體育建筑中木結構的應用發(fā)展

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摘要:改革開放40周年，體育建筑發(fā)展至今，需要更加輕盈、高效的結構形式和建筑材料。在可持續(xù)發(fā)展觀與發(fā)揚延續(xù)傳統(tǒng)文化的背景下，大跨木結構的發(fā)展逐漸成為建筑設計師們關注的焦點。新型木結構的體育建筑不僅僅具有木材天然，環(huán)保的優(yōu)勢，而且還為體育建筑的發(fā)展提供了新的方向。

關鍵詞:木結構，體育建筑，木材，大跨度結構

1研究背景

我國當前城鎮(zhèn)化正處于由粗放型擴張向精細化增長，由增量開發(fā)向存量更新轉型的關鍵時刻。而體育建筑作為城市發(fā)展中重要的組成部分，也在城市發(fā)展的過程中產(chǎn)生了巨大的變化。體育建筑的設計重點逐漸向既有體育建筑的價值挖掘、功能提升性能優(yōu)化等方面轉移［1］。眾所周知，木材的保溫性能較其他材料更加優(yōu)秀，這樣的優(yōu)勢使得木材可以通過減少熱損失的方式在調(diào)節(jié)氣溫方面有效降低成本。如今越來越多的建筑師將木材作為的建筑材料加入建筑的結構設計制造、表皮紋理的技術表達等環(huán)節(jié)中。在處處可見“混凝土森林”的當代，人們越來越親睞自然清新的木結構［2］。木結構在逐漸走向成熟的建筑材料與技術的發(fā)展過程中衍生出多種多樣不同于傳統(tǒng)結構的形式，如桁架拱、傘形穹頂、樹形柱、空間網(wǎng)格。在現(xiàn)有的大跨木結構建筑實例中，它所營造的美觀造型和綠色自然的效果十分優(yōu)秀;因此在歐洲、北美和日本等發(fā)達地區(qū)木結構已被廣泛應用于體育館、展覽廳等大型公共建筑中［3］。

2傳統(tǒng)木結構在國內(nèi)外的發(fā)展與應用

2．1我國傳統(tǒng)木結構的發(fā)展與應用

中國是最早使用木結構的國家之一。其中最為經(jīng)典的木構建筑是五臺山佛光寺大殿和應縣佛宮寺釋迦塔。五臺山佛光寺大殿和應縣佛宮寺釋迦塔代表了我國傳統(tǒng)木構建筑的至高成就。佛光寺大殿的筑成與輝煌告訴人們，早在一千多年前木結構就可以實現(xiàn)藝術加工與結構造型的統(tǒng)一，體現(xiàn)力與美的完美結合。應縣釋迦塔經(jīng)歷了上千年的風吹日曬，據(jù)記載，僅烈度5度以上的地震就遭受過十幾次。千年不倒的應縣木塔充分表現(xiàn)出了木架構優(yōu)秀的抗震效果，這種剛柔并濟的設計特點甚至能夠比肩現(xiàn)代建筑學的科技水平。

2．2外國傳統(tǒng)木結構的發(fā)展與應用

早在公元2世紀，萬神殿柱廊之上便出現(xiàn)了木桁架。隨著西方國家拱券技術發(fā)展走向成熟，在鋼鐵被大量使用之前，木構件因其構件輕、強度大的特點常被加工用于穹頂結構。在中世紀時期，人們大力發(fā)展桁架結構用于滿足逐漸增大的建筑物跨度需求，如13世紀時就產(chǎn)生了哥特式風格桁架，15世紀，將肋拱與“托臂梁桁架”相結合，制作出更大的跨度［2］。在以歐洲為代表的西方建筑領域，桁架結構和拱券是常用的大跨木結構形式。因為石拱券產(chǎn)生的巨大側推力是石拱券結構中產(chǎn)生的不可避免的問題，所以人們?yōu)榱说窒叭a(chǎn)生的側推力，便將木材仿照石拱券制作，形成木拱券［5］。

3木結構的優(yōu)勢

3．1低碳環(huán)保

木材是可再生的生物質材料。木材在制作、運輸、供應建造的過程中產(chǎn)生的能耗要遠低于目前建筑材料中使用較多的鋼材與混凝土。木材作為一種對環(huán)境負荷極小的建筑材料，具有與環(huán)境親和度高的特點，木結構的構件不僅可以標準化生產(chǎn)，而且能滿足施工現(xiàn)場建造裝配的要求，使建筑周期縮短，從而降低施工建造中的能耗。

3．2保溫隔熱木結構建筑具有良好的保溫隔熱性能

木材作為天然的隔熱材料，密度較大的鋼材與混凝土等材料的保溫性能遠不如蜂窩狀結構的木材［7］。木結構的墻體和屋架體系由木基結構覆面板、保溫棉和木質規(guī)格材等組成。測試表明，610mm厚的磚墻，其保溫能力僅相當于150mm厚的木結構墻體，且在混凝土結構與木結構節(jié)能損耗的對比數(shù)據(jù)中，木結構可以節(jié)省50%～70%的能量。因此，木結構更適用于高標準節(jié)能要求［8］。

