我们摘 要介绍其中几个工程的概况、结构系统与特点,供建筑师与结构工程师参考.

穹顶(TokyoDome)1988.4

建筑与结构：NikkenSekkei公司和Takenaka集团

施工：Takenaka集团

⒈工程概况：

穹顶又称“大蛋”,是日本第一个充气穹顶的体育场,是全天候多用途的体育馆.当用于扇形垒球场使用可容纳50000座,当用于其它体育项目时可容纳56000座.穹顶跨度超过200m,室内空间124万立方米,穹顶全年处于充气状态,充气系统保证日常室内空气压力比室外提高30mmAq(300N/m2,或约0.3%的大气压力).而在强风或堆雪条件下提高到90mmAq.另外膜结构装备了融雪系统(在二层膜间输送暖空气),以减小屋顶结构上的雪荷载.

⒉结构系统：

屋顶结构在平面上为方形带圆抹角的平面,其边长为180.6m,对角线长为201.0m,穹顶矢高与对角线跨度比为0.124,屋顶周围为斜放的压环,与水平面夹角为5.68°,屋顶结构为双向沿平面对角线方向各布置直径为80mm钢铰线14根,总共为28根,钢索间距为8.5m,屋面平均荷载为140N/m2,屋面材料采用双层强力、耐用、防水的特氟隆(teflon)玻璃纤维膜材,厚度为0.8mm.

⒊结构特点：

⑴屋面结构采用全索－膜结构,具有如下优点：

在正常使用时,室内增压30mmAq(相当0.3kN/m2的力)使索与膜均处于受拉和稳定状态,充分发挥了钢索与膜材均具有很高抗拉强度的性能.

索－膜结构本身自重较小,仅为140N/m2(还不到一般空间钢结构的1/3～1/4).

屋面采用双层膜材,在两层间增设空气调节系统,可防止结露及提供屋面融雪的条件.

索－膜结构施工安装较方便.该结构在1987年6月28日上午5:30在地面组装完成,开始由10台风机充气,仅用3小时,即上午8:30就安全地使结构中心截面升到60m高.

⑵为了平衡钢索的向内拉力,沿建筑周边设置抗压环.

⑶由于建筑周边为带圆抹角的方形平面,设计者将双向主钢索布置在平面对角线方向,大大减小了平面直边压环内的弯矩,为了平衡直边的侧向力作用,在直边部分设支撑系统,将索的向内拉力传递给下部结构.

⑷充气索膜结构由于索和膜在不同受力条件,索的不同的预张力,结构有不同的体型,因此对设计方法如找形、裁剪、非线性大变形的设计计算方法,均有相当难度.

秋田天空穹顶(AkitaSkyDome)1990.1

建筑与结构：Kajima设计

施工：Kajima

⒈工程概况：

秋田县位于日本北部西海岸,该地区冬天长期积雪,秋田县组织了一次设计竞赛,要求在秋田中心公园体育场地上覆盖一个室内明亮、开放的大空间,以使市民全年可在室内活动,同时从室外观赏上为城市增色.

⒉结构系统：

秋田天空穹顶被设计为单层索－膜结构,并设计了方便的屋面排雪系统,该屋面结构平面为130m×100m的半球面,矢高为32m,按日本建筑规范,穹顶上的雪荷载为450kgf/m2,这个穹顶由受拉的屋面膜材、管状空间拱架及钢筋砼基座结构组成,空间拱架由双向拱结构组成,一个方向是空腹拱架(一个月牙形,最大矢高为2m),具有较高刚度,另一个方向为单层拱与空腹拱架的下弦横交,空腹拱的上弦用斜撑与单层拱相接,空腹拱竖杆的端部和单层拱及上下弦均为刚性连接,在T节点连结处,杆件厚度增加以提供较高刚度和强度.

⒊结构特点：

屋面采用半透明的膜材,达到了建筑上对开放、明亮、大空间的要求.膜材利用空腹拱的上弦及施加预应力的谷索定形.

屋面为球面的一部分,充分发挥拱的受力特点,拱的横向推力由周边的圆形环梁和另一方向的空间桁架承受,空间桁架拱拱脚利用立面玻璃幕墙分隔处设水平梁来平衡,圆形环梁通过钢筋混凝土结构将水平力传递至基础.

