摘要：本文合撰原創(chuàng)體育建筑與挑戰(zhàn)性鋼結(jié)構(gòu)之“美”與“力”，嘗試“創(chuàng)新”，概要綜述了深圳大運(yùn)中心設(shè)計(jì)國(guó)際競(jìng)賽的7個(gè)原創(chuàng)方案的專家評(píng)審遴選、優(yōu)勝實(shí)施方案確定、方案調(diào)整；歸納介紹了國(guó)際頂尖主創(chuàng)建筑師的“原創(chuàng)設(shè)計(jì)理念”、技術(shù)專家意見(jiàn)和院士大師點(diǎn)評(píng)意見(jiàn)。著重介紹了挑戰(zhàn)性鋼結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，用最精簡(jiǎn)的語(yǔ)言和最淺顯的道理，解說(shuō)理念之源；用最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，系統(tǒng)闡述結(jié)構(gòu)體系的可行性，指出其精髓所在。本文還介紹了實(shí)施方案的執(zhí)行情況，如結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究、設(shè)計(jì)建造、及結(jié)構(gòu)技術(shù)水平等。
關(guān)鍵詞：失重 原創(chuàng) 水晶 體育建筑 挑戰(zhàn)性鋼結(jié)構(gòu) 單層折面 空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)
1 引述
“重力，其統(tǒng)治性的原則為建筑學(xué)提供了一個(gè)普適的價(jià)值基礎(chǔ)。
建筑形式的本質(zhì)是抵抗重力。
重力是不變的，回應(yīng)重力的方式是多樣的[1]。”
失重[1]是建筑與結(jié)構(gòu)、美與力的統(tǒng)一哲理，詮釋著建筑師“創(chuàng)新性（原創(chuàng)性）”建筑方案，蘊(yùn)藏著挑戰(zhàn)性結(jié)構(gòu)“失重課題”。“失重”即“原創(chuàng)性”，亦“挑戰(zhàn)性”。
深圳市世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)體育中心（簡(jiǎn)稱：“深圳大運(yùn)中心”，圖1）為 2011年第二十六屆世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)而興建。其建筑設(shè)計(jì)方案，是2006年邀請(qǐng)7個(gè)國(guó)際頂尖建筑設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)競(jìng)賽，全國(guó)院士大師評(píng)審，脫穎而出的兩個(gè)優(yōu)勝方案之一。其中一個(gè)為國(guó)外方案，一個(gè)為國(guó)內(nèi)—我們深圳自己的方案。兩個(gè)優(yōu)勝方案總圖布局合理，原創(chuàng)性強(qiáng)，國(guó)際一流，純凈統(tǒng)一，造型新穎，與結(jié)構(gòu)結(jié)合完美，體現(xiàn)地域特色和體育精神，富有時(shí)代氣質(zhì)和綠色環(huán)保節(jié)能特性。
圖1 基本建成的深圳大運(yùn)中心場(chǎng)館(失重體育建筑)
實(shí)施建成的深圳大運(yùn)中心建筑結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)。體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)（單層折面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)）設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)性，設(shè)計(jì)水平達(dá)到“總體國(guó)際先進(jìn)，結(jié)構(gòu)體系等方面處于國(guó)際領(lǐng)先”，榮獲2011中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)（國(guó)家優(yōu)質(zhì)工程）。
“災(zāi)難的遺產(chǎn)[2]”源自“失敗乃成功之母”的哲理。競(jìng)賽刺激，競(jìng)賽殘酷，競(jìng)賽孕育價(jià)值。優(yōu)勝兩個(gè)，實(shí)施其一，落選的其他方案仍是珍寶，何況得到國(guó)際好評(píng)的大型國(guó)際競(jìng)賽成果，其原創(chuàng)性亦有兩個(gè)優(yōu)勝方案般的普適價(jià)值。
