每平米用钢60公斤预应力四两拨千斤成就“轻巧”工大体育馆

来源:中国幕墙网收集整理　作者:* 　日期:2008-4-3 　页面功能【字体：大中小】【打印】【投稿】【评论】

　　官方网站3月21日讯站在北京工业大学主办公楼楼顶俯瞰工大体育馆（北京奥运会羽毛球、艺术体操比赛场馆），主场馆还覆盖着渔网般纵横交错的钢管，旁边的热身馆已经开始外层钢结构铺装。在阳光下，一明一暗，一阴一阳。

　　走进施工中的主场馆，踩在未来的北京奥运会羽毛球比赛场地上，仰望直径93米跨度的穹顶。脚手架中，动静之间，天圆地方。

　　2005年６月开工至今，这个位于北京工业大学东南角的北京奥运会比赛场馆不声不响地完成了世界上最大的穹顶钢结构建设。没有鸟巢的雄浑，没有水立方的灵动，但只要来到羽球馆、了解羽球馆的人，无不为工大体育馆“轻巧”而赞叹

　　每平米用钢60公斤的羽球馆

　　走进工大体育馆，穹顶似天，笼盖于四野，无意中，让人觉得安详。在这种归属感的氛围中，记者看到了这样一组数据：内层直径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。

　　相较而言，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？

结构实验中心

　　“预应力”体系成就轻巧

　　随着民众将关注的目光转移到羽球馆，“预应力”一词越来越多地进入人们的视野。工大副校长张爱林说，“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。

　　早在2002年，工大就做过类似的预应力体系实验。当年，工大正忙于两个申请，一个是申请在校内兴建一座奥运会比赛场馆，一个是学科带头人张爱林正申请预应力体系的国家科研项目。人说福无双至今夜至，北工大两个愿望都达成。招标时，华南理工大学建筑设计院的设计牢牢抓住了评委的眼球，也正对了北工大的胃口。二话不说，预应力体系融入张弦穹顶结构，工大体育馆定将以“轻”取胜。

　　实验证明穹顶承受设计荷载达到3.2倍的重量

　　现在仍在北工大读书的博士研究生刘学春仍旧很清楚地去年春夏间的那个实验。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，刘学春跟着张爱林、再加上六七名同学钻进了实验室。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，刘学春和同学们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。

　　在测试期间，刘学春紧盯着这个未来的“工大体育馆穹顶”，比较数据之间微小的差值。说他们全天泡在实验场不假，刘学春回忆，当时每天早上八点就进场开始实验，经常晚上十二点才出来，俩月下来，盒饭吃了1000多块钱的。

　　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。

　　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”的作法，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到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。

　　伴随着羽毛球馆一起成长的，还有一本名为《预应力钢结构技术规程》的小册子。从２００４年到2006年，这本技术规程历时三载，六易其稿，终于在去年年底出版。

　　在此之前，国内并没有一本用来规范预应力结构体系的技术规程，深圳会展中心建设时，也采用了预应力结构，但只能用一般的钢结构规程，没有足够的技术规范。

　　张爱林一直有编纂这本规程的想法。借着建设工大体育馆这个难得的机会，他和另外一名工大教授陆赐麟开始，并将规程初稿寄给了全国40多位专家，没想到的是，他们收到了众口一词的评价，专家用“正当其时”来形容技术规程所填补的空白和带来的巨大推动作用。

　　在2005年11月，钢结构专家聚集中国钢结构协会年会，请张爱林就工大体育馆做了专题报告。他就在会上推出了这本技术规程的初稿和万向可伸缩节点的想法，86岁的老专家钟善桐激动地拍着张爱林的肩膀：“你们北工大给中国钢结构发展做了两件像样的事，真是不易啊。”

　　说是申请专利，说是填补空白，其实这一切，只出于北工大人的巧思。

下一篇：“GTI”深圳秦泰面向全国诚招代理商

中国幕墙网热点导读

www.alwindoor.com

[广东金刚玻璃]高薪诚聘光伏工程师、电气工程师、幕墙设计、海外业务员销售/营销/市场人员。加盟奥运场馆承建商请投递简历到招聘频道。　　丝吉利娅-奥彼门窗解决方案的专家;秦建平:学者型企业家的代表,中国幕墙网高端专访。　　北工大体育馆钢结构预应力张弦穹顶结构如何四两拨千斤？国内建筑设计中首次采用NURBS技术完成该屋面大跨度钢结构屋架问题，中国脊显北大之韵。
	中国幕墙网幕墙专区