空腹桁架和单层拱均采用管结构法兰螺栓连接,可在地面分片组装成3部分或5部分,然后用160t的起重机提升就位并组装.

前桥绿色穹顶(GreenDomeMaebashi)1990.6

建筑与结构：MHS规划.建筑、结构SHIMIZU集团

施工：MasaoSaitoh

⒈工程概况：

前桥绿色穹顶为多功能的体育馆,该馆可供举行室内自行车、网球、音乐会、各种展览、庆典等活动,建筑立面、日常空调花费和自行车赛的要求进行研究后得出需建成一个大规模带有较低穹顶屋面的体育馆,体育馆总建筑面积为60000m2,20000座位,椭圆形穹顶屋面覆盖的自由空间为122m×167m,屋面距地高42m.

⒉结构系统：

椭圆形穹顶屋盖结构支承在周边柱顶上,穹顶结构由34榀拱桁架大梁组成,在每个拱桁架梁下设一对钢索,按拉杆在大梁端部锚固并施加预应力.

前桥绿色穹顶结构为椭圆形梁索结构(BSS),平行型BBS和径向型BBS均与刚性中心的环梁相接,此外,在平穹顶拱桁架上弦平面还设置了椭圆形环向次梁和水平支撑.

⒊结构特点：

⑴由于屋盖跨度较大,穹顶采用BSS梁索结构,在索内施加预应力,由工字钢构成的桁架拱梁则为压弯构件,充分发挥了钢索的很高的抗拉强度,使大跨度屋盖结构外观十分轻巧,用钢量比较经济.

⑵BSS梁索结构采用梭形外形,充分体现结构受力特性(跨中弯矩最大),中心部分的内环梁合理方便地解决了上弦钢拱梁、下弦钢拉索的连接构造,也便于使用上搁置各类灯具和设备.

⑶由于屋盖在拱梁下部加预应力索,避免了拱结构的巨大推力,使穹顶可以支承在的单排柱上,避免由于静荷载下拱推力对单排柱ߝ 5;生较大弯矩.

⑷屋盖结构设计的基本原则是屋盖全部静荷载由BSS的主结构构件承受,至于地震荷载、风和雪荷载、温度影响则由二级构件如环向次梁、屋面水平支撑与主结构构件共同承受.

⑸由于在穹顶拱桁架上弦平面设置了椭圆形环向次梁和水平支撑,大大减小了上弦压杆的计算长度,减小了杆件断面,增强了层面水平刚度.

大阪穹顶(OsakaDome)1997.2

建筑：NikkenSekkei公司.Takenaka集团及Obayashi集团配合.

结构：NikkenSekkei公司.Takenaka集团及Obayashi集团配合.

施工：Obayashi集团,Takenaka集团等

⒈工程概况：

大阪穹顶是一个集娱乐休闲、体育比赛、表演演出、商业展览等直径为210m圆形多功能体育馆.可容纳44000～55000座位,沿穹顶周边设计了波浪形的通道,建筑设计概念是可允许按不同使用要求有不同室内空间,且可对不同项目调整相应的场地、座位和吊顶高度.

⒉结构系统：

大阪穹顶直径为166m,矢高为42m,由二部分穹顶组成,中心部分由直径为134m的球面形钢网壳,部分为16m宽环状锥形结构,中心壳顶由几何形状规则的钢网壳单元组成(在中心处设一个受压内环),环状锥形壳由36个斜放相同的Ｙ形钢梁组成,中心壳与外环壳的连接处为受压钢环梁.Ｙ形钢梁的根部与看台顶环状拉梁形成铰接支座.

⒊结构特点：

大阪穹顶外形为二种,即中心穹顶为球面,穹顶为圆锥面,球面和圆锥面在均匀竖向荷载下,结构构件以受压为主,结构变形较小,受力状态较合理.

环状圆锥面壳的主结构采用36个相连的斜放Ｙ形钢梁与Ｙ形顶部受压环梁一起组成为几何不变结构,并确保了锥面面内有较大刚度,传力均匀,Ｙ形钢梁根部与看台顶部形成铰接,减小了不利因素对网壳的影响.

