体育馆建筑的结构体系概述

2022-09-11

体育馆是在室内进行体育比赛和体育锻炼的建筑, 按使用性质可分为比赛馆和练习馆两类。从结构构成上讲, 体育馆的主要室内使用空间是由大跨度的屋盖结构及其支撑结构构筑而成。体育馆建筑无论从设计指标、安全疏散, 还是功能要求方面, 都比常规的建筑要复杂。结构技术在相当大的程度上影响着体育馆的建筑形状、功能组织、空间构成、流线安排、形象表现、经济效能、环境创造等诸多方面。

1 体育馆建筑的结构体系概述

体育馆是公共建筑中的重要类型, 但它具有三个区别于其他类型公共建筑的明显特点, 这就是以下几点。

(1) 适应现代体育多功能需要和大量观众视听需要的大空间观赛厅。

(2) 反映现代科技成果的大跨度结构体系, 它确保了观赛厅大空间成为可能。

(3) 反映现代体育建筑特点的空间形象, 它是前两者内在关系的、自然的、真实的外在显现。

这三者作为一个密切联系相互协调的整体表达了体育馆建筑力与美的性格, 体现了现代体育文化的内涵, 从而反映出社会时代的风貌, 这就是体育馆建筑的本质。

就空间观点而言, 体育馆可被认为是由一个主要的观赛厅大空间和许多附属的低矮的小空间所共同构成。因此, 结构的难点是根据建筑的需要确定合适的大跨度结构型式、形态和受力合理的下部支撑结构。目前常用于体育馆建筑的大跨度屋盖结构主要有三类。

(1) 平面结构体系 (PlateStructure System) 。

(2) 空间结构体系 (SpaceStructure System) 。

(3) 组合结构体系或称为杂交结构体系 (Hybrid Structure System) 。

三种结构体系组成了一个适应面较宽的系列, 其中尤以空间结构体系应用最广。这是因为它受力好、跨度大, 且能充分发挥材料性能, 能够适应各种建筑平面和空间的要求, 具有较好的经济效果。下部支撑结构的形式与上部大跨度结构体系有很大关联, 从某种意义上说, 大跨空间结构的体系形式将直接决定下部支撑系统的结构形式。下部支撑系统的结构形式一般有下面几类。

(1) 钢框架结构。

(2) 钢筋混凝土框架结构。这是最常用的结构形式。

(3) 钢筋混凝土框架—抗震墙结构。

(4) 主支钢筋混凝土筒结构。

(5) 巨型框架或巨型拱结构, 主要用于混合结构中。

2 大跨度屋盖结构

大跨度屋盖结构体系主要为满足观众厅开阔的空间视角要求和比赛场地的无阻挡要求, 对于训练馆则是要满足训练所需的体育项目的要求。无论是比赛馆还是训练馆, 都要使建筑物形成一个封闭的室内空间, 使比赛或训练不受时间和气候的限制。由于体育比赛和训练的特殊性, 要求场地的开阔和无阻挡, 所以, 大跨屋盖结构是体育馆设计中的首选形式。

(1) 平面大跨屋盖结构是传统的结构形式, 现在遗存的古建筑中可有许多这种结构形式。主要受力为平面受力, 很容易提取出平面受力简图。常用形式有拱式结构、单层刚架结构、桁架结构。这三种结构形式均可通过钢结构和钢筋混凝土结构材料实现。

拱式结构是一种有推力结构, 它的主要内力是轴向压力, 所以能够较充分地发挥和利用材料的强度。拱结构按结构组成和支承方式可分为三铰拱、两铰拱和无铰拱三种形式。

单层刚架结构一般是由直线形杆件 (梁和柱) 组成的具有刚性结点的结构。由于构件一般是由直杆组成, 因而制作方便、便于施工。单层刚架结构的受力特点是, 在竖向荷载作用下, 柱对梁的约束作用减少了梁的跨中弯矩;在水平荷载作用下, 梁对柱的约束减少了柱内的弯矩, 梁和柱由于整体刚性连接, 因而刚度都得到了提高。单层刚架一般按其组成和构造不同, 分为无铰刚架、两铰刚架和三铰刚架。

