国家体育场的建筑_结构与体育功能设计特点

第14卷第2期2008年6月
空　间　结　构
SPA TIAL STRUCTU RES
Vol.14No.2
J un.2008
收稿日期:2007202201.
基金项目:国家体育总局体育社会科学研究项目(738ss05001).
作者简介:杨嘉丽(1957—
),女,湖南宁乡人,副部长,中国建筑学会理事,主要从事体育建筑规划与管理工作.E 2mail :honestlycai @ 国家体育场的建筑、结构与体育功能设计特点
杨嘉丽1,杨欢欢2,龙志飞2,王　丽2,蔡庆飞2,魏茂林2
(1.北京奥组委工程和环境部,北京100083;2.中国矿业大学(北京)力建学院,北京100083)
摘　要:国家体育场是2008年第二十九届北京奥运会的主体育场,奥运会期间承担开幕式、闭幕式和田径比赛,其设计体现了“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的理念.本文根据国家体育场建筑设计的指导思想和设计要求,从国家体育场的结构形式与力学特点归纳分析了国家体育场建筑设计、体育功能设计及结构设计特色,总结了国家体育场结构形式的技术挑战,为以后大型建筑的设计提供了有价值的参考.关键词:国家体育场;建筑设计;体育功能设计;结构设计
中图分类号:TU245 文献标识码:A 文章编号:100626578(2008)022*******
Design characteristic of architecture ,structure
and sports f unction of N ational Stadium
YAN G Jia 2li 1,YAN G Huan 2huan 2,L ON G Zhi 2fei 2,WAN G Li 2,
CA I Qing 2fei 2,WEI Mao 2ling 2
(1.T he Engineering and Envi ronment Part of Organiz ing Committee of B ei j ing Ol y m pic Games ,B ei j ing 100083,China;
2.China Universit y of Mining and Technolog y ,B ei j ing 100083,China )
Abstract :The National Stadium is t he host stadium of 29t h Beijing Olympic game in 2008,where t he open 2ing ceremony ,closing ceremony and t rack and field competition will be held during Olympic game.The de 2sign of National Stadium has embodied idea of ″green Olympic Games ,science and technology Olympic Games ,humanity Olympic Games ″.Based on t he struct ural form and mechanical behavior ,t his paper in 2t roduces t he characteris of architect ural design ,st ruct ual design and sport s f unction design of t he National Statium and sums up t he technology challenge of t he st ruct ural form.It will p rovide a valuable reference for large 2scale building design.
K ey w ords :Natio nal Stadium ;architect ural design ;sport s f unction design ;st ruct ural design
2008年,第29届奥林匹克运动会将在中国北京举行.国家体育场将承担北京奥运会的开幕式、闭幕式和田径比赛.在奥运会期间它可以为运动员提供比赛、训练、热身等全部设施条件和相关服务.在奥运会结束后成为一处既能举办大规模国际体育活动又能满足群众健身娱乐活动的公共体育设施.国家体育场是北京奥林匹克公园内的标志性建筑,也是北京最大的、具有国际先进水平的多功能体育场.国家体育场将成为现代奥林匹克运动留给城市的宝贵遗产和城市建设的新亮点.奥运会期间,国家体育
场容纳观众91,000人,其中临时坐席11,000个.奥运会后拆除临时坐席,观众容量为80,000人,可举办各种大型体育赛事和活动.
1　国家体育场建筑设计
1.1　建筑设计的指导思想和设计要求
北京2008年奥运会比赛场馆设施建设的总体思路是:着眼未来、统筹规划,结合城市的可持续发展,解放思想、与时俱进、勇于创新,按照国际惯例,
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高标准、高起点地完成奥运场馆设施的规划建设任务.国家体育场建设的必要性:
(1)北京需要一个具有国际标准、能够用于举办奥运会的大型体育场;
(2)新建国家体育场反映中国和北京的综合实力;
(3)为北京市承办大型活动和促进群众健身娱乐提供公共体育设施.