將“失重體育建筑與挑戰(zhàn)性鋼結(jié)構(gòu)”之“美”與“力”合文，建筑競(jìng)賽者與技術(shù)評(píng)審專家合撰，附競(jìng)賽者名錄，編排特殊，權(quán)屬明示，嘗試“創(chuàng)新”。將7個(gè)競(jìng)賽的原創(chuàng)建筑結(jié)構(gòu)方案，連同國(guó)際頂尖主創(chuàng)建筑師的“原創(chuàng)闡述”、院士大師專家教授的珍貴點(diǎn)評(píng)意見(jiàn)，以及成功評(píng)審的方法，用最精簡(jiǎn)的語(yǔ)言最淺顯的道理，全面介紹給同行，回饋給競(jìng)賽者、評(píng)審者、組織者、深圳市政府和市民，介紹給社會(huì)，讓這一國(guó)際競(jìng)賽成果的參考價(jià)值最大化，了卻多年的心愿。
2 場(chǎng)地與規(guī)模
深圳大運(yùn)中心位于深圳市北部龍崗區(qū)奧體新城（圖2）東部（圖3）。規(guī)劃場(chǎng)地（圖4）南邊龍翔大道南側(cè)緊鄰神仙嶺小山脈，南部西側(cè)融合神仙嶺的深入，西北方向相望銅鼓嶺，東北方向望見(jiàn)一小山脈。場(chǎng)地的東北角為高教會(huì)館新址。方案設(shè)計(jì)國(guó)際競(jìng)賽包括總圖規(guī)劃和一場(chǎng)兩館建筑方案。主體育場(chǎng)規(guī)模6萬(wàn)座，主體育館1.8萬(wàn)座，主游泳館3000座。國(guó)際規(guī)劃競(jìng)賽成果建議，大北部西邊沿龍興路布置帶形體育商城，一場(chǎng)兩館如圖4布置[3][4]。
深圳大運(yùn)中心設(shè)計(jì) 圖2 奧體新城區(qū)位 圖3 大運(yùn)中心規(guī)劃場(chǎng)地 圖4 場(chǎng)地規(guī)劃圖
3 方案遴選
3.1 淘汰方案競(jìng)賽獲得7個(gè)原創(chuàng)方案，經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段的專家評(píng)審。第一階段獲取深圳市專家技術(shù)評(píng)審的合格意見(jiàn)后，接受第二階段的全國(guó)院士大師教授的方案評(píng)審。
第二階段評(píng)審采取兩輪點(diǎn)評(píng)和記名投票方式。每輪首先由結(jié)構(gòu)和體育工藝專家點(diǎn)評(píng)，確認(rèn)第一階段技術(shù)評(píng)審的肯定意見(jiàn)后，進(jìn)行建筑方案點(diǎn)評(píng)與投票。
首輪初步點(diǎn)評(píng)，主要找出問(wèn)題，投票淘汰了2個(gè)。
3.2 優(yōu)勝及實(shí)施方案第二輪點(diǎn)評(píng)投票后，2號(hào)和7號(hào)脫穎為優(yōu)勝方案（圖5、圖6），均具規(guī)劃總圖可改性，或三足鼎立，或帶狀布置，推薦給業(yè)主（政府），選取實(shí)施方案。
圖5 2號(hào)水晶石方案
圖6 7號(hào)銀簍方案
建筑大師有點(diǎn)偏愛(ài)2號(hào)，并建議其兩館互換位置。競(jìng)爭(zhēng)者1號(hào)方案（美國(guó)HOK）主創(chuàng)建筑師David后來(lái)指著2號(hào)方案說(shuō)：“clear（純凈一致）！如果我評(píng)，也選它”。2號(hào)方案贏得了競(jìng)賽，1號(hào)方案主創(chuàng)建筑師的普適價(jià)值境界折服了業(yè)主和作者。
兩個(gè)優(yōu)勝方案各有特點(diǎn)，難以取舍。政府試想組合為“一鉆兩銀”或“一銀兩鉆”的一場(chǎng)兩館（“鉆”指2號(hào)“水晶石”方案，“銀”指7號(hào)“銀色編簍”）。建筑師強(qiáng)調(diào)兩個(gè)優(yōu)勝方案各自的一場(chǎng)兩館之風(fēng)格統(tǒng)一、“家族”完整、不可分割，暗示組合方案不抵兩個(gè)原創(chuàng)方案那么統(tǒng)一、經(jīng)典、純凈。
政府本著“科學(xué)民主集中制”的原則，首先是科學(xué)，按照評(píng)審專家意見(jiàn)將2號(hào)原創(chuàng)方案（圖5）的兩館互換位置后的調(diào)整方案作為實(shí)施方案（圖1）。
4 建筑方案
4.1 建筑技術(shù)
第一階段技術(shù)評(píng)審的規(guī)劃、建筑、體育工藝等專家認(rèn)為，7個(gè)競(jìng)賽方案基本合格。具體意見(jiàn)為：
1) 5號(hào)方案副場(chǎng)不在體育場(chǎng)北向有違體育工藝。
2) 3個(gè)方案為三角形布置，4個(gè)帶狀。1號(hào)和 4號(hào)方案增加了1個(gè)建筑單體，4個(gè)方案對(duì)規(guī)劃條件做了一定的調(diào)整或優(yōu)化， 5號(hào)方案規(guī)劃調(diào)整較大。
