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奧運摔跤館內斂精巧落校園

作者：鋼結構網    
時間：2009-12-23 10:00:23 [收藏]

    坐落在中國農業大學校園內的奧運摔跤館即將完工，體育館外形別出心裁地采用了框架組合設計，使其自然地融入校園環境，但其中的能耗及鋼結構等問題，又給設計者提出了不少難題，今天我們請總設計師和總工程師為大家解讀其中的奧妙。

    走進中國農業大學東校區大門，向東北方走去，穿過校園中的林陰道，一座泛著金屬光澤、造型新穎的巨大體育館便赫然眼前。這就是2008年奧運會摔跤比賽的場館―――中國農業大學體育館。

    　　作為這座場館設計團隊的領軍人物，華南理工大學建筑設計研究院院長、中國工程院院士何鏡堂教授對這件作品非常滿意，因為從中標到最后實施，設計方案從沒有被改動過，這在建筑設計中非常少見。他認為，同校園環境相協調、造型簡單新穎、便于改造滿足賽后利用要求，是這個場館的主要特點。對此，農大體育館的另一位總設計師、華南理工大學建筑設計研究院副院長孫一民教授進行了深入細致的介紹。

    　　氣質內斂的體育館

    　　談到大型體育場館時，人們首先想到的往往是新穎的造型、完善的內部功能等等，但卻很容易忽視場館同周邊環境是否協調的問題。在這一點上，農大體育館的設計師們考慮得很充分，他們根據場館周邊的建筑和自然環境，把農大體育館設計成了一個“謙讓”的體育館，“謙讓”首先表現在場館的體量上。

    　　農大體育館雖是個奧運場館，但同時它還是一個高校體育館。農大校園狹窄，用地比較緊張，所以場館的體量也應當相對較小，于是場館的用地、體形、體量設計得都比較集中。這樣在校園環境中，人們看過去不會給人以壓迫感，又與周邊環境很協調。

    　　孫一民說，當初參與競標的幾家單位的設計方案，對與校園環境協調考慮得較少，都是按照社會體育館方式設計的，風格很張揚，給人以突兀之感，而這種謙讓的設計風格則是它在競標中取勝的重要因素。

    　　在減小體量、集中用地的同時，為了和環境更加融洽，設計師們還調整了主館和副館的位置。一般來講，體量小的副館放在南面比較合適，因為這樣在滿足副館采光的同時不會影響主館采光，但由于體育館北面有兩棟高層建筑，如果體量大的主館放在北面，加上兩棟高大的建筑，整個格局就顯得非常局促。于是設計師們把副館放在了北面，解決了格局局促的問題。

    　　站在即將完工的農大體育館面前，記者看到，它東面是操場，西面和南面是教學和辦公樓，在它們之間是寬闊的道路和綠化帶，格局自然舒適。在百年農大的校園中，充滿歷史感的建筑和散發著現代氣息的體育館和諧地融為一體，設計師的理念獲得了很好的實現。

    　　普通布料做出漂亮衣服

    　　設計“謙讓”的農大體育館，外形非常吸引人的眼球。一層層的框架組合，給人以強烈的層次感，內斂而不失大體。屋頂的斜向脊線讓整個建筑充滿活力。如此新穎的造型，結構卻非常簡單。農大體育館采用了工廠廠房常見的“門式框架結構”，使整體框架看上去就像一扇大門。不過廠房一般都采用相同規格的門式框架組成，而農大體育館則是用了不同規格的門式框架搭建起來的。

    　　孫一民說，門式框架這樣設計在我國還是第一次。這些形式固定，但高低、大小不同的門式框架組合起來，便形成了一種全新的形式。對這種傳統結構的創新應用，一位設計師做了一個很形象的比喻：“這就像一塊普通的布料，通過精心裁剪，照樣可以做出非常漂亮的衣服。”

    　　農大體育館的每一榀門式框架都有一個脊，而且每一榀框架的脊的位置都是錯開的。這些錯位的脊連接起來，最后在體育館的屋頂組成了一個“Z”字形的屋脊。這條“Z”字形屋脊除了讓體育館更有力感外，看上去，就好像兩個摔跤的人正在角力，不經意間，便呼應了奧運摔跤館的主題。

    　　采用技術成熟的門式框架結構作為結構形式，還可以使施工難度大大降低，讓工程質量獲得更高保證。而且，利用框架大小和高低差制造出來的天窗和側窗，為賽后使用降低能耗打下了基礎。

    　　天然采光節能降耗

    　　體育場館都是耗能大戶，對此，孫一民深有感觸。他說，在上世紀七八十年代，我們國家的體育館沒有天然采光，所有體育館大部分時間都不開燈，里面伸手不見五指，照明完全依靠燈光提供，耗能巨大。

    　　現在，農大體育館的天窗使室內采光效果非常好，賽后學校使用場館進行教學活動時，白天不用開燈，可完全依靠自然光滿足使用。孫一民強調說，天然采光的想法一直是他們所堅持的，由于一直堅持天然采光的理念，才引出了天窗采光的建筑形式。

    　　天窗的設計除了可以采光，還能夠增強室內對流通風，有效降低溫度，減少空調使用。但自然通風畢竟不能完全替代空調的作用，好在設計師想出了其他辦法減少空調耗能。

    　　由于農大體育館設有8000個座席，如果只設置一套空調系統的話，滿足奧運會的需求沒有問題。但在賽后學校的長期使用中，觀眾數量很少能達到8000人，屆時開動滿足8000人需要的空調，無疑會造成巨大浪費。