桁架结构受力合理、计算简单、施工方便、适应性强, 对支座没有横向推力。桁架结构的内部构件受力是以拉压力为主, 上弦受压、下弦受拉, 并以上下弦产生的力偶平衡外荷载产生的弯矩。桁架结构形式种类很多, 根据外形状态的不同分为三角形屋架、梯形屋架、抛物线屋架、折线屋架、平行弦屋架等;根据结构受力的特点及材料性能的不同, 可采用桥式屋架、无斜屋架、刚接桁架、立体桁架等。

(2) 空间结构大跨屋盖是当前体育馆建筑首选屋盖结构形式, 因其受力合理、空间跨越大、外形多样而广泛应用于体育馆建筑中。空间结构可分为单层和多层。单层的空间结构是包封型的, 也就是三维面层结构, 如薄壳、折板、单层曲面网格等。它们是轴向受力系统, 在其格构面的垂直方向上没有抗弯能力, 只有节点间的单个格构件能够起到相当于横梁的作用, 单层空间结构的强度是依据它们的几何形状 (折叠或变曲) 而获得的。多层空间结构是将空间的多面单元组合起来, 构成具有抗弯刚度的结构体系。例如, 平板网架屋盖, 它的厚度是强度和刚度的决定性因素。

3 下部支撑结构

体育馆建筑的下部支撑结构主要以竖向构件为主, 以及为了保持下部结构整体性和稳定性的水平构件构成。水平结构必须由竖向结构支承, 所以体育馆建筑中的竖向结构的目的是为了支承大跨空间屋盖从而为比赛和训练营造一个封闭的建筑空间。与水平方向相比, 体育馆建筑中的竖向构件的尺度通常比较小, 但是, 由于其水平方向尺度大, 所以保证其整体性和稳定性是体育馆建筑竖向结构的关键。体育馆下部支撑结构一般采用框架结构, 在部分体育馆结构设计中采用设置柱间支撑, 以有效地抵抗水平作用。在杂交结构中, 也采用周边框架支撑部分水平构件荷载, 而单独设置巨型框架或巨型拱承担大部分水平荷载;在有些体育馆建筑中, 大跨屋盖结构则完全支撑于这些巨型框架或巨型拱上, 下部框架结构只支撑楼层和看台构件并起维护作用。

4 基础形式

体育馆建筑的基础承担上部柱传来的荷载, 由于覆盖面积大, 所以柱子传来的荷载也很大。体育馆建筑的基础形式一般设计为柱下单独基础、柱下条形基础、桩基础, 前两种基础一般称之为浅基础, 后一种基础称之为深基础。在具体设计中可根据上部结构的形式、传力的大小和工程地质情况, 混合采用以上三种不同的基础形式, 但一般情况下深基础和浅基础分别应用于不同的结构块, 尽量避免混合使用。

5 结构构造与措施

结构构造是结构设计的有效手段, 也是数值设计的合理补充, 能够加强结构的整体性和延性, 增强建筑物抵抗不可预见作用的能力。体育馆建筑的结构构造主要涉及大跨空间结构的结构构造与措施和下部支撑结构的构造与措施。大跨空间结构的结构构造与措施主要指节点构造, 支座构造, 杆件长细比等方面;下部支撑结构的构造与措施比较多, 在结构概念设计阶段, 主要有无缝设计方法、短柱处理、屋盖支撑梁与相关柱、大跨度伸臂构件及斜柱。

摘要：体育建筑属于公共建筑的范畴, 由于大量的建设, 公共建筑在造型上和内在含义上的趋同化是社会化大生产的必然趋势, 也是其功能社会化的必然反映。本文从结构体系的角度分析了体育馆建筑的特点, 希望更够为体育馆建筑的设计发展提供一些借鉴。

关键词：体育馆,结构体系,概述