3) 有一個(gè)方案的體育場(chǎng)建筑造形原創(chuàng)性不夠。
4) 各方案的主要技術(shù)指標(biāo)如表1、表2、表3。
4.2 優(yōu)勝方案
2號(hào)“水晶[6]石”方案（圖5），一場(chǎng)兩館三足鼎立，形態(tài)各異，風(fēng)格統(tǒng)一，造形別致。立面表皮采用玻璃，屋頂采用PC板，晶瑩剔透，宛如一族巨型水晶石，連同人工湖，與神仙嶺、銅鼓嶺等周邊山貌，協(xié)調(diào)統(tǒng)一，形成“山、水、石[13]”人文景觀，“山、水、燈”夜景（市民留言），透明的表皮顯露著折板結(jié)構(gòu)的力感，美與力的結(jié)合，象征體育精神，成為青春靚麗、生機(jī)勃勃的海濱不夜城—深圳的標(biāo)志！
體育場(chǎng)圍護(hù)采用單層透光材料，體育館采用透光材料襯夾層復(fù)合鋁板，游泳館采用夾層透明材料，功能與立面及自然通風(fēng)采光結(jié)合良好，符合通風(fēng)節(jié)能綠色環(huán)保理念。
“2號(hào)方案，做得好不亞于鳥(niǎo)巢[13]！”同濟(jì)教授錢鋒點(diǎn)評(píng)。
7號(hào)“銀簍”方案（圖6），一場(chǎng)兩館帶狀分布，采用雙層鋁合金編簍肌理立面，銀光閃爍[13]，富有現(xiàn)代生機(jī)。體育場(chǎng)雙層鋁合金屋面內(nèi)輔透光膜材，與交疊錯(cuò)縫編織立面表皮，形成自然通風(fēng)環(huán)境，兼遮陽(yáng)功能，創(chuàng)造出適宜觀賽的室內(nèi)柔和光影。編簍肌理立面，視覺(jué)沖擊力強(qiáng)，外揚(yáng)力道，體現(xiàn)體育精神[11]。
4.3 落選方案
1號(hào)“彩帶”方案（圖7），巨型“彩帶”作為建筑及連廊的罩棚（屋蓋），將一場(chǎng)兩館連為整體彩帶，恢宏大氣，輕盈飄逸[5]。唯飄帶的范圍與尺度夸張有過(guò)[10]。
圖7 1號(hào)彩帶方案
3號(hào)方案（圖8），一場(chǎng)兩館三足鼎立。體育場(chǎng)為風(fēng)采獨(dú)特和變化的“麻花拱[13]”索網(wǎng)建筑形體，為城市注入永恒的印象和活力，體育館為延展的“菊花”殼體。游泳館屋面為起伏波浪輕型建筑，屋檐水波延伸，細(xì)致生動(dòng)，與波浪屋頂交響呼應(yīng)[7]。
圖8 3號(hào)方案
4號(hào)“貝殼”方案（圖9），純凈、圓潤(rùn)、飽滿的體育場(chǎng)、體育館、訓(xùn)練館（任務(wù)書(shū)以外）、游泳館，帶狀分布，與體育商業(yè)街結(jié)合為休閑舒展的一體，宛如靜靜鑲嵌在沙灘中的幾只貝殼，享受著清澈海水一浪高過(guò)一浪的輕撫。埋在沙灘中的貝殼體育場(chǎng)，傾斜的環(huán)狀曲線，潔白的屋頂與下部形體鮮明對(duì)比，在傾斜的不穩(wěn)中尋求到完美的力學(xué)穩(wěn)定，充滿力量與動(dòng)感，不同的角度，不同的感受[8]。
圖9 4號(hào)貝殼方案
5號(hào)方案（圖10），一場(chǎng)兩館三角分布。體育場(chǎng)如航母，體育館如飛船，泳池館屋面結(jié)合造形與室外池的雨水收集系統(tǒng)，組成高科技的綜合體。延橢圓長(zhǎng)軸布置的索承屋蓋兩端上翹，宛如中國(guó)古建飛檐，與周邊起伏山戀?gòu)?qiáng)烈對(duì)比。長(zhǎng)屋檐下兩側(cè)的巨柱圍廊，30度上揚(yáng)，宛如張開(kāi)的雙臂迎向城市，象征飛揚(yáng)向上的體育精神[9]。唯規(guī)劃調(diào)整較大，副場(chǎng)不在體育場(chǎng)北向有違體育工藝[12]。
圖10 5號(hào)方案
6號(hào)“夢(mèng)幻”方案（圖11）， 一場(chǎng)兩館帶狀分布，統(tǒng)一采用“雙層皮”的外遮陽(yáng)立面，用中國(guó)古典美學(xué)演繹傳達(dá)內(nèi)斂感情，向世界展示中國(guó)，展示深圳，承擔(dān)2011世界大運(yùn)會(huì)主會(huì)場(chǎng)重任。穿孔遮陽(yáng)板立面，生態(tài)節(jié)能。游泳館立面輔一水波紋肌理，動(dòng)感、活潑、優(yōu)美的形象載體，代表著立面與功能的表里統(tǒng)一[10]。夜光下，“夢(mèng)幻斑斕！”
圖11 6號(hào)夢(mèng)幻方案
5 結(jié)構(gòu)方案
5.1 落選方案的結(jié)構(gòu)技術(shù)
1號(hào)方案體育場(chǎng)縱向獨(dú)立空間桁架平面承重體系（圖12b）技術(shù)可行，但由于跨度超大和高風(fēng)壓，可能難以達(dá)到期望的視覺(jué)效果，每榀桁架設(shè)在看臺(tái)中央的支承柱影響觀看功能，經(jīng)濟(jì)性一般。兩館采用雙向交叉桁架，技術(shù)先進(jìn)可行[12]。
