勘察設計大師任慶英談天津大學新校區綜合體育館創新設計

    任慶英，中國建筑設計研究院有限公司總工程師，全國工程勘察設計大師。主要結構作品：國家體育場（鳥巢）、首都博物館新館、北京梅地亞中心、北京金融街富凱大廈、北京奧林匹克花園（一期）、深圳京基金融中心、海南國際會展中心、南京青奧中心、天津大學新校區綜合體育館等。

    西南側半鳥瞰

屋頂夜景鳥瞰

    項目概況

    天津大學新校區綜合體育館項目位于天津大學新校區，規模并不大，總建筑面積只有1.75萬㎡，包括室內體育活動中心（以下簡稱體育館）、游泳館及廊橋。體育館地上2層，結構高度23.350m；游泳館地上2層，結構高度18.350m。體育館、游泳館及廊橋在地上通過防震縫分成3個獨立的結構單元。

    總平面圖

建筑方案演化

    建筑方案經過了一系列演化，最終實施的方案和初始方案有些區別，主要是從結構的角度對建筑方案提出了幾點疑問：一是體育館一側的墻，原本的表達是直紋曲面墻體，墻體的上部是曲面，下部收成直線，但是實際上對應結構的體現正好相反，結構底部需要側向剛度，如果收成直線的話，就變成了單向剛度，這樣對出墻面方向的剛度太弱；二是體育館的屋面，其一端是曲面而另一端收成直線，使得屋面從拱形變為平板，導致整個屋面要么平板一側的厚度非常厚，要么需要設置高出屋面的梁構件提供抗彎剛度，結構上不順暢，建筑效果也不好；三是游泳館的屋面由幾個跨度較大的筒殼組成，但這些筒殼并不是圓形筒殼，而是利用擺線形成的比圓拱更扁、殼跨更大的筒殼，隨矢高需求的增加殼跨也相應增大，在如此跨度下，筒殼的體量較大，顯得比較笨重。

    針對這些問題，我們提出了三點調整意見，得到了建筑師的認可。一是體育館一側的墻體，將其形式上下顛倒，使下部是曲面而上部收成一點，結構受力更加合理；二是體育館的屋面，將原來的形式改成了筒殼形式，因為其高度和跨度比較相配；三是游泳館的屋面，將筒殼改為兩向交叉的錐殼，其好處在于交線是水平線，兩向交叉之后在跨中即錐的半高位置形成了整個跨度的矢高，經計算，半高的高度基本上能夠滿足矢高的要求，同時因為交線剛好是水平線，也解決了屋面排水問題。

    方案演變（方案階段）主要變化位置示意

    這些變化也體現在具體的結構構件上，如建筑內部支撐屋面的柱子由單一的直柱變為V字形斜柱。建筑中間部分的屋面是比較理想的直紋曲面，相當于殼下端是水平的，上端是拱形的，形成了從拱到直線變化的殼體。于是，利用這個形式做桁架，桁架的下弦是水平直線形，支撐相鄰榀殼的下緣，上弦是上端拱形殼的一部分，因此形成一個合理的魚鱗式結構。同時，桁架利用纖細的豎桿形成采光良好的天窗。這種做法在國際上已有先例，但是如此大跨度而且建成的實體目前還是首例。

    初設階段的部分豎向構件

施工圖階段的部分豎向構件

建成的室內效果

    建筑平面

    平面采用拆分的形式，體育館、游泳館及廊橋在地上通過2條防震縫分成3個獨立的結構單元，另外還有一個利用兩側桁架支撐的百米跑道。從游泳館屋頂殼的平面布置情況來看，兩側實際上是一個三角形的平屋面，形成殼體成立所必須有的水平約束。雖然在屋面兩側有拱形天窗的下弦作為拉接，但是在如此大跨度中間如果不形成約束，殼體會產生很大的變形。因此，利用兩邊沒有成殼的部分做成平板，對殼體形成了一定的約束。兩側拱形桁架的腹桿比較纖細，有利于側窗采光。