国家体育场建筑设计的指导思想是:
(1)既要有利于奥运会体育比赛,又要充分考虑赛后利用,两者统筹兼顾,综合平衡;
(2)坚持勤俭节约的原则,力戒奢华浪费,不搞重复建设;
(3)创出体育建筑精品,充分体现可持续发展的理念,努力探索建筑艺术、人文艺术与环保的有机结合,为首都留下独特的奥运遗产.
根据上述指导思想,对国家体育场提出了以下建筑设计要求:
(1)满足举办2008年奥运会和残奥会的赛时使用要求,并充分考虑赛后利用;
(2)体现“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的2008年北京奥运会的主题;
(3)建筑设计功能布局和交通流线合理,能够满足举办各种大型体育赛事和文化娱乐活动的要求;
(4)符合奥林匹克公园总体规划的要求,建筑形象要尊重地域文化,具有创造力,并体现现代建筑多功能的发展趋势;
(5)建筑的结构设计应受力合理、简洁、安全,在技术上可实施性强;
(6)可开启屋盖的设计应技术先进,方便实用,投资合理,运营成本低.由于经济、安全方面的原因,最初设计的国家体育场可开启屋盖在建设过程中进行了修改,取消了屋盖顶部的可开启部分;
(7)临时坐席的设置布局合理,处理好赛时和赛后的关系;
(8)各项经济技术指标及工程造价的估算正确合理.
1.2　建筑形式———引人瞩目的“鸟巢”
国家体育场的外观以建筑结构的形式直接表现,立面形式和建筑结构达到了完美的统一.结构的逐渐相互支撑形成网格状构架,如同一个用树枝编织成的“鸟巢”.其中蕴藏深厚的东方文化内涵:即秩序、内敛的东方美学思想.建筑设计将看似无序的框架纳入严谨的受力体系中,使秩序中存在着无限的变化(见图1)
.
图1　国家体育场“鸟巢”
Fig.1　National Stadium“birdπs nest”
国家体育场具有独特的建筑形象主要是考虑了以下几个因素:
(1)基座———坡地景观
微微升起的地面,平缓而不易察觉,形成了体育场的基座.
知的中国农历中的十二生肖,,又有助于确定方位和区分体育场的.
(2)建筑材料有利于自然采光和通风
体育场的“鸟巢”设计方案创造性地应用了建筑材料.体育场屋顶部分构架之间的空间将用一种半透明膜材料ETFE充气垫加以填充.其屋顶的气垫膜安装在构架的外部,保证屋顶达到防水要求,而且雨水还可以被收集起来再利用.由于用传统方式设计建设的体育场在比赛时场地上往往光线较强,对电视转播和体育比赛有影响.而国家体育场采用ETFE膜材料覆盖,使比赛场地既可以有自然光线又避免了因阳光直射而产生光带,解决了以往体育建筑中常常遇到的强烈光照给比赛和转播带来的一系列问题.同时,由于太阳光可以通过半透明的屋面照在体育场内的自然草坪上,有利草坪的生长和养护.此外,由于体育场的外立面采用了通透的建筑形式,基本上未设封闭实墙,因此可以保持赛时的自然通风.这是“鸟巢”方案设计的一个显著特点.
(3)看台易于调整且富于变化
国家体育场的设计充分考虑了奥运会赛后利用的转换.看台通过多种可变的方式来解决赛后观众数量减少的问题.其基本思路是:尽量避免采用复杂的技术手段,而是着眼于采用轻度调整方式.
(4)充分考虑了中国古老的文化和哲学理念
国家体育场建筑设计方案是瑞典赫尔佐格和德梅龙建筑师事务所与中国建筑设计研究院设计联合体的作品.“鸟巢”方案代表了一种新的建筑语言,参透了中国的哲学思想,从中国天、地、人合一的理念方面产生设计灵感和建筑创意.国家体育场采用的是“天空”和“大地”的象征形象,屋顶不仅仅是体育
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场看台的覆盖物,同时也是宇宙的天穹.