a V形柱桁架 b 超跨桁架
圖12 2號(hào)彩帶結(jié)構(gòu)方案
3號(hào)方案體育場(chǎng)采用巨型空間雙螺旋桁架拱與索網(wǎng)形成空間組合結(jié)構(gòu)[7]（圖13a），最大限度地達(dá)到結(jié)構(gòu)體系自平衡，結(jié)構(gòu)輕巧，傳力明確。體育館折疊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，受力合理。游泳館采用波面鋼結(jié)構(gòu)，有創(chuàng)意，斜向桿系規(guī)律性強(qiáng)。一場(chǎng)兩館技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良[12]。
a 體育場(chǎng)拱索結(jié)構(gòu) b 拱索計(jì)算模型 c 體育館、游泳館結(jié)構(gòu)
圖13 3號(hào)結(jié)構(gòu)方案
4號(hào)貝殼結(jié)構(gòu)方案（圖14）。充分利用了多道環(huán)力作用，并巧妙地將索與桁架組合，形成空間環(huán)向索承桁架與放射狀立體索承桁架，形成空間組合結(jié)構(gòu)，技術(shù)先進(jìn)，系統(tǒng)的初步分析計(jì)算表明經(jīng)濟(jì)可行。兩館采用張弦桁架結(jié)構(gòu)，受力明確，技術(shù)可行[12]，經(jīng)濟(jì)性較好。
a 體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)模型 b 體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)軸力圖 c 體育館結(jié)構(gòu) d 游泳館結(jié)構(gòu)
圖14 貝殼結(jié)構(gòu)方案
5號(hào)方案體育場(chǎng)采用預(yù)應(yīng)力型鋼砼斜柱，縱向桁架平面承重體系，跨度超長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性一般。體育館橫向空間張弦桁架單向平面承重（圖15b），桁架梁下?lián)?，有違力學(xué)規(guī)律，技術(shù)可行[12]，經(jīng)濟(jì)性一般。
a 體育場(chǎng) b 游泳館
圖15 5號(hào)結(jié)構(gòu)方案
6號(hào)體育場(chǎng)建筑結(jié)構(gòu)方案（圖16a）是在7號(hào)方案的基礎(chǔ)上增加巨型空間桁架縱向平面承重拱架作為放射形布置的桁架之支承梁，形成空間組合結(jié)構(gòu)，改善了結(jié)構(gòu)性能，平面拱架與橢圓平面的協(xié)調(diào)性需要優(yōu)化。蜂窩狀網(wǎng)架（圖16b）、新型圓弧弦桿網(wǎng)架結(jié)構(gòu)（圖16c）是另一種新設(shè)想，尚須完善與邊界條件適應(yīng)性等方面的結(jié)構(gòu)布置技術(shù)。兩館采用正交、曲線桁架結(jié)構(gòu)。一場(chǎng)兩館技術(shù)可行[12]、體育場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性尚好，兩館經(jīng)濟(jì)性較好。
a 交叉管桁架結(jié)構(gòu) b 蜂窩型網(wǎng)架 c 新型圓弧弦桿網(wǎng)架結(jié)構(gòu)
圖16 6號(hào)方案體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)
5.2 優(yōu)勝方案的結(jié)構(gòu)技術(shù)
7號(hào)方案體育場(chǎng)放射形布置，帶有副榀的空間桁架懸挑結(jié)構(gòu)（圖17a），屬于單向平面承重結(jié)構(gòu)體系。技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)性良好。屋面防雨圍護(hù)板設(shè)在下弦，上弦外設(shè)編織鋼板網(wǎng)，屬于暴露鋼結(jié)構(gòu)，需有特別防腐保養(yǎng)措施。兩館采用單向張弦梁剛架，受力明確，縱向支撐需與建筑效果結(jié)合設(shè)計(jì)[12]，經(jīng)濟(jì)性較好。
a 體育場(chǎng) b 體育館、游泳館
圖17 7號(hào)結(jié)構(gòu)方案