结构工程师在球面壳与圆锥壳交界处设置较强的受压环梁,一方面为球面壳提供了可靠支座,使球面壳的荷载均匀传递给圆锥壳受压环梁,也减小了中心球面网壳的计算跨度(由166m缩小为134m),可减小结构高度,减少结构用钢量.

穹顶的结构形式为科学、合理、快速施工提供了条件.本工程处于闹市区,建筑物几乎占用了全部场地,中心球状穹顶可在地面组装就位,总重约5500t,由18台600t提升设备同步提升,提升高差控制在20mm,提升总耗时8h.

名古屋穹顶(NagoyaDome)1997.2

建筑与结构：Gakenaka集团

顾问：YasuhikoHangai、MatohikoYamada等

⒈工程概况：

名古屋穹顶是一个多用途的体育馆,当用于垒球赛时可容纳40500观众,由于场地与居民区相邻,要求它的钢屋面有较好密封和隔声性能,由于垒球运动要求尽量少的太阳阴影和吊顶距地面高度不小于60m,屋面几何外形为球面,屋面面积为29000m2,中心部分玻璃窗的面积5000m2,总建筑面积为48257m2.

⒉结构系统：

名古屋穹顶采用球面形单层钢网壳结构,中心网壳,其跨度D等于187.2m是目前世界上最大单层钢网壳,网壳矢高为32.95m,矢跨比为1/5.68.网壳支承在36m高的钢筋混凝土看台结构的拉环上,每个网壳基本单元为边长为10m的三角形,为了安装方便用4个基本单元组合为边长为20m.网壳杆件由φ650(t＝19mm～28mm)钢管制作,对于拉环为φ950(t＝50mm)的钢管,所有节点将承受多方向的轴力和六个方向弯矩,节点采用直径为d＝1450mm的铸钢节点,网壳结构采用地面组装整体提升就位.

⒊结构特点：

由于特殊的使用要求(密封、隔声、吊顶高限),本工程采用世界上最大的单层网壳,从结构概念出发,球面网壳在竖向荷载下,受力均匀,结构变形较小.

网壳基本单元取边长10m的三角形,连接节点为精密加工的铸钢节点,铸钢节点本身为轮形,传力均匀有效,外形美观.

壳网基本杆件为不同厚度的φ650钢管,外形美观统一,钢管无论拉、压、弯均为理想结构材料.

札幌穹顶(SapporoDome)2001年

建筑：HiroshiHara,Aterierφ&BNK

结构：MutsuroSasaki,Takenaka和Taisei集团

施工：Takenaka集团,Taisei集团等

顾问：YasuhikoHangai

⒈工程概况：

札幌穹顶是一个大型全天候、多用途的体育场,它位于札幌风景秀丽的Hitsujigaoka地区,穹顶提供的空间可举行各项体育竞赛,也作为2002年比赛场地,当举行垒球比赛时,可将足球场地移至室外,因此本工程设计有双重场地,天然草足球场地和部分看台可由气压托起在轮上移动,这些机械提供良好的比赛条件,两种场地的转换在5h内可完成.札幌穹顶可容纳43000观众.

⒉结构系统：

札幌穹顶的屋面为不锈钢板,穹顶屋盖结构为曲面钢网壳,为了满足足球场的室内外移动,屋面有一90m宽开放端,另外有二层90m跨的廊道在开放端通过.钢网壳的横向跨度为217.9m,纵向跨度228.6m,网壳最大距地高度67.4m,网壳本身厚度4m,在90m跨的开放端,在二端柱顶设计倾斜的预应力钢拉杆,和跨中压杆形成张弦梁结构,来承受屋顶网壳及二层廊道的巨大荷载.网壳结构采用正交放置的拱桁架布置成10m×10m基本网格,每个网格内有X形支撑提高了屋盖结构水平刚度,拱桁架高度为4m.网壳节点主要为焊接,部分为螺栓,较复杂的节点采用了铸钢节点.

⒊结构特点：

札幌穹顶建筑师根据使用要求利用结构概念将穹顶平面与剖面均设计成对网壳受力较为合理的形状,保证网壳传力均匀.

