摘要： 20世紀人們為開放與交流而興建的建筑都有要求一個大的空間,其中有代表性的是體育、會議展覽和機場 建筑,并采用了不少引人注目的空間結構.文中評述了當代體育建筑中采用空間結構后些典型工程, 最后討論了另空間結構的發展水平和前景,并指出有必要扭轉結構形式與結構防護在設計上的被動局面.
關鍵詞： 空間結構 結構藝術
一、前言
當世界即將邁入21世紀之際，回顧人類發展的歷史，就可發現其中一個顯著的特點就是其活動空間的不斷改善與擴充。 遠古伊始，人類或挖洞穴居、或構木為巢，僅是為爭取勝一個生存的空間，隨著科學技術的發展，人們懂得運用各種材料建 造出更牢固、更舒適的空間。從古羅馬的圣彼得大教堂到當今英國正在興建的“千年
穹頂”，其直徑由42m擴大到320m ，就是一個鮮明的例證。
20世紀人類的活動更加走向開放，人們已不再閉關自守，而是不斷擴大國與國、洲與洲以至全世界范圍的交流。 這種需求必然會影響人類建設的格局。在各種交流活動中，體育比賽無異是一種最激動人心的方式。因此，奧林匹 克體育競賽館、世界杯足球比賽場……就在世界各地堀起。學術、文化、藝術與商業上的交流促使一些大城市建成 了規模龐大的會議展覽中心，此外，各種臨時性與永久性的
博覽會，也要求提供上萬平方米的面積。為了進行交流 ，人們要更多地乖坐飛機旅行，20世紀是噴氣式客機的世紀，因而大規模的候機大廳與飛機庫就在本世紀誕生。這 些建筑都有毫無例外地要求一個大的活動空間，因而跨度大、自重輕、造型富于變化就成為這些建筑的共同特征， 有時還要求所圍護的空間能夠隨時開啟與閉合。縱觀建筑結構的發展歷史，三維的空間結構是最能滿足以上要求的， 往往成為眾多結構方案中的首選。
在人類古老的建筑中早就已經出現了空間結構的痕跡,例如我國半坡遺址的居屋就是一個原始的空間骨架,而北 美印第安人從他們始祖繼承下來的棚屋,其以枝條搭成的穹頂與現代網殼則有驚人的類似.其后,自歐洲文藝復興時 代所出現的教堂建筑,以磚石構成的穹頂雖然又厚又重,但在某種程度上仍體現了空間作用.然而現代空間結構的出 現,應該從20世紀初期興建的
鋼筋混凝土薄殼算起,這應該道德歸功于先進
建筑材料—鋼鐵與
混凝土的誕生.第二次 世界大戰之后,百廢待興,大量的建筑使空間結構走向蓬勃發展的康莊大道.50年代后期以
桿件組成的空間網格結構 嶄露頭角,其中
平板形的稱為網架,
曲面形的稱為網殼.這種結構的桿件以鋼、木或
鋁合金制成,通過
節點組合成網狀 結構.以后又陸續出現了以受拉來主要受力特征的張拉結構,起初有以鋼索承重的
懸索結構,其后則有以
合成材料制 成建筑織物來受力的
膜結構.就結構自重而言,從磚石穹頂的6400㎏/㎡減少到膜結構的10㎏/㎡,說明了建筑結構飛 躍的進步.因此,空間結構已成為本世紀建筑結構學科中最重要與最活躍的發展領域之一.
空間結構建造及其所采用的技術往往反映了一個國家
建筑技術的水平,一些規模宏大、形式新穎、技術先進的大 型空間結構也成為一個國家經濟實力與建筑技術水平的重要標志.近年來,世界各國在體育場館、會議展覽中心與機 場的大規模建筑中采用了不少引人注目功能的要求.集中反映了當今的世界潮流,下面擬就體育建筑中采用空間結構 后些典型工程加以評述,并對中國今后空間結構的發展提出一些看法.
二、當代工程進展
體育建筑一直是空間結構應用的廣泛領域,其中網架又是在早期建造得最多的一種結構類型,60年代在美國洛杉磯 加利福尼亞大學體育館采用的
網架結構啟發下,中國用自己的力量設計與建造了首都體育館.當時加州大學體育館的尺 寸是91m×122m,采用正放四角錐網架,而首都體育館的尺寸則是99m×112m,采用兩向正交斜放網架.這個大跨度網架 的成功興建大大推動了網架在體育建筑中的應用,此后一些省市的主體育館幾乎無一例外地都有采用網架結構.1990年 北京為亞運會所建設的13項大中型體育館中,就有半數以上采用了網架結構,可見其影響之深遠.
近年來,可能由于平板型網架的外形過于單調,失去了建筑師們的偏愛.另外,由于計算機的迅猛發民展使曲面形 網殼的設計與制作大為方便,因而在體育建筑中網殼的應用有逐步上升的趨勢，特別是穹頂幾乎風靡了日本全國.
