结构建筑学 (Archi-Neering) 是以结构主义思维方式为基础, 以结构理性主义为原则, 渗透结构、暖通、电气各工程设计需求并以之为创新触发媒介的建筑设计理念。这一理念不仅要求结构和建筑互相发现、吸引对方, 更是跨越二者简单合一的初级状态, 形成一种互相渗透、解放、激发本体创新的动态设计过程。体育建筑一般为大跨度结构, 需要秉承结构建筑学的理念, 将体育建筑的结构、形象和空间有机结合, 达到“结构成就建筑之美, 建筑展现结构之妙”的设计效果。

建筑和结构的关系应该是一种互相吸引和交流的关系, 有点像婚姻关系, 要有包容、理解之心, 这样才能相互成就。这正是Archi-Neering所体现的内涵, 也是我们多年来所追求的体育建筑的“本质”, 即体育建筑空间、造型和结构的完美结合。

体育建筑中建筑与结构设计的协调与融合主要体现在结构体系、结构构件和节点三个层面。

结构体系应满足体育建筑空间和造型要求, 即应根据建筑外部造型和内部空间选择合适的结构体系, 满足建筑的使用功能要求 (图1～3) 。如宝安体育场、伦敦自行车馆和德班体育场项目通过结构表现建筑造型, 营造出通透的室内建筑空间, 实现了结构与建筑的完美融合。

结构体系要和室内空间感受相吻合。常熟市体育馆采用六道环索的联方形弦支穹顶结构 (图4) , 降低了撑杆高度, 满足了建筑对室内净空高度的要求。列治文奥运滑冰馆采用新型的木拱结构体系, 与室内装修风格完全一致 (图5) , 达到了结构体系和建筑风格的统一。

结构体系选材应满足建筑功能要求, 根据建筑使用功能选择合适的结构材料。顾拜旦五项赛事中心室内湿度较大, 采用了防腐性能较好的铝合金单层网壳结构 (图6) 。俄罗斯喀山游泳馆位于气候恶劣地区, 为了赋予建筑内部独特的外观, 并给人以温暖亲切感, 采用了胶合木结构 (图7) 。

结构体系的选择应与自然采光相结合或采用与结构融合的采光体系。鲍思高学校体育馆巧妙地将自然光引入室内 (图8) , 节约能源的同时也提高了能源利用效率。同济大学嘉定校区体育馆将导光管和张弦梁撑杆进行一体化设计, 营造出满天星的效果, 增强了建筑的光影效果和艺术表现。

结构构件本身需要具有美感, 可以通过重复布置的方式产生节奏感和韵律美, 帮助建筑师实现建筑的艺术效果 (图9) 。

结构构件需要通过合理的布置达到合理的受力, 体现力与美的结合。复旦正大体育馆采用拱结构承担部分屋面荷载, 拱截面比较纤细, 满足建筑造型的需要。屋盖吊索形成琴弦式扇形布置, 展现出力与形的轻柔之美 (图10) 。

结构节点可采用隐藏式设计, 以实现纯净的室内空间。在崇明体育中心综合训练馆的节点设计中 (图11) , 铝合金单层网壳采用不锈钢板式节点, 节点与结构体系能够完整融合在一起, 实现整洁有韵律的内部空间。崇明游泳馆节点在安装前开孔, 完成螺栓和铆钉安装后加盖节点盖板, 避免螺栓外露, 保证了室内效果的完整性 (图12) 。

对节点进行精细化设计, 充分体现建筑之美。同济大学嘉定校区游泳馆的张弦梁采用了撑杆与节点一体化设计 (图13) , 节点精细美观。列治文奥运滑冰馆的主拱端部采用了销轴节点 (图14) , 具有很强的机械感。崇明游泳馆下部拉索节点采用了精细化设计 (图15) , 表现出强烈的设计感和韵律感。

五源河体育馆为18 000座甲级体育馆, 是结构体系和结构构件层面与建筑空间和形象相融合的典范 (图16) 。其屋盖呈马鞍形, 平面为187m×140m的椭圆形, 中央大跨度, 屋盖平面为136m×95m的类椭圆形采用辐射式鱼腹桁架结构体系 (图17, 18) , 与马鞍形造型完全贴合, 满足中央比赛大空间所需的围合效果。

在构件层面, 28榀鱼腹式桁架连接中央环和看台后端的钢柱。序列化的布置方式使中央大跨屋盖形成一个共同受力的整体, 呈现出律动的室内空间 (图19) 。轮辐式鱼腹桁架结构体系中央的受力钢环可用于悬挂中央投屏 (图20) , 同样满足建筑功能的需求。