从外观上看,国家体育场这个巨型建筑物犹如
树枝织成的“鸟巢”.基于这种创意,在屋盖钢结构设
计时模糊了主次结构的外在差异.其色彩采用灰色
矿质般的钢网以透明的膜材料覆盖,其中包含着一
个土红色的碗状观众看台,恰似北京故宫青灰色的
城墙内矗立着红墙垒筑的宏大宫殿,饱含着东方的
含蓄美.中国古代造型艺术最大的特征是将丰富的
表现和技术统一在单一的造型中.“鸟巢”虽是一个
非常原始的造型观念,从纹样和器型都让人感觉是
一个容器和小社会,但它却体现了与中国文化的关
联,在严谨的秩序中存在着无限丰富且复杂的变化.
(5)创造城市空间的新景观
国家体育场作为2008北京奥运会开、闭幕式的
场地及北京的标志性建筑,是北京城市景观的一个
重点.它的建筑结构选型极其重要和需要富有特色,
在建筑体量、空间尺度和体形等方面,要与众不同,
引人瞩目.同时,体育场馆设施作为健身休闲建筑,
是人们怀着愉快轻松心情而来的一处公共场所.要
求为其服务的建筑和环境优美宜人,使人置身其中
或进行活动时,有充分的闲情逸致来品味环境和建
筑造型,获得一种建筑美学带来的精神享受.国家体
育场选用“鸟巢”这一独特的建筑造型,为北京的城
市空间创造了一个新的景观.
2　国家体育场体育工艺功能设计特点
体育工艺和功能设计是体育建筑设计的重要内
容.根据2008年奥运会的比赛组织特点,国家体育
场围绕田径和足球比赛项目进行了体育工艺和功能
设计.其中田径比赛的工艺功能设计较有特色.
首先根据运动项目竞赛组织特点,确定体育场
内参赛运动员流程.田径比赛运动员参赛流程见图
2.参赛运动员流程即体育比赛的主体———运动员,
从到达比赛场馆开始,经历其体育比赛项目全过程
后,到离开比赛场馆为止的活动路线.参赛运动员流
程是比赛场馆设施体育工艺设计的核心内容,是体
育建筑设计的重要基础.国家体育场田径比赛项目
参赛运动员流程是根据奥运会竞赛日程,在编制《奥
运工程设计大纲》阶段,由北京奥组委场馆规划和竞
赛组织方面的有关人员共同研究确定的.
然后根据田径比赛参赛运动员流程,完成使用
功能建筑平面设计,结果见图3.图3中序号为2008
年奥运会田径比赛参赛项目运动员流程节点,分述
(1)环路交通控制点:对所有进入国家体育场环如下.
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路的车辆,包括运动员车辆进行检查的地点及运动员大巴入口.
(2)运动员下车点:运动员从奥运村出发,乘专线大巴抵达国家体育场的下车地点.
(3)运动员休息室:运动员在此进行身份认证.
(4)技术信息中心:竞赛管理处和运动员相关信息的交流中心.
(5)室内热身器械区:分别设置男、女运动员休息室(内均含更衣室、卫生间和淋浴)、按摩室、体育器材存放、力量训练、医疗室、恢复室、热身管理、运动队准备区.
(6)室外热身场地:热身练习跑道设置9条直跑道和8条400m跑道以及障碍水池;跳远/三级跳、跳高、撑杆跳、投掷运动热身场:标枪、铁饼、链球、铅球热身场.
通道1和2连接环路和热身场地,通道3连接第一检录处和第二检录处.
(7)技术问询处:位于第一次检录处内,可以看到比赛场地,热身场地信息板和第一次检录信息.
(8)第二检录处:田径运动员赛前等候区,有到达卫生间和室内热身以及比赛场地的通道.运动员通过路线3从第一检录处到达第二检录处.
(9)室内热身场地:设置4条60m直道跑道,有通道与第二检录处相连接,并设有20个跳栏和起跑器.
(10)比赛场地入口.
(11)田径比赛场地:竞赛跑道设置9条直跑道、9条400m跑道,北部“D”区设置障碍水池.跳远/跳高比赛场地:设置2块跳远/三级跳场地(东)、2块跳高场地(南)、2块撑杆跳场地(北).投掷比赛场地:设置2块标枪场地(北和南)、2块铁饼场地(北和南)、1块链球场地(南)、4块铅球场地(北和南).
(12)终点.