3．3安全耐久

不同構造的木結構在對石膏板等保護、裝飾性材料的運用下，可將其耐火時間從45min提高到1．5h。我國建筑的防火規(guī)范中對于一般耐火時間的規(guī)定為1h［8］。由于木結構的箱式結構能夠很好的將受力均分，自重較其他材料更輕且木結構具有良好的彈性功能，所以木結構在抵抗瞬間沖擊力與周期性疲勞破壞的方面有優(yōu)秀的抵抗能力，這些特點使木結構相比于其他建筑材料具有更加優(yōu)秀的抗震效果，木結構在地震時極少發(fā)生結構性損壞，從而降低地震造成的人員傷亡。

4體育建筑中木結構的應用實例

木結構具有優(yōu)秀的比強度與比剛度，是一種特別適合大跨度建筑的結構形式［3］。在現(xiàn)代科技的發(fā)展下，木結構體系早已不局限于其本身材料的運用，對木材的加工或將木材與其他材料進行復合加工形成一種新型結構材料的結構構建方式已然成為木結構發(fā)展的方向。其中，目前被廣泛運用于體育建筑的木結構形式就有膠合木結構、鋼木結構等。

4．1美國塔科馬體育館

膠合木是近幾年發(fā)展十分迅速的結構材料，它相較于鋼結構等其他結構具有自重更輕、耐火性能更好、在特殊環(huán)境中防腐蝕性能更好且更為綠色環(huán)保等優(yōu)勢，因此越來越多的大跨度建筑開始運用膠合木材料。位于美國的塔科馬市的塔科馬體育館采用了膠合木單層球面木網(wǎng)殼。塔科馬體育館的木結構穹頂直徑達到了162m，高出地面45．7m，且與一個13900m2的展廳相連接。為了提供不同種類的活動足夠舒適的尺度，設計師還將穹頂內(nèi)的座位設置為可調(diào)節(jié)的形式［10］。穹頂結構包括交織成巨大弧形的三角形木構架，它能夠承受龐大的荷載。每一根主肋被Varax彀互相連接起來，且被彎曲成最適應穹頂表面的曲線。這些六邊形的鋼連接構件能夠將軸線方向的壓力、剪力和彎矩從肋骨的端部傳遞到其他5根與之相接的肋骨。這樣的連接件使得穹頂形成一個三維的空間構架，能夠承載足夠的荷載［10］。比起傳統(tǒng)的穹頂建筑材料，木構穹頂有許多優(yōu)點。除了其支撐固定荷載的能力外，木構穹頂還能提供優(yōu)秀的聲學效果、熱學絕緣性能和防火能力。室內(nèi)表面鋪有聲學絕緣板，這些絕緣材料配合穹頂?shù)男螤睿纬闪艘粋€良好的具有劇院音質般音響效果的空間［10］(見圖1)。

4．2上海崇明體育訓練基地游泳館

鋼木結構是將鋼構件與木構件相互組合形成構筑物的結構體系。鋼木結構不僅能夠發(fā)揮鋼構件堅固耐用的優(yōu)勢，而且還能夠呈現(xiàn)出木構件豐富多樣的表現(xiàn)形式。鋼木結構的保溫和耐腐蝕的優(yōu)勢很大程度上解決了當前游泳館建設和使用中的難題。它可以有效減少冷熱橋，防止結露，也更耐游泳館含氯水汽腐蝕，避免破壞構造，影響使用［12］。以上海市崇明體育訓練基地游泳館工程為例，游泳館大廳長64m，短向跨度45m，布置有25m×50m游泳池及25m×25m的訓練池各一個。設計中，結構師提供可選的結構布置方案分別為平行拱和交叉菱形網(wǎng)格殼體。前者為單向的受力體系，空間作用差;后者縱向和橫向剛度更高，為空間作用結構體系。結合建筑師對于室內(nèi)空間均質肌理和韻律感的設想，選擇交叉菱形網(wǎng)格殼體方案，拱殼屋蓋與下弦拉索結合順應泳池空間短向布置，形成鋼木混合張弦殼體結構，既充分發(fā)揮殼體與張拉結構的綜合作用，又將結構形式與池岸泳池空間的不同高度需求相結合，實現(xiàn)了結構與空間的內(nèi)在結合［12］(見圖2，圖3)。

5結語

木結構是我國傳統(tǒng)建筑結構，探討其發(fā)展與應用對我國建筑發(fā)展及文化傳承有著重要的意義。目前我國關于木結構體育建筑的實例屈指可數(shù)，這意味著，在木結構體育建筑領域蘊藏著巨大的建筑設計潛力和推動體育建筑設計與木結構設計的巨大能量。將木結構與體育建筑的發(fā)展相結合，不僅能夠給體育建筑設計帶來新穎的表現(xiàn)形式，而且能夠將我國傳統(tǒng)木構建筑文化承載于體育建筑這樣龐大、具有標志性的建筑物從而孕育出新的文化符號。

作者：劉益東 劉偉 單位：長安大學