由于使用上要求作为足球场的天然草坪场地需要时可从端部向外移出,结构工程师与建筑师紧密配合,结合端部的二层廊道,从二侧结构柱顶设计了向下倾斜悬索和跨中二根压杆,与网壳开放端相接,悬索张拉预应力后,组成张弦梁结构,既支承了屋面网壳和两层大跨度廊道传来的巨大荷载,本身又形成自平衡体系.

网壳采用双向正交正放钢拱梁,便于节点构造和施工安装,在上弦平面在所有网格内加设X形支撑,便于增强屋面水平刚度,有效承受各种水平力.

新泻体育场(NiigataStadium)2000年

建筑：NikkenSekkei公司

结构：NikkenSekkei公司

施工：KajimaSHIMIZU集团和Taisei集团

⒈工程概况：

新泻体育场计划作为日本2009年全国运动会的主场地,也是2002年比赛场地,可容纳43000座.建筑师在体育场的屋面采用白色膜材,远远望去犹如很多白天鹅停留在体育场屋顶上,因此新泻体育场又称为大天鹅体育场.

新泻体育场建筑面积为36728m2,屋面膜材采用0.8mm厚的PTFE.

⒉结构系统和特点：

屋盖结构为椭圆形,长轴约240m,短轴约215m,沿屋盖纵横向的前沿设以三角形钢管空间桁架组成的主拱A、主拱B,沿屋盖同样用三角形钢管空间桁架组成拉环以平衡主拱的向外推力.在前沿主拱与拉环间设12道次梁,也用三角形空间桁架组成,根据膜屋面的外形沿屋盖外沿、次梁之间设钢管拱,在二道次梁范围内,前后拱之间加六道钢管平面桁架,平面桁架间隔一定距离设钢系杆,以固定屋面膜材.

崎育场(SaitamaStadium)2002年

建筑、结构：AzusaSekkeiCo.公司

施工：Kajima

⒈工程概况：

2002年半决赛在崎育场举行,这个体育场被规划为亚洲最大的用于足球赛的体育场,二个大屋面覆盖了2/3的观众席,如同一对白色的苍鹭伸展其双翼降落在田园地面.崎育场建筑面积为54420m2,屋面膜材为0.8mm厚PTFE,既透光又遮雨,膜面积29000m2,屋盖长230m,倾斜15°～30°,观众席63700个.

⒉结构系统与特点：

二个呈等边三角形屋面覆盖二侧看台,但主看台的屋面稍大于对面看台的屋面,沿屋盖的前沿为主拱架,跨度为196m,矢高18m,主拱架由H形型钢做成空间桁架,其余为钢管螺栓球节点组成的空间网壳,网壳厚度为5m,整个网壳及前主拱由四点支承,即前沿主拱的拱脚与网壳的后沿上的二点,四个支点均位于看台的外边柱上,在不影响使用前提下,缩短了网壳的支承跨度,也确保了网壳几乎覆盖三分之二的观众席,钢结构本身覆盖面积与有效的观众席覆盖面积的比值较小,大大节约了用钢量.另外,网壳仅四个支点与看台相连,各个方向来风均能顺畅流过看台,大大减小了风吸力对网壳的影响,也达到建筑美观的要求.

静冈体育场“ECOPA”(ShizuokaStadium“E CODA”)2000年

建筑：AXSSatowInc,MasaoSaitoh

结构：MasaoSaitoh结构设计PLUSONE

施工：KajimaJV等

⒈工程概况：

静冈小笠山(Ogasayama)体育场是一个集田径、足球等多项运动的综合体育场,总建筑面积31777m2,能容纳51349观众席位,是2002半决赛比赛场地.看台屋面采用强度高、自洁性好、0.80mm厚的PTFE玻璃纤维膜材,膜面积23000m2,屋盖倾斜度为7°～32°.

⒉结构系统与特点：

屋盖结构采用悬臂三角形空间钢管桁架,桁架总长50m,悬挑约40m,每榀桁架通过六根钢管与看台后侧的V形钢管柱铰接,在桁架后部设稳定索,可将钢桁架定位并平衡悬臂梁的弯矩,为了平衡风引力,在看台钢筋砼边柱顶向上增设抗风索,从而保证结构在各种荷载条件下均处于稳定状态.