穹頂（dome）就其原意來說是一個半圓形的頂蓋，而用網殼建造穹頂并非新事，早在本世紀初，德國工程師 施威德勒（Schwedler）就發明了一種肋環斜桿型的網殼，這種以他名字命名的網殼一直在圓形屋頂的建設流傳。 70年代美國休斯頓的宇宙穹頂（Astrodome）和新奧爾良的超級穹頂（Superdome）也分別以196m和207m的直徑 保持了多年的網殼大跨度記錄。90年代這種穹頂在日本得到了振興，其名稱為被音譯為“多姆”（卜-）， 其外形也不限制為圓形了。一些城市的體育館都有被稱為“多姆”，象大阪、名古屋、大館、熊本以及札幌、仙臺 等地已建成或準備興建的“多姆”就不下二來個。這種穹頂的特點是，不僅可以用作體育比賽，還可以用作多種文 化活動與展覽的場所，這正符合了人們要求交流的需要，同時在建筑與結構上也有所創新.
日本名古屋穹頂（圖1）是當前世界上跨度最大的單層網殼。該體育館整個圓形建筑的直徑為229.6m, 支承在看臺
框架柱頂的屋蓋直徑則有187.2m,采用以鋼管構成的三向網格.每個節點上都有六根桿件相交,采用直徑為 1.45m的加肋圓環,鋼管桿件與圓環
焊接,成為能承受軸向力與
彎矩的
剛性節點.由于羅馬尼亞布加勒斯特穹頂的單層網 殼(直徑93.5m)在1961年的一次暴風雪后出現過倒塌事故,大跨度的單層網殼一直被視為禁區.名古屋穹頂之所以獲得 突破性的進展是與科研工作分不開的.在設計中曾對各種
荷載情況以及
抗震、穩定與施工過程中的缺陷進行了詳細的分析和研究.
大阪穹頂的中間部分是直徑為134m的雙層網殼,周圍與寬16m的Y形鋼
框架相連接,形成直徑為166m的圓形頂蓋.整個 網殼通過受拉環支承在九層高的框架上.如圖2所示,大阪穹頂在建筑上有一些特色,首先是在框架頂部建造了一圈作為 商業與文化娛樂用的拱形“節日大廳”,宛如浮云環繞著穹頂.此外,穹頂上部的頂棚可以上下移動以滿足不同的功能, 譬如體育比賽時,頂棚向上升高,形成寬敞的空間,而舉行文藝演出時,頂棚可以下調,以增強音響效果。
澳大利亞悉尼市為主辦2000年的奧運會而興建了一系列體育場館[3].其中國際水上運動中心與用 作球類比賽的展覽館采用了材料各異的
網殼結構.水上運動中心的屋蓋凈跨67m,采用帶
拉桿的圓柱形網殼(圖3).鋼管 桿件沿斜向布置并將推力傳給邊
桁架,沿縱向每隔25m設一道加勁拱形桁架.這樣形成的受力體系是:重力荷載由帶拉 桿的網殼拱肋承受,而
穩定性與
抗彎剛度則由加勁桁架提供.該館的一個特點是奧運會期間可向外增設8000個座位,為 此沿一側縱墻設置了一榀凈跨140m的拱形立體桁架,其斜桿用來懸吊網殼屋蓋并防止拱的側向壓屈。
皇家農學會的展覽館在奧運會期間用作排球、手球與羽毛球比賽之用,包括一個直徑100m的圓球形網殼與三個跨度為67m, 矩形
平面的圓柱形網.兩個網殼均為單層,采用三角形網格.桿件為
膠合木梁,兩端以鋼節點連接,可承受壓力與彎矩.如此大跨度 的單層網殼,穩定性是
結構設計上的主要考慮,三角形網格就可提供較強的
剪切剛度防止局部失穩.此外圓球殼采用較大的矢高一 35m,圓柱殼則每隔3m6加設V形桁架相連系.膠合木梁的桿件穩定性則以
固定在梁頂部的連續
圓鋼管檁條來保證。
由于建筑織物這一新
型材料的出現,使膜結構逐漸得到了應用。當代日本的穹頂開始于東京的后樂園球場。這個 直徑204m的氣承式空氣膜結構以其最先進的自動控制技術來維持屋蓋的安全。在此之間，美國的一些氣承式空氣膜結構體育館 曾多次發生事故。因此這個機械、電子與土建相結合的
智能建筑多少消除了人們的擔心，也使日本建設省下決心批準這種空氣 膜結構可以作為永久性建筑。然而，曾幾何時，昂貴的運轉與維持費用又使后樂園背上了沉重的經濟包袱，以致日本以后的穹 頂大多采用空間網格結構來支承膜屋面。
位于日本雪國秋田“空中穹頂”建于1990年，當時是僅次于后樂園的大型室內運動場。建筑切取球體的一部分， 長邊為130m，短邊為100m，高30m，采用骨架支承膜結構（圖4）。屋蓋的格構式空間拱系沿長向為空腹拱、沿短向為鋼管拱， 交點為剛接。沿長向還設置鋼索，以便對膜面施加
