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摘要：為凸顯“地標性建筑”優勢，很多建筑從建筑材料入手進行優選。木結構建筑以其強重比高、綠色節能等特點，被較多應用在大型體育建筑設計方案中。介紹了大型木結構建筑特點，簡要分析了大型木結構體育建筑設計要點；分別以日本樹海體育館和美國木結構體育場綜合體為例，探討了大型木結構體育建筑核心空間設計方案，在此基礎上提出了大型木結構體育建筑發展方向。
關鍵詞：木結構；體育建筑；核心空間；特點；設計方案
木結構建筑在古代的建筑群體中極為常見，再加上在整個建筑的規劃過程中，工匠能夠結合不同木材的外形特點來對細節進行鏤空、雕刻等，從而彰顯其藝術美感。木結構建筑充分體現時代特色和人文歷史文化，極具史學研究價值。然而隨著社會的發展和建筑材料技術的進步，木結構建筑在一段時期曾淡出建筑領域，特別是在大型建筑中[1]。本文旨在通過闡述大型木結構建筑特點和大型木結構體育建筑設計要點，并具體介紹了日本樹海體育館以木制拱形架構為支撐，以膠合木構建為屋面，以及美國木結構體育場采用L型布局設計，以期為推動木結構在體育建筑領域的應用提供參考。
1大型木結構建筑特點
與傳統的木結構建筑中所有建筑材料都選用原木明顯不同的是，現代大型木結構建筑基本上采用“裝配式”方案建設而成，然而因為這種產品結構的多樣性，給基礎結構配件的生產帶來了很多難題（如圖1所示）[2]。類似圖1這樣一個小型的木結構建筑，從規劃到裝配成功都需要對建筑材料按照不同的用途進行仔細且嚴格的分類，那么大型木結構建筑的生產及裝配流程必然會更加復雜和繁瑣[3]。從美學視角上來審視木結構建筑，其在空間環境內釋放出的藝術美感，在其裝配過程中的立體感和多樣性是磚混結構建筑無法比擬的，然而從建筑學的層面來分析，木結構建筑的制作工藝和材料制作難度均高于磚混結構建筑。比如一個小型的建筑配件，在磚混結構中完全可以采用現代工藝，以混凝土澆筑而成，只需要按照標準尺寸制作就能夠達到使用的基本要求[4]，而木結構則完全不同，需要根據木材的尺寸甚至是材質的差異，進行細致的切割之后才能夠使其與其它“基準件”相匹配，任何一個環節都可能直接影響木結構建筑的整體質量。
2大型木結構體育建筑設計要點分析
考慮到消防及公共安全的相關因素，以木結構為主體的大型體育建筑大多都以“地標性建筑”格局呈現出來[5]。一方面，梁柱式建筑的主構架梁和柱清晰可見[6]。一般來講，這些地標性建筑除了承擔必要的體育賽事之外，還大多被包裝成本地旅游觀光的一個重點項目，為了能夠讓游客在參觀的過程中清晰地了解到木結構配件的裝配，其梁柱式的主體構架梁和柱都完全清晰可見。另一方面，變截面異形梁和等截面異形梁完全按照實際需要來設置[7]。為了能夠讓木結構配件在安裝過程中符合工程力學的基準要求，同時也需要適應大型體育場館特殊體育比賽的空間及場地要求，在木結構體育建筑的建設規劃初期，設計師要有針對性地對在等截面異形梁的應用基礎上，充分地考慮變截面異形梁的使用，這樣才能夠有效確保木結構配件不同的高度上所受壓力基本上保持在一個大致相同的區間范圍內，既不能因為受壓過大造成坍塌事故，也不能因為受壓過小而造成梁體扭曲變形失去了梁體應有的支撐作用。
3大型木結構體育建筑核心空間設計方案
在大型木結構體育建筑中，日本樹海體育館的建筑設計方案較具代表性，也是目前建筑界公認的現代木結構體育館最早的實例。
3.1木制拱形架構——以日本樹海體育館為例
盡管日本樹海體育館在建筑界被視為是大型木結構體育建筑的“開山之作”，但其整體建筑結構并非完全采用木質原料。在其基座位置以下，采用的仍然是混凝土澆筑鋼梁作為支撐點，這是受當時技術條件限制所致。
3.1.1木制拱形架構支撐
木結構體育館由伊東豐雄建筑設計事務所和竹中工務店聯合設計[8]。其建筑面積近2.2萬m2[9]，建筑總高52.13m[10]。木制拱型架構作為樹海體育館的一大亮點，整個木質拱形支架所支撐起來屋頂的邊框是由25000根3~5m的拱型支撐及一層的秋田杉拱架所建構[11]，形成格子狀的設計（如圖2所示）[12]，在保證結構穩固性外還使得整個場館內部看上去別具特色。這樣一個超大型的圓弧狀穹頂結構，也讓日本樹海體育館在外形上看起來類似一個“巨蛋”。而這個巨蛋的高度之所以被設定在52.13m，也并非僅從建筑學的角度來考慮，因為在建筑規劃設計初期，資深的建筑設計人員就邀請體育界專業人士對體育館在進行體育比賽的過程中可能會涉及到的有效高度進行研判，諸如排球籃球這種相對高度較低的項目其高度較容易滿足，但對于在日本民眾中極為有影響力的棒球其躍升高度就成為了木制拱形架構支撐的相對高度的一個重點，再加上一些安全距離和攝影器材的裝配距離，52.13m這個高度也就成為到目前為止全世界范圍內木制拱形架構的專業體育館的最高高度。