2號(hào)水晶石結(jié)構(gòu)（圖18）“一場(chǎng)兩館結(jié)構(gòu)均為空間折面網(wǎng)殼（由于新規(guī)范將網(wǎng)殼與網(wǎng)架統(tǒng)稱，故后述改為“空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)”），是一種創(chuàng)新、構(gòu)思新穎，桿件受力合理，結(jié)構(gòu)輕巧，結(jié)構(gòu)力感與建筑造形結(jié)合完美。美觀、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良[12]。”
a 體育場(chǎng) b 體育館 c 游泳館
圖18 2號(hào)水晶石結(jié)構(gòu)方案計(jì)算模型
結(jié)構(gòu)方案越新穎、越創(chuàng)新，就越有競(jìng)爭(zhēng)力，越易取勝；但最具風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)專家具有一票否決權(quán)。由于新穎抽象，令人費(fèi)解，不斷遭遇質(zhì)疑，不斷有人詢問(wèn)。作者[1]在給出上述第一階段結(jié)構(gòu)技術(shù)評(píng)審意見(jiàn)后，受邀向第二階段方案評(píng)審專家作了匯報(bào)介紹，得到第二階段方案評(píng)審結(jié)構(gòu)專家、清華大學(xué)郭彥林教授的一致肯定，驚險(xiǎn)闖關(guān)。當(dāng)時(shí)的淺顯釋疑主要如下。
1) 競(jìng)賽文件有比較充分的技術(shù)說(shuō)明。
建筑師闡釋為“水晶石”理念，結(jié)構(gòu)師稱作“折板結(jié)構(gòu)folded plate structrure[6]”，概念正確。初步的受力變形分析計(jì)算表明，經(jīng)濟(jì)可行。
2) 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)師迎接挑戰(zhàn)的創(chuàng)新能力：
建國(guó)初期的紡織廠房、電子廠房及火車站站臺(tái)多采用混凝土折板結(jié)構(gòu)（圖19a）。當(dāng)代聞名的北京798藝術(shù)區(qū)（圖19b），原為當(dāng)年的電子廠，德國(guó)引進(jìn)技術(shù)，很多廠房都是折板結(jié)構(gòu)，其折角做了圓潤(rùn)構(gòu)造處理，相當(dāng)美觀，被藝術(shù)家原樣保留裸體結(jié)構(gòu)（無(wú)包裝、無(wú)吊頂），僅凈化而用之。
我國(guó)有V形折板標(biāo)準(zhǔn)圖，非預(yù)應(yīng)力跨度達(dá)18m，預(yù)應(yīng)力達(dá)27m。
有些公建則為單曲邊折板空間結(jié)構(gòu)（圖19c）、折板拱組合殼結(jié)構(gòu)（圖19d）。
以此為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)分析能力和結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)高度發(fā)達(dá)的當(dāng)代，應(yīng)該相信結(jié)構(gòu)師能夠迎接挑戰(zhàn)，證明創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的可行性，揭示創(chuàng)新結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，革新發(fā)展出經(jīng)濟(jì)可行的水晶石結(jié)構(gòu)。
a b c d
圖19 折板結(jié)構(gòu)
3) 水晶機(jī)理與折紙手法的感悟：
建筑師設(shè)計(jì)理念為“水晶”，取自“水晶機(jī)理”，是追求的目標(biāo)。
其實(shí)，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的工法可由“折紙手法”得到啟示。
a 一張薄紙，支不起來(lái)。專業(yè)上講：“沒(méi)有抗彎剛度”，不可承重。如單向折皺，則單向折起，產(chǎn)生單向剛度，可單向承重，如同圖19ab。
b 兩端不等距折皺，變成平面折扇，沿圓周線圍合，即單曲邊折紙尖塔（圖19c）。
類推，折皺、裁剪、彎弓、組合，就象折紙燈籠一樣，折紙組合形成拱殼狀（圖19d）。
再想象，矩形紙，正交等距或不等距雙向折皺，鼓起何樣？三角形折皺鼓起何樣？換用圓片紙、圓環(huán)紙呢？橢圓紙、橢環(huán)紙呢？是否想象或產(chǎn)生大運(yùn)水晶石建筑形體的感覺(jué)？甚至想象或創(chuàng)造出更新穎的體形。
4) 結(jié)構(gòu)類型
2號(hào)競(jìng)賽方案設(shè)計(jì)師稱之為“折板結(jié)構(gòu)folded plate structrure”，折板就是三角形網(wǎng)格面，屬于單層折面網(wǎng)殼。
5) 下弦在哪里？