張力，從而在屋面上形成V形槽溝，使雪易于滑落。另外利用緊
貼膜面的鋼管 拱作為通道，向其中送暖風，對屋蓋起融雪作用。屋面膜材為單層
玻璃纖維織物涂敷特氟隆。這是位于寒冷地區的體育館采用 大跨度膜結構的成功范例。同樣位于秋田的大館穹頂，其屋面也采用了V形膜面，但為雙層，支承骨架則是膠合木拱。這個平 面為卵形的網殼（178m×157m）因地制宜地采用了當地生產的
木材，成為當前世界上最大的木穹頂。值得注意的是，有一些大 跨度網殼采用了
木結構，一方面是利用木材便于受壓的特點，一方面也是由于當前“
綠色建筑”的潮流所驅使。
日本熊本公園體育場，不像東京后樂園那樣采用全封閉的氣承式空氣膜結構，而是在主屋蓋部分采用了雜交索加強雙 層氣承式空氣膜結構，其基本設計思想是使屋蓋像浮云一樣覆蓋在大地上。雙層空氣膜結構直徑為107m，中心部分設置了高 14m的圓錐形
鋼結構中心環。中心環與周圍的環狀桁架之間由上下各48根鋼索連接并覆蓋以膜材，完工后向雙層膜中加壓， 以保持其設計開頭結構體系和雙層空氣膜的構成如圖5所示。熊本穹頂是由傳統的氣脹式空氣膜結構和車輪型索結構復而成。 鋼索不僅是作為膜的加強材料，也是主要的承重結構，形成了融合兩種特色的雜交結構。
70年代，美國蓋格爾總結了氣承式空氣膜結構的經驗教訓，在已故著名結構專家富勒創始的“張拉整體”（Tensegrity） 體系這一概念的基礎上，首先提出了以索、膜與
壓桿組成的“索穹頂”設計，荷載從中心受拉環通過一系列幅射狀脊索、受拉 環索與斜
拉索，傳到周圍的受壓圈梁上。這種結構成功地被用在1986年韓國漢城奧運會的體操館與擊劍館上，其直徑分別為 120m與93m。其后索穹頂得到了不斷地創新與發展，用于美國伊利諾斯州立大學紅鳥體育館（橢圓形91m×77m）、臺灣桃園體育館 （直徑136m）以及佛羅里達的太陽海岸穹頂等工程其中跨度最大的是太陽海岸穹頂（圖6），由于直徑達210m，設置了四道受拉環索， 為了滿足棒球比賽的要求，屋蓋傾斜為6°，最高點離地面68m，使空間符合飛球的射線。
玻璃纖維膜材
敷設在主結構的脊索與幅射狀的 谷索之間，后者將膜材下壓并張緊，同時也便于
排水。
美國李維也繼承了“張拉整體”的構想，并采用了富勒以三角形為基礎的屋蓋體系，開始稱為“雙曲拋物面一張拉整體穹頂”， 以后注冊“騰星”（Tenstar）穹頂，其處女代表作就是1996年在美國亞特蘭大舉行的奧運會主館—佐治亞穹頂。這個尺寸為235m×186m 的擬橢圓形
索膜結構構成為世界上最大的室內體育館。穹頂的上索網采用三角形網格，膜采用菱形單元以便形成具有足夠剛度的雙曲拋物面。 以后這種穹頂又用于阿根廷的拉普拉達體育場，平面由兩個重疊的圓（直徑為85m，圓心相距48m）組成，具有雙峰的外形。兩個騰星穹頂支 承在看臺頂部周邊三角形桁架和中間鋼拱架上。屋面采用22%
透光率的新型織物，加上周邊開敞和良好的
通風系統，使得草坪得以生長。
在所有的體育建筑中，體育場可說是變化最大的，也最富有特點。最初的體育場不過是一片沒有遮蔽的露天場地，周圍設置了一些看臺 ，以后勤部部分看臺上加了挑蓬，其懸挑的跨度不過十來米。隨著需求的增長和技術的進步，不但懸挑跨度越來越大，覆蓋的范圍也發展到 了全部看臺，僅留下了中央的一部分露天比賽場。然而，體育場的發展并未到此為止，中間部分的頂蓋還能做成晴天開敞、雨天遮蔽的開閉 結構，以至體育場和體育館之間已沒有什么嚴格的界限了。
近代體育場的興起首先要歸功于世界杯足球賽，因為每次比賽都要在若干個城市的足球場上進行角逐，像1990年世界杯賽在
意大利舉行， 就新建或改建（加蓋）了11座體育場。其中羅馬奧運會體育場原建于1960年，平面尺寸為308m×237m，改建時采用了以幅射狀索桁架與受拉 內環相結合的結構體系，懸挑跨主工業區50m。新建的巴里足球與田徑場則以成對的懸挑箱形鋼拱作為承重結構，最大懸挑跨度為26m。兩者 都采用涂敷特氟隆的玻璃纖維布作為屋面。
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