(13)现场采访区:用于现场电视转播采访.比赛结束后在跑道终点附近外区域立即进行实时采访,需要以体育场为电视画面背景.
(14)混合区:用于运动员离开终点后进入更衣室路线上的非现场采访.田径比赛的混合区设置极具特色.确切地说,它不是一个区域而是一条线路,田径比赛的混合区从比赛场地的跑道终点区开始,到运动员的赛后控制中心止,贯穿了体育场的室外比赛场和室内竞赛功能用房.采用通道的形式布置.
(15)赛后控制中心:运动员接收比赛成绩和取包的区域,男女分设.运动员在此等候进行兴奋剂检查的通知,并需容纳领队、教练等随队官员.
(16)医疗中心:运动员医疗中心包括候检、病房、重病监护、外科(骨科治疗室)、医生办公室、医疗代表、护士室、卫生间、药械室、男女更衣室、清洁间、走廊、氧气储藏.
(17)采访室:运动员进入新闻发布厅之前暂时等候的房间.
(18)国际田径联合会官员赛事管理用房:包括仲裁委员会、竞赛部、统计处、技术代表、国际技术官员、竞走裁判、田径委员会主任、田径委员会竞赛部办公室、申诉部、技术录像室.
(19)颁奖仪式等待侯室:参加颁奖仪式人员等候及存放奖牌、国旗和鲜花的区域.颁奖仪式等待室内包括贵宾等候、嘉宾等候、运动员等候、礼仪人员、奖牌存放、旗帜存放、鲜花存放等.
(20)颁奖台.
(21)兴奋剂检测站、取血样、尿检室、储藏室.
(22)全能运动员休息室:参加十项全能和七项全能比赛运动员的休息室,包括更衣和淋浴设施.
(23)赛后放松区.
(24)通向运动员集散区的楼梯.
(25)运动员集散区:结束比赛的运动员集结后等待乘专线离开国家体育场的区域.
(26)运动员上车点.
(27)运动员专线大巴出口.
从序号23至27为赛后流程,运动员可以通过路线2回到热身区放松,放松后既可以通过楼梯或者核心筒12,又可以乘坐约每15分钟一辆的大巴回到运动员集散区.
3　国家体育场结构设计
3.1　结构形式特点介绍
国家体育场被称为“第四代体育建筑”作品.“鸟巢”不仅见证了人类21世纪对建筑与人居环境的不懈追求,也见证了中国这个东方文明古国不断走向开放的历史进程.国家体育场建筑体形新颖明快,结构选型简洁大胆,结构形式的几何特征在这里得到了淋漓尽致的运用.屋盖上采用的透明和白色的膜材料在阳光和灯光不同光线的作用下,屋盖桁架呈现出不同的虚实效果对比强烈.国家体育场整座建筑物没有任何装饰,但完全由结构组成的造型却极富艺术感染力.
国家体育场作为综合性公共建筑,其设计耐久年限为一级,结构设计使用年限为100年.
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国家体育场呈双曲面马鞍造型.东西向结构高度为68m,南北向结构高度为41m.钢结构最大跨度长轴333m,短轴297m,由24榀门式桁架围绕体育场内部碗状看台旋转而成.结构构件相互支撑,形成网格状构架,组成体育场整个的“鸟巢”造型.其大跨度钢结构采用由大量特殊材质焊接而成的薄壁箱形构件,屋盖次结构的布置疏密均匀,形成“鸟巢”的建筑美学效果.体育场看台采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系,与钢结构在结构体系上完全脱开.没有任何遮挡的碗形观众看台,呈均匀而连续的环形,可以使观众获得最佳观看效果,体验热烈的比赛和演出气氛.
国家体育场的结构选型主要考虑了以下几个因素:
(1)与建筑形式完美结合
国家体育场强调“外观即结构”这一概念,这座体育场就像鸟巢一样形式与结构高度统一.正如鸟儿不会刻意地去粉饰自己的巢穴一样,国家体育场的建筑形式和网格状的结构完美地结合在一起,很清晰、自然,也很纯净.
