木结构在体育建筑中的应用与发展

刘益东 刘 伟

(长安大学，陕西 西安 710061)

1 研究背景

我国当前城镇化正处于由粗放型扩张向精细化增长，由增量开发向存量更新转型的关键时刻。而体育建筑作为城市发展中重要的组成部分，也在城市发展的过程中产生了巨大的变化。体育建筑的设计重点逐渐向既有体育建筑的价值挖掘、功能提升性能优化等方面转移[1]。众所周知，木材的保温性能较其他材料更加优秀，这样的优势使得木材可以通过减少热损失的方式在调节气温方面有效降低成本。如今越来越多的建筑师将木材作为的建筑材料加入建筑的结构设计制造、表皮纹理的技术表达等环节中。在处处可见“混凝土森林”的当代，人们越来越亲睐自然清新的木结构[2]。

木结构在逐渐走向成熟的建筑材料与技术的发展过程中衍生出多种多样不同于传统结构的形式，如桁架拱、伞形穹顶、树形柱、空间网格。在现有的大跨木结构建筑实例中，它所营造的美观造型和绿色自然的效果十分优秀；因此在欧洲、北美和日本等发达地区木结构已被广泛应用于体育馆、展览厅等大型公共建筑中[3]。

2 传统木结构在国内外的发展与应用

2.1 我国传统木结构的发展与应用

中国是最早使用木结构的国家之一。其中最为经典的木构建筑是五台山佛光寺大殿和应县佛宫寺释迦塔。

五台山佛光寺大殿和应县佛宫寺释迦塔代表了我国传统木构建筑的至高成就。佛光寺大殿的筑成与辉煌告诉人们，早在一千多年前木结构就可以实现艺术加工与结构造型的统一，体现力与美的完美结合。应县释迦塔经历了上千年的风吹日晒，据记载，仅烈度5度以上的地震就遭受过十几次。千年不倒的应县木塔充分表现出了木架构优秀的抗震效果，这种刚柔并济的设计特点甚至能够比肩现代建筑学的科技水平。

2.2 外国传统木结构的发展与应用

早在公元2世纪，万神殿柱廊之上便出现了木桁架。随着西方国家拱券技术发展走向成熟，在钢铁被大量使用之前，木构件因其构件轻、强度大的特点常被加工用于穹顶结构。在中世纪时期，人们大力发展桁架结构用于满足逐渐增大的建筑物跨度需求，如13世纪时就产生了哥特式风格桁架，15 世纪，将肋拱与“托臂梁桁架”相结合，制作出更大的跨度[2]。

在以欧洲为代表的西方建筑领域，桁架结构和拱券是常用的大跨木结构形式。因为石拱券产生的巨大侧推力是石拱券结构中产生的不可避免的问题，所以人们为了抵消石拱券所产生的侧推力，便将木材仿照石拱券制作，形成木拱券[5]。

3 木结构的优势

3.1 低碳环保

木材是可再生的生物质材料。木材在制作、运输、供应建造的过程中产生的能耗要远低于目前建筑材料中使用较多的钢材与混凝土。木材作为一种对环境负荷极小的建筑材料，具有与环境亲和度高的特点，木结构的构件不仅可以标准化生产，而且能满足施工现场建造装配的要求，使建筑周期缩短，从而降低施工建造中的能耗。

3.2 保温隔热

木结构建筑具有良好的保温隔热性能。木材作为天然的隔热材料，密度较大的钢材与混凝土等材料的保温性能远不如蜂窝状结构的木材[7]。木结构的墙体和屋架体系由木基结构覆面板、保温棉和木质规格材等组成。测试表明，610 mm厚的砖墙，其保温能力仅相当于150 mm厚的木结构墙体，且在混凝土结构与木结构节能损耗的对比数据中，木结构可以节省50%～70%的能量。因此，木结构更适用于高标准节能要求[8]。

