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結構中力的傳遞路徑應該是清晰可見的，這正是sbp的結構工程師所希望展現(xiàn)的結構可讀性。當建筑用材與構件截面不被強制規(guī)定時，對結構體系創(chuàng)新，針對建筑自身的特進行設計與建造。

© sbp / Marcus Bredt

五月末六月初，歐洲冠軍聯(lián)賽剛結束，馬上又將迎來世界杯的哨音。本期將向大家介紹由sbp首創(chuàng)的輕型結構體系——環(huán)索屋蓋結構體系，以及相應體育場案例。

預應力鋼索可以在耗費很少材料的情況下實現(xiàn)很大的結構跨度。但對于索網(wǎng)結構而言，其對應于索的錨固而產(chǎn)生的造價會很高。鋼索端部的錨固是實現(xiàn)索網(wǎng)結構樣式多樣化的前提，但是這需要耗費大量的錨固基礎，索網(wǎng)扣件、錨固件等。

環(huán)索屋蓋結構充分發(fā)揮了預應力鋼拉索結構的優(yōu)良特性且規(guī)避了其短處，其結構構造類似于輪輻。剛度很小的輪輞在單獨工作的時候很小的外力就可以讓其產(chǎn)生屈曲。通過輻條的預張拉后，輪輞的剛度則得到了加強。

根據(jù)實際項目屋蓋造型、屋面覆蓋材質等的不同，環(huán)索屋蓋結構體系演變出了兩個壓環(huán)一個拉環(huán)、一個壓環(huán)兩個拉環(huán)、一個壓環(huán)一個拉環(huán)等不同的類型以滿足建筑需要。

巴西馬拉卡納體育場是為1950年巴西世界杯而興建的一座足球場，它在建成時能夠容納20萬名觀眾觀看球賽，是當時世界上最大的體育場。球王貝利在馬拉卡納體育場打進了他效力巴西國家隊的第一個進球，也是在馬拉卡納體育場打進了他為國家隊效力的第1000個進球。1950年7月16日，相當于里約熱內盧1/10人口數(shù)量的觀眾涌入了馬拉卡納體育場，含淚在自己家門口見證了巴西隊在世界杯決賽上以1:2輸給了烏拉圭。

為了迎接2014年世界杯以及2016年夏季奧運會，馬拉卡納體育場于2010年3月開始重修工程。體育場的上層觀眾席被進行了加固翻新，而下層的觀眾席則直接進行了拆除重建以確保更好的觀賽視角。對于當時的馬拉卡納體育場重修工程，主要問題是屋頂。工程師提出一個環(huán)索屋蓋結構解決方案，這個屋蓋在結構高度是如此的小，以至于它可以作為一個整體嵌入原混凝土結構，而不改變足球場的外觀輪廓。

馬拉卡納球場的環(huán)索屋蓋結構由一個外圈壓環(huán)，三個拉環(huán)以及兩者之間的徑向拉索組成。為了放置該環(huán)索屋蓋，舊的混凝土屋蓋懸挑梁被移除。對應于下部混凝土結構環(huán)形布置的60根混凝土柱，環(huán)索屋蓋結構也分成了60個單元。截面尺寸為1m x 2m的外圈壓環(huán)就放置于混凝土柱頂。這60個連接節(jié)點中有52個是不傳遞橫向力的，風荷載等引起的水平力僅通過4對對角切向布置的錨固件傳遞給下部混凝土結構。

▲馬拉卡納體育場 – 改造前 before renovation (photoby: Reprodução)

▲馬拉卡納體育場 – 改造后 after renovation © sbp/Marcus Bredt

位于烏克蘭的基輔國家奧林匹克體育場的前身叫做 “列夫托洛斯基紅館”。在20世紀20年代初，基輔當?shù)亟ㄔ炝诉@座“紅館”用以舉辦第二屆全烏克蘭奧林匹克運動會。建造完成至20世紀末，這座體育館幾經(jīng)改名和修整重建。2007年，波蘭和烏克蘭聯(lián)合申辦歐洲杯成功，基輔市在原體育場既有結構的基礎上改造建設了基輔國家奧林匹克體育場。