国家体育场看似杂乱无章的结构,实际上主要受力体系的主结构非常清晰合理.通透的建筑围护结构设计典型地借鉴了中国南方园林中花窗的手法,使得建筑物的室内室外形成自然的流通.此外,由于体育场外墙是镂空的交织结构,使得人流、交通组织沿着建筑物的立面内侧安排,人们可以从体育场外看到活动的人群点缀于建筑物表层之间.
(2)满足建筑设计表现方式的需要
国家体育场如同一个巨大的容器,不论是近看还是远观,都将给人留下独特而深刻的印象.它不仅完全符合奥运会主体育场在赛时使用功能上的要求,又不同于一般体育建筑采用大跨度和数码屏幕为主体的设计表现手法.国家体育场的空间效果既呈现出前所未有的独创性,又不失简洁和典雅.体育场外观为纯粹的结构形式,使建筑立面与结构形成了完美的统一.空间钢结构的组件相互支撑,形成网架状构架,其立面、阶梯及屋顶组成了一个有机的整体.
体育场看台结构呈没有任何遮挡的完整的“碗型”.这种均匀而连续的环形型式,有利于观众将注意力集中在场内的体育赛事上.所形成的舒适的环境、极佳的视野和良好的氛围,易于调动起观众们的兴奋情绪,激发运动员的优异表现.
3.2　结构形式的力学特点
国家体育场基础结构采用钢筋混凝土钻孔灌注桩基础后压浆技术.持力层为卵石、圆砾层,单桩承载力7200kN～10900kN.桩径为800mm与1000mm两种,桩长31m～36m,承台高度4.0mm～6.0mm,最大沉降量为30mm.
国家体育场大跨度结构采用交叉平面桁架体系.屋盖支撑在24根桁架柱之上,柱距为37.958m.主桁架围绕屋盖洞口环梁呈放射形布置,由于主桁架与内环相切,其中一些主桁架在平面外微弯,22榀主桁架直通或接近直通.为了避免出现过于复杂的节点,4榀主桁架在环梁附近截断,24根桁架柱与主桁架、立面次结构共同形成抗侧力体系.屋盖内环开洞的轮廓由2段椭圆弧与2段圆弧构成.椭圆的长轴和短轴分别为190.344m与124.103m.从平面椭圆的24个等分点做直线与屋盖内环相切,得到48榀交叉布置主结构的平面定位轴线.顶面次结构与立面次结构均位于屋盖结构的外表面.
为了使国家体育场大跨度钢结构经济合理,优材优用,绝大多数的钢构件均为钢板焊接而成的箱形构件,在设计中进行以下具有鲜明特点的分析论证:
(1)大跨度结构火灾危险性分析.国家体育场具有高大的空间,钢结构外罩的屋顶采用膜结构.火灾对结构的可能威胁主要来自看台区域的座椅,并且对靠近高层看台部分钢结构屋盖下弦有直接的影响.根据消防设计分析评估报告,通过分析研究可以获得在防火时或构件不受保护时结构的实际温度,采用极限温度法对构件和结构的安全性进行评估.
(2)构件计算长度研究.《钢结构设计规范》对管桁架结构的计算长度没有专门的规定,通常参照对一般平面桁架结构计算长度的规定.对于国家体育场这一大型复杂结构,为了确定结构构件的计算长度,直接采用了整体计算模型进行非线性分析,计算时分别考虑了竖向荷载和水平地震作用.
(3)屋盖结构整体稳定性分析.为了保证国家体育场结构的整体稳定性,对整体计算模型进行了荷载-位移全过程几何非线性分析,确定了整体结构的稳定极限承载力.
(4)建造过程施工模拟分析.安装顺序对大跨度结构用钢量的影响很大.在安装过程中,如果屋顶次结构与主结构同时安装,次结构构件的内力将会明显增大,导致次结构构件截面壁厚增大,结构总用钢量增加;因此,对国家体育场大跨度钢结构的建造过程进行了详细的施工模拟分析,得到了合理优化建造过程的施工方案.
