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北京工业大学体育馆:轻穹中的科技
http://tech.QQ.com  2008年07月29日15:07   腾讯科技    我要评论(0)

编者注:科技奥运之光 燃亮百年梦想,百集科技奥运故事会由全国科技活动周组委会授权腾讯网首发

科技奥运故事会第三十五集

北京工业大学体育馆:轻穹中的科技(01)

◎ 郑建初 主 讲

朋友们,今天我为大家讲述的是北京工业大学体育馆的故事。

北京工业大学体育馆位于北京市朝阳区东南部,毗邻东四环路,承担着北京2008年奥运会羽毛球、艺术体操比赛项目。体育馆主要包括比赛馆和热身馆两部分,设计造型轻盈美观。它的建筑设计紧紧围绕着羽毛球这个主题,从高空看去,体育馆犹如一个扁平的羽毛球,更显得场馆的视觉设计灵动。主馆拥有着球冠顶面,建筑的优美造型与合理的结构体系和谐统于一身。

下面,我先讲讲体育馆轻盈的穹顶。

钢结构体系是奥运体育场馆建筑的关键技术之一,纵观历届奥运会场馆,均有大跨度钢结构新体系和新技术的应用。北京工业大学体育馆大跨度的预应力弦支穹顶结构,跨度达93米,外层直径98米的穹顶,再加上两侧悬挑出来的两翼,其用钢量不到1200吨,相当于每平米60公斤。而鸟巢的用钢量每平米在400公斤左右,水立方每平米也有200公斤。

比较而言,工大体育馆只达到其他场馆几分之一的用钢量。这不由得让人提出疑问:和其他奥运场馆用钢量相差那么多,羽球馆的张弦穹顶结构到底结实不结实?

其实,无论在国内外,张弦穹顶结构的理论都已得到过验证,并收到了相当理想的效果。国际空间结构协会主席、日本建筑学会理事川口卫教授就曾设计过一个张弦穹顶结构的场馆,被他视为得意之作。此后,天津开发区的一个小型社区体育馆也尝试了这种造型。这两座建筑的张弦穹顶结构直径都只有30多米。而工大体育馆,要挑战的是需要5道环索、直径为93米的庞然大物。这么大的穹顶结构,靠什么来支撑?

我再讲一讲“预应力”体系成就轻巧。

“预应力”就是在构件中提前加力来应对钢结构本身所受到的荷载,包括屋面自身重量的荷载、风荷载、雪荷载、地震荷载作用等。而张弦穹顶结构,主要采用的就是预应力体系,这种特殊的结构使得屋面竖向荷载转为拉力,

如果您手边有一张弓,将它垂直放在桌子上,弓弦贴紧桌面。然后在水平面上转180度。弓背所形成的形状就是羽球馆的穹顶。由于弓弦拉起了弓背的两端,给它一个向上的力来和自身重力相抵消,这个向上的力,就是预应力。1200吨的穹顶,就是依靠这四两拨千斤的预应力支撑起来的。

实验证明穹顶能承受设计荷载的3.2倍的重量。

2006年4月中旬,一个比例为1比10的穹顶模型在实验室里开建,一个模型就搭了一个半月。随后,开始了繁复的动力静力实验,验证理论计算,进行安全性测试。

实验开始前,先要将重要节点和构件接上“传感器”,再连接到试验现场的两台计算机上。别看只有5道环索,因为中间有钢管相连,牵一发而动全身,每一步微小的调整都需要慎之又慎。之后分三次加重,动力静力实验还要穿插进行。一轮测试下来,至少要一个星期。

让我们来看看工大体育馆的数字:穹顶的极限承载力系数达到3.2,也就是说,它能够承受设计荷载3.2倍的重量,一般建筑的极限承载力系数达到1就安全。验证的数据表明,取“轻”也能达到更好的效果。

这里我要谈谈“细处具匠心 巧思出精工”。

羽球馆虽然没有国家体育场那么恢弘,也没有水立方那么秀丽,但它处处能体现出工大人的独具匠心。

在穹顶结构中,连接5道环索的,是编织成渔网般的钢管。而在这编织结构中,有102个万向可伸缩节点。所谓万向可伸缩节点,就是将环索和“渔网”交叉点的“死扣”改成“活扣”。

而“活扣”的做法,就是将固定节点分成两半,顶部固定的部分开凹槽,而底部的一部分则做成半球状,类似于人的关节。两个一套,受力性能更好,对建筑来讲更安全。这个一分为二的“活扣”,还在去年申请了专利。

您可能看不到这个万向可伸缩节点,但如果现在路过工大南门,您还能看到主场馆上头覆盖的钢管“渔网”。在以前的穹顶结构建筑中,连接环索的都是单根径向索。而北工大考虑到环索的强度本身要比钢管高4~5倍,为了让穹顶更安全,材料更匹配,每个连接处都接了两根拉杆,构成更加稳定的V形结构。建筑学家对工大体育馆“不是以柔克刚,而是刚柔并济”的说法,就是由此而来。

由于北京工业大学体育馆的结构国内外没有经验可以借鉴,施工前还特意对全过程进行了模拟研究与施工监控研究,通过模型实验确保可行,并确定了高空散拼的施工方法。另外,还专门把结构全寿命监控作为课题,进行钢结构体现长期跟踪,计算分析,维持结构的良好健康状态,并将参数的变化长期记录下来,通过分析为以后的结构设计提供借鉴。

体育馆的钢结构恰合了羽毛球轻盈的特点,屋盖的平均用钢量在每平方米60公斤左右,大大节约了用钢量,是节俭办奥运的典型实例。

朋友们,我讲了这些,你能想象得到吗?百闻不如一见,你喜欢羽毛球吗?我非常喜欢,我希望我们的体育健儿在奥运会上大显身手!

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