膜结构屋盖与开敞式看台后端使风能顺畅流动,大大减小了风吸力对屋盖结构的影响,也使屋盖显得非常轻巧,膜结构屋面如同一个白色飞盘漂浮在看台上.

为了固定膜面层,在悬挑桁架之间用钢管做小拱,在钢管拱二端部各用二根短索,维持钢管拱的侧向稳定,钢管拱既成为膜屋面支点,也是大悬挑桁架纵向系杆.

在每二个大悬挑桁架的前端间设置空间桁架,悬挑桁架的后端设拉索,来保证悬挑桁架的侧向稳定.

结语

纵观日本1980年代以来部分现代空间结构,有如下几点体会：

⑴从20世纪开始至今,无论是奥林匹克运动会,足球赛,或者国际博览会,都是一次大跨度空间结构的展示会,每一届都会有新的空间结构诞生.这些创新的空间结构肯定是建筑师与结构工程师共同努力的结果.结构要创新需要建筑师在建筑方案创作时,对现代结构的概念有较深刻的理解,在建筑方案中为新结构体系的应用创造必要的条件,世界著名建筑设计大师矶崎新先生和丹下健三先生等都设计过大量大跨度空间结构的工程,大师们总是邀请日本著名空间结构专家、国际空间结构学会(IASS)主席川口卫先生配合或作为顾问,矶崎新先生很多建筑方案均采取暴露结构,或显示先进施工方法(如攀达法)的方案.日本空间结构专家川口卫先生每次来我国讲学时,都希望安排建筑师也来听课,希望建筑师具有足够的现代大跨度空间结构的结构概念.

⑵计算机技术、计算理论、计算手段的进步是空间结构发展的技术支柱.我国20世纪60～70年代也有一些空间结构,但当时结构计算的工具是计算尺和手摇机械计算机,如北京首都体育馆一个平板网架就要几十个工程师花费大量时间精力用变形协同的原理,将空间结构分解求解几十个未知数组成的代数联立方程,再用差分解求解这些未知数后,再计算杆件内力.因此计算手段严重影响空间结构的发展,20世纪80年代后计算机技术飞速发展,从电子管电子计算机发展为今天能实现高速运算的电脑,计算手段的革命促进了计算理论的发展,促进了结构体系不断创新.

⑶新材料、新技术的不断出现促进了空间结构的进一步发展,近三十年来结构用新材料的发明,如高强的H型钢、高强大小直径钢管、不锈钢板高强铝合金板、各类高强玻璃、高强钢铰线、高强钢丝束、复杂铸钢节点、高强膜结构面材(PVC,PTFE)、预应力钢结构技术、隔震减震技术、机械传动技术等等的出现均不断促进空间结构技术的创新和发展,新结构体系不断产生.

⑷国家国民经济发展水平直接影响到现代空间结构发展的速度,日本20世纪50～60年代初空间结构也很少,但在20世纪60年代后期,日本成为世界经济强国之后,从1960年代末开始,大量空间结构应运而生,如大阪博览会EXPO’TO,由6根柱支承的108m×291.6m的世大屋顶平台、赛士组展览馆(巨型充气结构)、大阪市会堂(90m×125m椭圆形平面)、20世纪60年代的日本国立代代木体育馆.从20世纪80年始日本大跨度空间结构发展速度更快,空间结构新结构体系、新材料不断创新.这充分说明经济是基础,经济的发展必然会促进现代空间结构的发展.结合我国的经济发展,从改革开放以来,我国国民经济连续高速度的增长,我国经济实力有很大加强,体育运动事业蓬勃发展,尤其2008年奥运会将在北京举行,大好的时机与我国国民经济发展,肯定将大大促进我国现代空间结构技术的发展.每一个建筑师和结构工程师应该珍惜这一个机遇,充分发挥自己的聪明才智,为我国空间结构事业的发展做出应有的贡献.

作者单位：北京市建筑设计研究院

收稿日期：2002年5月

2.秋田天空穹顶结构外形3.秋田天空穹顶拱单元

大阪顶剖面图

名古屋穹顶节点详图

名古屋穹顶结构剖面

名古屋穹顶屋顶几何图

扎幌穹顶屋顶平面和立面

扎幌穹顶弓桥结构

扎幌穹顶

新泻体育场

28.静冈体育场剖面29.静冈体育场平面