由于桿件折來(lái)折去，人們自然想用桁架結(jié)構(gòu)理念來(lái)理解這類結(jié)構(gòu)，深層次是力之傳遞問(wèn)題。所以回答：上下弦是“抽象的”，剛度是“折來(lái)折去”折出來(lái)的，傳力是“空間的”。
6) 變形可控嗎？
只要結(jié)構(gòu)概念成立，強(qiáng)度和變形是可以控制的，連同其他一系列技術(shù)問(wèn)題都需要通過(guò)結(jié)構(gòu)（幾何找形）、桿件材料和截面、甚至節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
7) 經(jīng)濟(jì)性？
業(yè)主擔(dān)心創(chuàng)新結(jié)構(gòu)用鋼量指標(biāo)太高。作者[1]當(dāng)時(shí)只能說(shuō)該結(jié)構(gòu)新穎，非受力需要的構(gòu)造桿件較少，輕巧，用鋼量自然比鳥(niǎo)巢要小得多。
6 實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)技術(shù)
該創(chuàng)新結(jié)構(gòu)引起全國(guó)各界人士的興趣，以及院士專家教授的關(guān)注，必然受到政府和各參建單位的高度重視，持科學(xué)地態(tài)度、方法和對(duì)策，“人肉”探索，攻克每個(gè)難題。
挑戰(zhàn)性的結(jié)構(gòu)之設(shè)計(jì)首先應(yīng)從基本概念和原理入手。有了清晰的概念，才可設(shè)計(jì)出創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)。
6.1 幾何構(gòu)成
大運(yùn)中心場(chǎng)館結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)成[14]，按兩維單元的平面結(jié)構(gòu)構(gòu)成原理示意為圖20。
由“Г形（平面）剛架”與“桁架（空腹）式Г形剛架”組合，可形成“（組合）桁架式Г形剛架（圖20a）”，屬于平面懸臂承重結(jié)構(gòu)。將Г形剛架結(jié)構(gòu)單元，沿體育場(chǎng)平面周邊放射形布置一周，加上環(huán)周系桿及支撐，就是傳統(tǒng)的體育場(chǎng)平面承重結(jié)構(gòu)體系。建國(guó)初期的體育場(chǎng)多采用混凝土結(jié)構(gòu)或?qū)嵏故戒摻Y(jié)構(gòu)Г形剛架，抑或混凝土柱與屋面懸臂鋼桁架組成的Г形剛架。上世紀(jì)末八九十年代，多采用平面鋼桁架式Г形剛架。近些年盛行立體桁架式，如7號(hào)競(jìng)賽方案，屬于帶有副榀立體桁架子結(jié)構(gòu)的立體桁架式。
a 體育場(chǎng) b 體育館、游泳館
圖20 水晶石結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)成單元
Г形空間剛架幾何單元（圖20a），沿趨近于圓環(huán)的橢圓線圍合成空間剛架結(jié)構(gòu)，即大運(yùn)體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)；圖20b門式空間剛架幾何單元沿圓周放射布置圍合，就形成大運(yùn)體育館結(jié)構(gòu)（圖18b）；沿矩形平面長(zhǎng)邊布置，兩端Г形空間剛架封閉，即形成大運(yùn)游泳館結(jié)構(gòu)（圖18c）。
一場(chǎng)兩館統(tǒng)一的幾何單元構(gòu)成原理是水晶石結(jié)構(gòu)的理論精髓，這一結(jié)構(gòu)體系用于建筑結(jié)構(gòu)屬于國(guó)際首創(chuàng)，設(shè)計(jì)水平處于國(guó)際領(lǐng)先。
6.2 支座形式
既然是空間剛架，而非平面剛架，故“鉸支”成立。前面已述，其實(shí)，圖20只是一個(gè)示意，并非支座是固支，鉸支即可。
由于建筑美觀要求，故設(shè)計(jì)為球鉸。大運(yùn)體育場(chǎng)球鉸支座的設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)性，其分析研究與設(shè)計(jì)成果同樣處國(guó)際領(lǐng)先水平。
由于幾乎用盡了動(dòng)靜平衡力學(xué)分析研究方法，綜合應(yīng)用了跨越多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)與材料技術(shù)，與結(jié)構(gòu)體系的提出應(yīng)用，同樣具有挑戰(zhàn)性。
