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阅读 704 次 勘察设计大师任庆英谈天津大学新校区综合体育馆创新设计

摘要:天津大学新校区综合体育馆项目体现了如何用混凝土来展现建筑、表达美。在该项目中,我有幸和李兴钢大师合作,获得了诸多奖项,特别是2017年国际建筑摄影展的一等奖、ArchDaily 2018年度建筑大奖等。下面从结构的角度介绍在设计中结构和建筑是如何融合,共同实现设计构想的。 ...

 勘察设计大师任庆英谈天津大学新校区综合体育馆创新设计

    任庆英,中国建筑设计研究院有限公司总工程师,全国工程勘察设计大师。主要结构作品:国家体育场(鸟巢)、首都博物馆新馆、北京梅地亚中心、北京金融街富凯大厦、北京奥林匹克花园(一期)、深圳京基金融中心、海南国际会展中心、南京青奥中心、天津大学新校区综合体育馆等。

    西南侧半鸟瞰

屋顶夜景鸟瞰

    项目概况

    天津大学新校区综合体育馆项目位于天津大学新校区,规模并不大,总建筑面积只有1.75万㎡,包括室内体育活动中心(以下简称体育馆)、游泳馆及廊桥。体育馆地上2层,结构高度23.350m;游泳馆地上2层,结构高度18.350m。体育馆、游泳馆及廊桥在地上通过防震缝分成3个独立的结构单元。

    总平面图

建筑方案演化

    建筑方案经过了一系列演化,最终实施的方案和初始方案有些区别,主要是从结构的角度对建筑方案提出了几点疑问:一是体育馆一侧的墙,原本的表达是直纹曲面墙体,墙体的上部是曲面,下部收成直线,但是实际上对应结构的体现正好相反,结构底部需要侧向刚度,如果收成直线的话,就变成了单向刚度,这样对出墙面方向的刚度太弱;二是体育馆的屋面,其一端是曲面而另一端收成直线,使得屋面从拱形变为平板,导致整个屋面要么平板一侧的厚度非常厚,要么需要设置高出屋面的梁构件提供抗弯刚度,结构上不顺畅,建筑效果也不好;三是游泳馆的屋面由几个跨度较大的筒壳组成,但这些筒壳并不是圆形筒壳,而是利用摆线形成的比圆拱更扁、壳跨更大的筒壳,随矢高需求的增加壳跨也相应增大,在如此跨度下,筒壳的体量较大,显得比较笨重。

    针对这些问题,我们提出了三点调整意见,得到了建筑师的认可。一是体育馆一侧的墙体,将其形式上下颠倒,使下部是曲面而上部收成一点,结构受力更加合理;二是体育馆的屋面,将原来的形式改成了筒壳形式,因为其高度和跨度比较相配;三是游泳馆的屋面,将筒壳改为两向交叉的锥壳,其好处在于交线是水平线,两向交叉之后在跨中即锥的半高位置形成了整个跨度的矢高,经计算,半高的高度基本上能够满足矢高的要求,同时因为交线刚好是水平线,也解决了屋面排水问题。

    方案演变(方案阶段)主要变化位置示意

    这些变化也体现在具体的结构构件上,如建筑内部支撑屋面的柱子由单一的直柱变为V字形斜柱。建筑中间部分的屋面是比较理想的直纹曲面,相当于壳下端是水平的,上端是拱形的,形成了从拱到直线变化的壳体。于是,利用这个形式做桁架,桁架的下弦是水平直线形,支撑相邻榀壳的下缘,上弦是上端拱形壳的一部分,因此形成一个合理的鱼鳞式结构。同时,桁架利用纤细的竖杆形成采光良好的天窗。这种做法在国际上已有先例,但是如此大跨度而且建成的实体目前还是首例。

    初设阶段的部分竖向构件

施工图阶段的部分竖向构件

建成的室内效果

    建筑平面

    平面采用拆分的形式,体育馆、游泳馆及廊桥在地上通过2条防震缝分成3个独立的结构单元,另外还有一个利用两侧桁架支撑的百米跑道。从游泳馆屋顶壳的平面布置情况来看,两侧实际上是一个三角形的平屋面,形成壳体成立所必须有的水平约束。虽然在屋面两侧有拱形天窗的下弦作为拉接,但是在如此大跨度中间如果不形成约束,壳体会产生很大的变形。因此,利用两边没有成壳的部分做成平板,对壳体形成了一定的约束。两侧拱形桁架的腹杆比较纤细,有利于侧窗采光。