    　　為此，設計師們在體育館上下兩個區域，分別設置了2套空調系統，如果觀眾人數不多，就只開下面的空調；如果觀眾幾乎滿員，則兩套系統同時開，有效避免能源浪費。

    　　為了讓場館設計更加合理，有效節能，設計師們還使用了CFD技術輔助設計。CFD是“計算流體力學”的英文縮寫，它使用計算機軟件模擬分析建筑中的溫度、風速等條件。設計師們根據初步設定的屋頂高度、座席數量、出入口和通風口的數量和分布情況等條件，在計算機中建立了場館模型，從模型中可以直觀地看到風速、溫度等情況，分析人員會將結果反饋給設計者，如果與設計目標有差異，設計者就會調整設計方案，達到目標要求。

    　　靈活設計方便賽后利用

    　　正如孫一民開始所說的，農大體育館是一座奧運場館，同時也是一座高校體育館，在完成了奧運比賽任務后，還面臨著長期的賽后利用問題。設計者充分考慮到了這點，為它的賽后改造埋好了伏筆。

    　　具有賽事管理功能的副館，在賽后一般是沒用的，所以奧運大綱要求，功能用房盡量使用臨時建筑。但是校方希望賽后能夠在功能用房的位置建一個新的游泳館。對此，設計者的做法是將賽事的功能用房在賽后轉化成游泳館。現在，游泳館的泳池已經挖好，泳池將填上土，用輕質隔墻隔開房間就能供賽時使用了。在賽后，這些隔墻將被拆除，挖出游泳池中的填土，將其改造成為游泳館。出于長久使用的考慮，游泳館將使用抗腐蝕能力強的混凝土結構，以便很好應對游泳館內的空氣濕度、氯氣、消毒液等物質的腐蝕。

    　　賽后，原來的運動員用房也將改造為一個可以容納3個籃球場的熱身館。這是因為，如果能夠滿足籃球項目的熱身需要，其他如排球、羽毛球等項目的熱身需求，也就全部滿足了。并且，農大體育館的主場地是按照40×70米的規格來做的，這種規模的場地甚至可以滿足室內的5人制足球比賽需要，使場館的適應面大大增加。

    　　 總工程師:精確計算解決鋼結構安裝難題

    中國農業大學體育館由于在設計中基本采用了成熟技術，所以場館施工的進展一直有條不紊，馬上就要竣工交付使用。但這并不意味著整個過程一帆風順。

    　　中國農業大學體育館總工程師高建文坦言，中國農業大學體育館的鋼結構跨度較大，達到78米，由11榀桁架組成。桁架先在地面拼裝，整體就位后再進行分段吊裝、空中組對，然后進行高空焊接。在吊裝過程中，鋼結構桁架的撓度控制是施工過程中的主要技術難點。而應對這個難題，精確的計算發揮了重要作用。

    　　撓度，簡單說就是下垂問題。舉個例子，假如我們用手托起一張紙，會發現紙的兩側自然下垂，這種現象就是下撓。同樣，由于鋼桁架本身是一個偏于彈性的東西，當被吊到高空之后，也會有下撓現象發生，這種變形對施工控制精度提出了很高要求。

    　　對此，工程建設者們的做法是“預起拱”，也就是在吊裝前給鋼桁架施加一個反向的力，使其與下垂的力量相抵消。首先，他們通過嚴格計算，算出在吊裝過程中，鋼桁架將要下垂的合理數值。然后，在鋼桁架加工焊接時，使原本是“直”的桿件向上翹起，翹起的這個數值同先前計算出的下垂數值一樣。這樣，在吊裝過程中，利用鋼桁架本身下垂的特性，使原本翹起的部分逐漸恢復到正常狀態，從而達到使用要求。

    　　“預起拱”的方法解決了鋼桁架吊裝過程中的下垂問題，但這并不意味著萬事大吉。除此之外，對于鋼結構支撐點分布的計算是安裝中的另一個重要工作。在安裝鋼結構時，整個場館內全部搭滿了腳手架為鋼結構提供支撐。據介紹，中國農業大學體育館的鋼結構只有500多噸，但腳手架的重量就達到了1000噸。但是，既然起支撐作用的腳手架搭滿整個場館，為何還要專門計算支撐點的分布？高建文介紹說，腳手架呈網格狀，中間有很多空隙。所以腳手架和鋼結構的接觸并非面對面，而是點對面，因此這些點必須要確定好。對點的位置計算是通過計算機進行的，經過計算之后的準確點位，就可以為鋼結構提供準確而有力的支撐。

    　　很多人都看過國家體育場“鳥巢”鋼結構在完工后的整體卸載實況，而中國農業大學體育館鋼結構采取的卻是一邊安裝、一邊卸載。卸載方式是，第一次卸載鋼桁架有4榀，卸載時，第一榀降5公分，第二榀降2.5公分，后面兩榀不降。第二次卸載時，鋼桁架數量也是4榀，但原先的第三榀鋼桁架這次成了第一榀，其他3榀依次向后順延，并按照上次的幅度進行卸載。這樣不斷地依次卸載，最后完成全部鋼結構的卸載。對為什么每次都是降前兩榀桁架而后兩榀不降的問題，高建文解釋說，每榀桁架之間都是由焊死的橫桿連接，如果將剛性的橫桿全部都降掉，很容易使橫桿的焊縫產生變形。而逐步卸載，卻能讓連接的橫桿逐步適應這個力。而且這種分段安裝、分段卸載的施工方式可以提高效率，有效節省工期。


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