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(5)加肋焊接薄壁箱形构件应用研究.国家体育场屋面次结构的外形尺寸为□1000×1000,立面次结构为□1200×1200.在修改初步设计中,考虑了在箱型构件内部设置横向和纵向加劲肋的方法.由于设置纵向加劲肋可以使板件的宽厚比减小,使板件的局部稳定性大大改善,从而增加截面的有效宽度,使得材料利用率大大提高.设置加劲肋对于延迟薄壁箱形构件发生局部屈曲、提高构件承载力、减小用钢量具有很大的作用.设置加劲肋后,薄壁箱形构件轴心受压承载力提高,在达到极限承载力后还可以维持一定的承载能力,但延性有所减弱.
3.3　结构形式的技术挑战和创新
(1)首次采用CA TIA软件解决复杂空间结构建模问题.国家体育场屋盖结构造型主要从体育场的规模、对观众席防雨遮盖的效果、满足观众席视线要求和建筑美学的角度出发,几何构型方法新颖独特,建筑与结构高度一致,存在大量空间扭曲构件.在设计中采用了航空、汽车制造工业得到应用的三维建模CA TIA软件,以解决复杂建筑的空间建模问题,形成“鸟巢”的建筑美学效果.
(2)采用国产优质高强、高性能钢板.在国家体育场结构设计中,为了有效控制成本,缩短订货周期,全部采用国产钢材.对于厚钢板选用了国产Q345G J和高强度Q460钢材.高强度的Q460钢材是迄今为止国内建筑工程中所采用的强度级别最高的厚钢板,钢板的性能要求均大大超过现有国内外相关技术标准的范围.
(3)首次提出下风振系数的概念.为了保证国家体育场钢结构的施工安全和正常使用,将传统的屋盖结构单一风振系数的定义方法进行了改进,分别给出上风振系数与下风振系的定义,在设计中考虑风荷载效应的影响.
(4)提出大跨度结构温度场计算方法.北京地区的气候类型属典型的温带大陆性气候,季节气温变化很大.由于“鸟巢”结构的钢构件直接暴露于室外,在冬季时可以认为钢构件的温度与室外气温相同.夏季时室外气温最高,同时太阳照射强度也最大,太阳照射将引起构件温度显著升高.由于屋架上、下弦膜材之间的空气流动性较差,屋架内部温度明显高于室外气温,形成“温箱”效应.另外,结构在迎光面与背光面的温差,以及屋面、立面钢构件的温差将形成梯度较大的温度场分布.国家体育场大跨度钢结构的平面尺度很大,温度变化将在结构中将引起很大的内力和变形.将国家体育场南半部外表面按其照度不同分为11个区域,研究太阳辐射照度引起结构温升的影响.而在箱形构件的侧面、背面与体育场北半部的构件主要考虑日光漫反射的影响.
(5)特殊节点的设计方法研究.国家体育场屋盖结构的几何构型非常复杂,在结构设计中,着重研究一些特殊节点的设计施工方案,如:屋盖箱形截面桁架的节点设计方法、桁架柱复杂节点设计方法和异型柱脚设计方法等.合理解决特殊节点的设计问题,是保证结构安全性、提高材料利用率、有效减小用钢量的关键问题之一.
国家体育场其大跨度结构设计与优化工作受到广泛的关注.由于国家体育场大跨度结构的特殊重要性与复杂性,在设计中大量采用新技术、新材料、新工艺,进行了许多技术创新,通过采取综合的技术措施,全面考虑超大跨度复杂钢结构的设计、加工、安装的关键问题,在保证结构的功能性、安全性、耐久性的同时,取得了良好的技术经济效果.
4　结　论
本文对国家体育场的建筑形式、体育工艺功能、结构形式三方面做了系统分析.
(1)国家体育场作为2008北京奥运会开、闭幕式的场地及北京的标志性建筑,蕴藏着深厚的东方文化内涵,被誉为“第四代体育馆”.
(2)体育工艺和功能设计是体育建筑设计的重要内容.根据2008年奥运会的比赛组织特点,国家体育场围绕田径和足球比赛项目进行了体育工艺和功能设计.本文着重介绍了比较有特色的田径比赛的工艺功能设计.
(3)国家体育场建筑体形新颖明快,结构选型简洁大胆,结构形式的几何特征在这里得到了淋漓尽致的运用.
参考文献
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(下转第23页)。