基輔國家奧林匹克體育場 - 改造前 (photo by: René Hoeflaak)

基輔國家奧林匹克體育場保留了大部分建于1968年的的原混凝土看臺結構，屋蓋結構則通過設置在看臺結構外圍的鋼結構立柱進行支撐，這樣避免了將屋蓋結構的自重和承受的外力直接作用到原混凝土結構及其下部基礎上去。

鋼結構立柱的數(shù)量以及空間布置遵循了原看臺結構混凝土柱的布置原則，原結構的80條徑向軸線上對應設置了80根支承屋蓋的鋼結構柱。在鋼結構立柱上，采用了設置2個外圈壓環(huán)和1個內圈拉環(huán)的輕型環(huán)索屋蓋結構，屋蓋頂部通過張拉膜進行覆蓋。

對于該體育場，由于設置了環(huán)繞足球場的跑道，且該跑道在長軸方向為長直線，在短軸方向為半圓弧，這樣的設置在一定程度上定義了整個體育場的幾何形狀，而如此的幾何形狀對于拉壓環(huán)結構來說較為不利。因為該幾何形狀的曲率變化較大，而拉壓環(huán)的曲率對結構內力有很大的影響。

結構設計師將支承屋蓋的鋼結構柱設計成了在半柱高位置向內折的折線形式，且對于沿體育場長軸兩側布置的鋼結構柱，其折角較小，而對于沿著體育場短軸兩側布置的鋼結構柱，其折角則較大。如此一來，較之體育場內場的幾何形狀，鋼結構柱的頂點閉合環(huán)和中間折點閉合環(huán)的在幾何曲率上有了更好的連續(xù)性，而兩個閉合環(huán)即可作為屋蓋結構的外圈壓力環(huán)。

▲折線形鋼結構梁以及上下兩個壓環(huán) (圖片來源：JaegerF., Next 3 Stadia (p.100),2012)

© gmp Architekten

© sbp/Marcus Bredt

© sbp/Marcus Bredt

建筑師：gmp- Von gerkan Mark und partner

業(yè)主方：Nationalenterprise Olympic NSC

結構形式：輪輻式工作原理的環(huán)索屋蓋

長度：306m                        寬度：236m

高度：65m                          座位：68,000個

竣工時間：2011年5月

加拿大卑詩省體育館在1981年到1983年間建造完成并于1983年6月19日正式開放。其開始建造時是為了用作不列顛哥倫比亞雄獅隊和溫哥華白帽隊的主場。建成時這座體育場的屋蓋結構為氣承式膜結構穹頂，在當時該穹頂屋蓋是世界上最大的之一。該穹頂結構屋蓋在2010年和2011年間的翻新工程中被環(huán)索屋蓋結構替代。

對于卑詩省體育館的環(huán)索屋蓋結構，徑向鋼索向外連接于36根巨型的立柱，而這些立柱則沿著體育館外邊線設置于原結構之上。整個屋蓋結構由一個外壓環(huán)和一個內拉環(huán)組成，可以提供足夠的剛度以承受溫哥華地區(qū)200 kg/m²的雪荷載。

在該屋蓋結構的內圈，還設置了另一個可開合式的膜結構屋頂，這個膜結構屋頂?shù)拈_合用時約為10分鐘。屋蓋上鋪設的透光率較大的面積達9500 m²的ETFE膜對建筑外觀及建筑內部采光都有了很積極的影響。

© Michael Elkan

建筑師：Stantec, Vancouver

業(yè)主方：BCPlace, Vancouver

合作單位：GeigerEngineers (engineer of record: David Campbell)

長度：261m                                  寬度：220m

固定屋蓋面積：32,500m2            可開合屋蓋面積：8,500m2

座位：56,000個

在中國，sbp結構師事務所陸續(xù)在深圳寶安體育場、東莞體育中心、蘇州工業(yè)園區(qū)體育中心、海口五源河體育場等項目上均采用了基于輪輻結構原理的屋蓋結構。其中前三者作為閉合屋面要求的體育場，采用的是具備自錨特性的環(huán)索屋蓋結構體系；而對于海口五源河體育場，基于其月牙形的屋蓋形狀要求，將結構由自錨變換為屋蓋支座錨入下部結構。