3.3 安全耐久

不同构造的木结构在对石膏板等保护、装饰性材料的运用下，可将其耐火时间从45 min提高到1.5 h。我国建筑的防火规范中对于一般耐火时间的规定为1 h[8]。由于木结构的箱式结构能够很好的将受力均分，自重较其他材料更轻且木结构具有良好的弹性功能，所以木结构在抵抗瞬间冲击力与周期性疲劳破坏的方面有优秀的抵抗能力，这些特点使木结构相比于其他建筑材料具有更加优秀的抗震效果，木结构在地震时极少发生结构性损坏，从而降低地震造成的人员伤亡。

4 体育建筑中木结构的应用实例

木结构具有优秀的比强度与比刚度，是一种特别适合大跨度建筑的结构形式[3]。在现代科技的发展下，木结构体系早已不局限于其本身材料的运用，对木材的加工或将木材与其他材料进行复合加工形成一种新型结构材料的结构构建方式已然成为木结构发展的方向。其中，目前被广泛运用于体育建筑的木结构形式就有胶合木结构、钢木结构等。

4.1 美国塔科马体育馆

胶合木是近几年发展十分迅速的结构材料，它相较于钢结构等其他结构具有自重更轻、耐火性能更好、在特殊环境中防腐蚀性能更好且更为绿色环保等优势，因此越来越多的大跨度建筑开始运用胶合木材料。

位于美国的塔科马市的塔科马体育馆采用了胶合木单层球面木网壳。塔科马体育馆的木结构穹顶直径达到了162 m，高出地面45.7 m，且与一个13 900 m2的展厅相连接。为了提供不同种类的活动足够舒适的尺度，设计师还将穹顶内的座位设置为可调节的形式[10]。穹顶结构包括交织成巨大弧形的三角形木构架，它能够承受庞大的荷载。每一根主肋被 Varax 彀互相连接起来，且被弯曲成最适应穹顶表面的曲线。这些六边形的钢连接构件能够将轴线方向的压力、剪力和弯矩从肋骨的端部传递到其他5根与之相接的肋骨。这样的连接件使得穹顶形成一个三维的空间构架，能够承载足够的荷载[10]。

比起传统的穹顶建筑材料，木构穹顶有许多优点。除了其支撑固定荷载的能力外，木构穹顶还能提供优秀的声学效果、热学绝缘性能和防火能力。室内表面铺有声学绝缘板，这些绝缘材料配合穹顶的形状，形成了一个良好的具有剧院音质般音响效果的空间[10](见图1)。

4.2 上海崇明体育训练基地游泳馆

钢木结构是将钢构件与木构件相互组合形成构筑物的结构体系。钢木结构不仅能够发挥钢构件坚固耐用的优势，而且还能够呈现出木构件丰富多样的表现形式。钢木结构的保温和耐腐蚀的优势很大程度上解决了当前游泳馆建设和使用中的难题。它可以有效减少冷热桥，防止结露，也更耐游泳馆含氯水汽腐蚀，避免破坏构造，影响使用[12]。

以上海市崇明体育训练基地游泳馆工程为例，游泳馆大厅长 64 m，短向跨度45 m，布置有25 m×50 m游泳池及25 m×25 m的训练池各一个。设计中，结构师提供可选的结构布置方案分别为平行拱和交叉菱形网格壳体。前者为单向的受力体系，空间作用差；后者纵向和横向刚度更高，为空间作用结构体系。结合建筑师对于室内空间均质肌理和韵律感的设想，选择交叉菱形网格壳体方案，拱壳屋盖与下弦拉索结合顺应泳池空间短向布置，形成钢木混合张弦壳体结构，既充分发挥壳体与张拉结构的综合作用，又将结构形式与池岸泳池空间的不同高度需求相结合，实现了结构与空间的内在结合[12](见图2，图3)。

5 结语

木结构是我国传统建筑结构，探讨其发展与应用对我国建筑发展及文化传承有着重要的意义。目前我国关于木结构体育建筑的实例屈指可数，这意味着，在木结构体育建筑领域蕴藏着巨大的建筑设计潜力和推动体育建筑设计与木结构设计的巨大能量。将木结构与体育建筑的发展相结合，不仅能够给体育建筑设计带来新颖的表现形式，而且能够将我国传统木构建筑文化承载于体育建筑这样庞大、具有标志性的建筑物从而孕育出新的文化符号。