6.3 建筑風(fēng)格體形與結(jié)構(gòu)分類折面圍繞某個(gè)空間面“折上折下”或“折里折外”，這個(gè)空間面稱作單層折面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的“虛構(gòu)面”，虛構(gòu)面其實(shí)就是建筑體形面，可用于這類建筑結(jié)構(gòu)的體形描述和分類。體育場(chǎng)為“橢圓平面馬鞍屋面形”、體育館為“圓形平面門式”、游泳館為“矩形平面門式”單層折面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。
折面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)都是“水晶機(jī)理”，或“折板（折紙）”機(jī)理（手法）。3個(gè)場(chǎng)館形狀各異，但風(fēng)格完全一致，這符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理想追求。
6.4 傳力路線
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)成分析，可以基本理解受力傳力路線。經(jīng)過(guò)力學(xué)分析，體育場(chǎng)的軸力圖（圖21a）抽象的顯示了傳力路線實(shí)際是一個(gè)空間拱（圖21b）；體育館、游泳館傳力路線可以由幾何構(gòu)成單元圖（圖20）理解為門式剛架受力簡(jiǎn)圖（圖21c）。
a 體育場(chǎng)軸力圖（隱約抽象拱） b 體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)虛構(gòu)拱 c 體育館、游泳館受力簡(jiǎn)圖
圖21 水晶石結(jié)構(gòu)傳力圖
6.5 方案優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)性
施工圖設(shè)計(jì)人員及早介入外方方案調(diào)整，同步各自計(jì)算分析，及時(shí)發(fā)問(wèn)探討，并提出研究課題，如：罩棚與看臺(tái)結(jié)構(gòu)相連利弊、結(jié)構(gòu)單元數(shù)（支座數(shù)及桿件長(zhǎng)度）與恢宏立面、三環(huán)（內(nèi)環(huán)、馬道環(huán)、肩谷環(huán)）設(shè)置與純凈室內(nèi)、鞍體垂直度及鞍面矢高與體育上揚(yáng)張力、桿件箱形截面或圓管與折面棱角或圓潤(rùn)倒角、變形控制標(biāo)準(zhǔn)確定等等，與建筑師密切配合，與國(guó)家規(guī)范編委研討，逐個(gè)突破，不斷優(yōu)化，最終取得經(jīng)濟(jì)、美觀、可靠的設(shè)計(jì)結(jié)果，實(shí)際用鋼量約226kg/m2。
6.6 可靠性
最早被質(zhì)疑用鋼量會(huì)很大，設(shè)計(jì)完成后又遭質(zhì)疑用鋼量比鳥(niǎo)巢小的太多、強(qiáng)度夠嗎？
實(shí)際上，該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件和設(shè)計(jì)過(guò)程是經(jīng)過(guò)事先周密策劃，除通過(guò)規(guī)范編委審查、方法和成果都經(jīng)過(guò)院內(nèi)和國(guó)內(nèi)頂尖專家逐個(gè)專題多次研討評(píng)審確認(rèn)、經(jīng)過(guò)第三方審查外，另有2個(gè)國(guó)內(nèi)外專業(yè)公司復(fù)核、結(jié)構(gòu)整體（1/10）及節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)（1/3）的科學(xué)驗(yàn)證（圖24），院士大師鑒定，確認(rèn)了設(shè)計(jì)成果的可靠性。
設(shè)計(jì)還布置了試加工以及施工安裝、合攏、卸載（腳手架卸載、結(jié)構(gòu)承載）等過(guò)程的測(cè)控，以及全壽命周期的健康監(jiān)測(cè)監(jiān)視，確保萬(wàn)無(wú)一失。
7 建筑效果與技術(shù)成就
建筑效果當(dāng)初被質(zhì)疑的水晶石結(jié)構(gòu)大運(yùn)中心的一場(chǎng)兩館建筑已建成，實(shí)際建筑效果（圖1）與原創(chuàng)設(shè)計(jì)效果（圖5）一致，原創(chuàng)設(shè)計(jì)師是滿意的，相信當(dāng)初的評(píng)審專家和各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)以及留言市民也會(huì)為自己的選擇和期望而欣慰。對(duì)于向城市、向社會(huì)、向市民交出的這一答卷，相信 “不留敗筆、不留遺憾、不留罵名！”的既定目標(biāo)應(yīng)該達(dá)到了“少留敗筆、少留遺憾、少留罵名！” 之修正期盼!