3.1.2膠合木構建的屋面
在滿足了穹頂建筑基礎架構的設計之后，最難以實現有效銜接的是結構的屋面，據場館主要設計人員在工程完工之后接受媒體采訪時表示，當初為了確定結構的屋面處理方式，設計人員曾奔赴中國、加拿大、德國、芬蘭等木建筑群體較為集中的國家，針對樹海體育館的設計方案與建筑學界的專家、學者進行不同層面的探討。這說明，在當時的建筑技術條件下，大家基本認同木結構裝配方案，但對于如此超大型的體育場館的屋面材質的選用存在爭議。一方面，如果其屋面結構的材質一旦選用其它材料，那么這個以“木結構”為建筑主體的體育館的核心建筑理念勢必會受到爭議；另一方面，如果繼續采用木質材料，其有效載荷與承重是否能夠滿足實際需要也的確存疑。經過反復論證及結合體育場館的實際需要，最終決定選用膠合木為基礎材料的屋面，屋頂受力體系由雙向膠合木桿件和支撐構件組成空間桁架結構。長邊方向上、下弦膠合木桿件尺寸為2-210×420~810mm[14]，短邊方向為2-285×630~1020mm[15]。長邊上、下弦桿與短邊桿件通過方鋼管連接件和螺栓連接。采用這種屋頂建筑方案，除了能夠讓整個裝配過程相對簡化，能夠按照建筑設計的基礎規劃圖紙進行統一安裝之外，還能夠結合屋頂的長邊方向上、下弦節點的支撐體系，充分實現有效降低單位面積受力載荷之后，讓膠合木主體的內部增加以在平面內采用柔性的鋼拉桿，最終使得在平面外采用X形的圓鋼管作為側向支撐，從而進一步強化膠合木建筑結構屋面的剛度與強度。在工程項目完工之前的驗收過程中，日本相關部門對樹海體育館的抗震能力評估為，其建筑主體能夠抵抗7.0級的地震[17]，在2005年左右日本早稻田大學利用計算機模擬系統將樹海體育館的所有建筑數據參數輸入到計算機中進行精確模擬分析顯示，在其達到60年的使用壽命之后，其抗震能力仍然能夠保持在6.4級地震以上[18]，這也就充分說明了建筑師的這種膠合木構建的屋面其抗震抗壓能力符合建筑學標準要求。
3.2創新的美國木結構體育場綜合體
2016年，扎哈•哈迪德建筑事務所(ZahaHadidArchitects)公布了一個完全由木材建造足球場的計劃，這成為全球第一座名副其實的全木質結構的大型體育場館[19]。
3.2.1采用L型布局設計
為確保該體育館能像日本樹海體育館一樣堅固穩定，設計師在進行初期的布局規劃過程中也進行了反復論證，考慮到足球場地與棒球場地的不同之后，決定采用“L型”布局設計方案。在該方案中，設計師規劃將使用大面積的正交膠合木（Cross-laminatedtimber，CLT）作為建筑的主要材料[20]，這種材料具有很好的穩固性和安全性，能夠充分起到穩定基座固定效果的同時，也能夠有效降低單位面積中的基準載荷。這種布局設計與中式木結構建筑中的“挑梁”原理類似，如果在其“拉耳”的位置上不增加外力壓強，讓作用力完全放在基座位置上，就能確保其建筑的整體穩定性。
3.2.2屬于高層木結構建筑
盡管該足球體育館自詡為全木結構，然而其與日本樹海體育館最大的不同在于，其屬于露天式建筑，也就是說其在屋面的設計上，尤其是在屋頂結構的既定設計上其實是并沒有規劃的，該建筑的主要設計方向是讓其基座和“L”形狀的挑梁結構能夠穩固即可，從建筑學來講，稱其為高層木結構建筑更為合適，也就是木制構建的疊加效應僅在數量層級上發生了變化，與日本樹海體育館充分考慮屋頂的拱形結構設計無法形成有效對比。
4結語
伴隨著社會的進步和發展，以大型木結構為主體來規劃體育建筑，特別是將其定位在“全木結構”上，是否能夠有效保障其消防安全性和抗震抗壓安全性，這需要經過反復論證與研究再決定。大型木結構建筑與普通木結構建筑絕非是體積上的差異，而專業體育建筑則又與一般性民用建筑結構又存在明顯差異，需要將公共安全擺在首要的位置?；诖耍斈举|材料抗壓能力發展到一定水平，木結構體育建筑發展會迎來新的發展機遇。
作者:弓萍 單位:焦作大學土木建筑工程學院