首層平面圖

二層平面圖

    游泳館這樣的混凝土結構，其屋面比較重，在抗震方面是不利的，因為地震是慣性力，屋面越重慣性力越大。從平面上可以看出，游泳館空間內多是單跨，抗側力也會有很大問題，如果只有柱子，其側向剛度嚴重不足，且柱子截面會比較大，這對體育功能的空間會有比較大的影響。因此，利用外部形式做成錐筒柱，形成較好的抗側剛度。而且錐筒柱上部采用點接觸，使得整個結構端部在水平力的作用下不至于約束那么大的彎矩。空間內部的柱子采用斜柱，也提供了較大的抗側剛度。

    縱剖面圖

橫剖面圖

    結構模型及分析

    結構模型模擬得非常真實，包括所有的結構構件以及建筑需要表達的內容。在計算機的輔助下，結構分析變得非常容易，只是要注意單元劃分的精細程度。殼的受力分析比較復雜，有很多不同的工況，不僅有受力的問題，還有穩定的問題。

    從結構模型可以看出，游泳館的柱子都是薄壁的錐筒形式，并不是實體，但是剛度比較大。從錐筒柱的分析可以看出，如果將其做成完全薄壁的形式，對于兩個側邊的穩定非常不利，所以加大了其側邊的斷面形成邊緣構件，加強了邊緣的穩定。

    屋蓋形式

    建筑包含三種屋蓋形式：一是體育館的半圓筒殼，二是體育館的直紋曲面板殼，三是游泳館的雙向交叉錐殼。為避免連續倒塌及屈曲，前兩種屋蓋形式均在邊跨以不同形式設置了約束構件。

    體育館的一部分是一個跨度約27m的半圓筒殼，對受力非常有好處，因為筒殼的矢高是均勻的，施工起來也比較方便。但是如此大的跨度，中間部分的約束實際上很弱，所以在兩側的筒殼中間各做了兩塊隔板，以平衡這兩側筒殼的側向推力，使得中間殼體的約束變成可能。

    半圓筒殼邊跨附加隔板

    體育館的直紋曲面板殼部分，一個方向是拱形，按照拱的尺度做了一個桁架，全部采用豎腹桿，下弦實際上是一個拉桿，但因其要提供整個屋面一側的支點，所以采用了預應力混凝土技術。另外結合建筑的窗，增加了一些豎向分隔作為豎腹桿，與建筑結合良好。

    直紋曲面屋頂邊跨附加扶壁柱

    從游泳館錐殼屋面的剖面圖可以看到，錐殼的剖面是三角形，只能根據跨中的矢高確定其最大矢高。這一點也和建筑師進行了溝通，力圖用滿足變形限值的原則來確定合適的矢高。從錐筒柱的立面圖也能看出，其上端收成一點，并采用橡膠支座來支撐上面的殼體。混凝土屋面在溫度作用下會有變形，采用橡膠支座是為了不把整個變形傳到柱子上，從而減小對錐筒柱的推力。

    邊跨屋蓋起約束作用

剖透視分析

    在本項目中，很多建筑概念的想法因有結構的合理對應和配合，最終呈現出非常好的效果。當外部光線照射進體育館室內時，經不同殼體的反射，形成了非常美麗的光影。建造殼體的木模混凝土是用條形木板拼出來的模板印上去的，形成了漂亮的肌理，無需任何裝飾。整個殼體的施工因李興鋼建筑師的高要求而呈現出高品質的效果。總之，項目經過建筑師和結構工程師的通力配合，通過樸素的結構體現出了建筑的建構之美，呈現出了空間的詩意表達。

    游泳館室內

 游泳館錐筒及屋頂結構細部

 自西向東看體育館室內直紋曲面屋頂

西立面局部

西立面磚墻細部

天津大學新校區綜合體育館項目體現了如何用混凝土來展現建筑、表達美。在該項目中，我有幸和李興鋼大師合作，獲得了諸多獎項，特別是2017年國際建筑攝影展的一等獎、ArchDaily、2018年度建筑大獎等。下面從結構的角度介紹在設計中結構和建筑是如何融合，共同實現設計構想的。  文徑網絡設計整理  

    原標題：結構成就建筑之美——任慶英大師談天津大學新校區綜合體育館創新設計  

 (本文來源：建筑技藝雜志網     文徑網絡數據中心：劉紅娟 尹維維 編輯      劉真 方俊 審核）

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