7.1 結(jié)構(gòu)水平中國(guó)工程院士專家組評(píng)審認(rèn)為，深圳大運(yùn)體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)水平達(dá)到“總體國(guó)際先進(jìn)，結(jié)構(gòu)體系等方面國(guó)際領(lǐng)先”，獲2010中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)（國(guó)家優(yōu)質(zhì)工程），權(quán)威性的肯定和工程實(shí)踐證明了競(jìng)賽方案階段的技術(shù)評(píng)審意見(jiàn)，經(jīng)受了考驗(yàn)，完成了承辦世界大運(yùn)賽事的重任。
a 箱形截面焊接節(jié)點(diǎn) b 主桿箱形截面鑄鋼節(jié)點(diǎn) c 焊接平面鉸支座
圖22 水晶石結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)比選方案
a 主桿圓管鑄鋼節(jié)點(diǎn) b 鑄鋼球鉸支座
圖23 水晶石結(jié)構(gòu)工程節(jié)點(diǎn)照片
a 體育場(chǎng)整體試驗(yàn)?zāi)Ｐ?nbsp;b 體育館整體試驗(yàn)?zāi)Ｐ?nbsp;c 節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?br />
圖24 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?br />
8 鳴謝
本文直接引用了7個(gè)競(jìng)賽方案的效果圖和有關(guān)原始資料，建筑方案原創(chuàng)建筑師的論述[5]-[11]、方案評(píng)審專家點(diǎn)評(píng)意見(jiàn)[12][13]。
感謝方案競(jìng)賽單位[5]-[11]，感謝第一階段技術(shù)評(píng)審專家：張弛規(guī)劃師（當(dāng)時(shí)的職稱，下同）、楊華高級(jí)規(guī)劃師、高青教授級(jí)高級(jí)建筑師（本文審稿人）、肖明高級(jí)建筑師、袁勇高級(jí)工程師（體育工藝）、郭滿良教授級(jí)高工（結(jié)構(gòu)）、陳志強(qiáng)教授級(jí)高工（結(jié)構(gòu)）、牛曉陽(yáng)教授級(jí)高工（暖通）、凌智敏教授級(jí)高工（強(qiáng)弱電）。
感謝第二階段方案評(píng)審專家：鐘訓(xùn)正院士（建筑）、朱榮遠(yuǎn)教授級(jí)高級(jí)規(guī)劃師、王富海教授級(jí)高級(jí)規(guī)劃師、郭明卓設(shè)計(jì)大師（建筑，本文審稿人）、黎沱芬設(shè)計(jì)大師（建筑）、張家臣設(shè)計(jì)大師（建筑）、錢鋒教授（建筑）、張伶伶教授（建筑）、劉毅高級(jí)建筑師、湯順宏高級(jí)工程師（體育工藝）、郭彥林教授（結(jié)構(gòu)）。
感謝市政府、工務(wù)署、體育局和規(guī)劃局的各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)，尤其感謝體育局場(chǎng)館建設(shè)管理處負(fù)責(zé)建筑方案征集競(jìng)賽的袁勇處長(zhǎng)。
感謝承擔(dān)深圳大運(yùn)中心規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)國(guó)際競(jìng)賽的代理單位深圳市鑫中建建筑設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司，感謝參加和關(guān)注該項(xiàng)目設(shè)計(jì)與建造的所有人士，尤其是優(yōu)勝方案公示期間留言的市民。
參考文獻(xiàn)
[1] 孟建民，失重，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008年
[2] 郭滿良等，災(zāi)難的遺產(chǎn)—紐約世貿(mào)雙塔樓坍塌分析，建筑結(jié)構(gòu)，2002年9月
[3] 張弛等，深圳市奧林匹克中心（大運(yùn)中心曾用名）設(shè)計(jì)規(guī)劃要求，深圳市規(guī)劃局，深圳市體育局，中國(guó)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院深圳分院，2005年12月
[4] 郭滿良，袁勇等，深圳市世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)體育中心詳細(xì)規(guī)劃及一場(chǎng)兩館建筑方案設(shè)計(jì)國(guó)際邀請(qǐng)競(jìng)賽，競(jìng)賽文件、及詳細(xì)規(guī)劃、主體育場(chǎng)、主體育館和游泳館設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)（共4冊(cè)），深圳市工務(wù)署，深圳市體育局，深圳市規(guī)劃局，深圳市鑫中建建筑設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司2006年4月30日
[5] David等（美國(guó)HOK），深圳市世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)體育中心詳細(xì)規(guī)劃及一場(chǎng)兩館建筑方案設(shè)計(jì)國(guó)際邀請(qǐng)競(jìng)賽方案（下同）（1號(hào)），2006年6月25日
[6] 曼哈德 •馮•格康等（德國(guó)GMP），（同上，下略），2號(hào)方案
[7] 澳洲COX， 3號(hào)方案
[8] 北京市建筑設(shè)計(jì)研究總院， 4號(hào)方案
[9] 澳洲BLIGH VOLLER NIELD, 5號(hào)方案
作者簡(jiǎn)介：郭滿良1 黃朝捷1 凌江1 肖明2
（1深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院，深圳，518031， 2中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)院深圳分院，深圳，518030）
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