同济大学嘉定校区体育馆的结构设计与建筑设计相融合, 其构件和节点设计在表达建筑师的设计理念上具有突出的亮点。体育馆采用单曲面的建筑造型, 跨度为纵向76.5m、横向60m, 包括有看台的体育馆和游泳馆 (图21) 。体育馆采用张弦梁结构体系, 完美贴合建筑形象, 创造了令人满意的内部建筑空间 (图22) 。游泳馆采用了可开合的张弦梁体系 (图23) , 在满足建筑功能的同时, 开合屋盖可以保证结构绿色环保, 节省运营成本。

在构件层面, 体育馆引入导光管的设计, 将自然光引入室内, 节约能源、绿色环保 (图24, 25) 。同时张弦梁腹杆和导光管采用了一体化设计, 将导光管放在撑杆内部, 避免导光管占用建筑空间, 创造了满天星的建筑艺术效果。

游泳馆的滑动屋盖采用了屋面, 立面一体化设计 (图26, 27) , 将单层网格屋面和立面结构结合的设计可以将屋盖的轨道设置于地面, 进而减少屋盖滑动对整体结构的影响, 满足建筑功能的需求。

在节点层面, 游泳馆开合屋盖的张弦梁撑杆与上弦采用了圆滑的过渡, 造型简洁美观。撑杆底部索夹节点采用了一体化设计, 节点精细美观。对体育馆张弦梁下部索夹节点进行了精细化设计, 将拉索布置在撑杆两侧, 避免了结构对导光管的影响。在施工张拉时, 索夹节点允许拉索滑动, 再将拉索锁紧, 避免施工张拉过程中在撑杆上端产生较大的弯矩 (图28) 。

崇明体育中心游泳馆是采用新型材料满足建筑功能的典型案例。在结构体系、结构构件和节点三个层面均对建筑设计概念有着突出的设计表达。

游泳馆为跨度45m的无看台游泳馆, 建筑造型为矢跨比接近1/9的筒壳, 建筑内部造型要求无装饰 (图29) 。结构体系采用了钢木索组合单层交叉网壳结构 (图30) :结构体系与建筑外表皮纹理相互对应;内部空间采用胶合木, 在营造温馨的气氛和建筑亲和力的同时满足“不结露、无吊顶”的建筑功能需求。游泳馆采用了可再生木材作为承重结构的材料, 绿色环保, 经过处理后防腐性能较钢材更好, 维护费用更低。

在构件层面, 木材具有较低的弹性模量和抗剪强度。设计根据结构的受力特性将木构件布置于中部六跨 (图31) , 钢构件布置于端部两跨。钢木组合结构的形式提高了各类材料的使用效率。与纯木结构相比, 可降低60%造价。为保证结构刚度, 在木构件所在跨度内布置与钢木网壳结构方向相同的交叉拉索。通过布置拉索, 可以优化上部单层网壳结构, 大幅减少界面尺寸。

由于筒壳结构支座处具有较大的推力, 为了抵抗结构产生的推力, 在结构外部设置序列化排列的V形柱 (图32) 。V形柱的设计既满足了结构的受力要求, 同时结合了建筑造型和建筑艺术, 将V形柱设计成艺术化的构件。

对本项目的木结构节点还进行了优化设计, 采用了专门的镀锌钢板连接节点, 交叉网格处一根构件贯通, 其余两根构件与其连接, 最大限度减少构件数量和节点连接量 (图33) 。通过加盖板的方式, 木结构节点实现无螺栓外露, 保证了结构构件的完整性。优化后的节点设计既提高了木结构的安全性能和施工安装速度, 又通过结构细部表现出了建筑之美。

拉索撑杆的下端采用梭子端头 (图34) , 减小构件截面, 同时伸出4个耳板与索头节点相连。整个节点不但受力合理, 而且轻巧美观, 具有良好的设计感和韵律感。

基于结构建筑学概念的大跨度体育建筑的结构设计, 应当将结构体系、结构构件和节点细部与建筑空间、建筑造型和建筑功能等方面进行融合与协调, 更好地表达建筑师的设计理念, 最终达到“结构成就建筑之美, 建筑展现结构之妙”的效果。在未来的大跨度体育建筑的设计工作当中, 将建筑和结构进行融合与协调将是大势所趋。