首层平面图

二层平面图

    游泳馆这样的混凝土结构,其屋面比较重,在抗震方面是不利的,因为地震是惯性力,屋面越重惯性力越大。从平面上可以看出,游泳馆空间内多是单跨,抗侧力也会有很大问题,如果只有柱子,其侧向刚度严重不足,且柱子截面会比较大,这对体育功能的空间会有比较大的影响。因此,利用外部形式做成锥筒柱,形成较好的抗侧刚度。而且锥筒柱上部采用点接触,使得整个结构端部在水平力的作用下不至于约束那么大的弯矩。空间内部的柱子采用斜柱,也提供了较大的抗侧刚度。

    纵剖面图

横剖面图

    结构模型及分析

    结构模型模拟得非常真实,包括所有的结构构件以及建筑需要表达的内容。在计算机的辅助下,结构分析变得非常容易,只是要注意单元划分的精细程度。壳的受力分析比较复杂,有很多不同的工况,不仅有受力的问题,还有稳定的问题。

    从结构模型可以看出,游泳馆的柱子都是薄壁的锥筒形式,并不是实体,但是刚度比较大。从锥筒柱的分析可以看出,如果将其做成完全薄壁的形式,对于两个侧边的稳定非常不利,所以加大了其侧边的断面形成边缘构件,加强了边缘的稳定。

    屋盖形式

    建筑包含三种屋盖形式:一是体育馆的半圆筒壳,二是体育馆的直纹曲面板壳,三是游泳馆的双向交叉锥壳。为避免连续倒塌及屈曲,前两种屋盖形式均在边跨以不同形式设置了约束构件。

    体育馆的一部分是一个跨度约27m的半圆筒壳,对受力非常有好处,因为筒壳的矢高是均匀的,施工起来也比较方便。但是如此大的跨度,中间部分的约束实际上很弱,所以在两侧的筒壳中间各做了两块隔板,以平衡这两侧筒壳的侧向推力,使得中间壳体的约束变成可能。

    半圆筒壳边跨附加隔板

    体育馆的直纹曲面板壳部分,一个方向是拱形,按照拱的尺度做了一个桁架,全部采用竖腹杆,下弦实际上是一个拉杆,但因其要提供整个屋面一侧的支点,所以采用了预应力混凝土技术。另外结合建筑的窗,增加了一些竖向分隔作为竖腹杆,与建筑结合良好。

    直纹曲面屋顶边跨附加扶壁柱

    从游泳馆锥壳屋面的剖面图可以看到,锥壳的剖面是三角形,只能根据跨中的矢高确定其最大矢高。这一点也和建筑师进行了沟通,力图用满足变形限值的原则来确定合适的矢高。从锥筒柱的立面图也能看出,其上端收成一点,并采用橡胶支座来支撑上面的壳体。混凝土屋面在温度作用下会有变形,采用橡胶支座是为了不把整个变形传到柱子上,从而减小对锥筒柱的推力。

    边跨屋盖起约束作用

剖透视分析

    在本项目中,很多建筑概念的想法因有结构的合理对应和配合,最终呈现出非常好的效果。当外部光线照射进体育馆室内时,经不同壳体的反射,形成了非常美丽的光影。建造壳体的木模混凝土是用条形木板拼出来的模板印上去的,形成了漂亮的肌理,无需任何装饰。整个壳体的施工因李兴钢建筑师的高要求而呈现出高品质的效果。总之,项目经过建筑师和结构工程师的通力配合,通过朴素的结构体现出了建筑的建构之美,呈现出了空间的诗意表达。

    游泳馆室内

 游泳馆锥筒及屋顶结构细部

 自西向东看体育馆室内直纹曲面屋顶

西立面局部

 

西立面砖墙细部

天津大学新校区综合体育馆项目体现了如何用混凝土来展现建筑、表达美。在该项目中,我有幸和李兴钢大师合作,获得了诸多奖项,特别是2017年国际建筑摄影展的一等奖、ArchDaily2018年度建筑大奖等。下面从结构的角度介绍在设计中结构和建筑是如何融合,共同实现设计构想的。  文径网络设计整理  

    原标题:结构成就建筑之美——任庆英大师谈天津大学新校区综合体育馆创新设计  

 (本文来源:建筑技艺杂志网     文径网络数据中心:刘红娟 尹维维 编辑      刘真 方俊 审核)

   

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