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空间结构在2018年俄罗斯世界杯中的应用

时间: 2018-09-03     来源: 中国建设报

□ 刘锡良 马 睿

2018年世界杯已在俄罗斯落幕。本次世界杯分别在俄罗斯的12座体育场馆中举办了共计64场比赛。12座体育场馆分布在俄罗斯的11座城市,包括8座新建场馆和4座改造场馆。

世界杯在展现足球运动魅力的同时,也促进了空间结构的应用和发展,新的场馆建设和旧的场馆改造所带来的工程应用需求也激发了土木工程人员的创造力,促进了结构设计和施工技术的进步。同时为体现绿色可持续的理念,本届世界杯场馆在建设中选择环保材料,并采取了多项节能新技术。本文将根据收集到的资料从设计理念、结构形式以及施工技术等方面对12座场馆进行简要介绍。

一、新建场馆

1.斯巴达克体育场(Spartak Stadium)

斯巴达克体育场位于俄罗斯莫斯科市,这座球场的设计灵感来自斯巴达克的钻石徽章,外立面由600余块巨大的菱形玻璃幕墙组成,创造出一种类似武器的效果,幕墙总面积超过了1.5万平方米。平时菱形幕墙是斯巴达克球队球衣的红白颜色,而在其他球队比赛时,幕墙可根据球队的球衣变幻出不同的色彩。

斯巴达克体育场屋盖采用桁架结构体系,主要由21根空腹桁架和多个蜂窝梁组成。由于其地理位置比较特殊,莫斯科当地全年的温度能在-40℃到40℃之间变化,同时冬季的降雪量较高,因此温度效应和积雪荷载成为了结构设计的难点。为了解决这些问题,设计师综合考虑了经济效益和施工难度,尽可能采用重量轻、尺寸小的构件,从而降低了屋顶的自重,并对屋顶上的积雪分布进行了一系列的试验,使得屋顶的设计能够更准确地考虑实际的屋面荷载。最后采用参数化分析技术,优化了结构设计,使得整个结构设计方案具有了很高的性价比。

2.圣彼得堡体育场(Saint Petersburg Stadium)

圣彼得堡体育场位于俄罗斯涅瓦河畔波罗的海芬兰湾的源头处,是最靠北的体育场。圣彼得堡体育场是俄罗斯最大也是最高的体育场,因其造价高达349亿卢布(约5.7亿美元),也成为了世界上造价最高的场馆之一。

该场馆由日本著名设计师Kisho Kurosawa(黑川纪章)设计,设计理念是“一艘降落在芬兰海湾岸边的飞船”。从技术上看,这座体育场也是世界上最先进的体育场,配备有可移动屋盖(开合仅需要15分钟)和可滑移草坪,同时为保证自然足球草皮的正常生长,场馆温度常年维持在15℃。

体育馆屋盖酷似一个由桁架支撑的以球场为焦点的“凹面镜”。屋盖采用索穹顶结构形式,整体屋盖通过斜索拉结在8根倾斜的钢筋混凝土塔桅上,同时为了实现屋盖开合功能,还设计了车道桁架。屋面采用铝合金复合板,呈现出银灰色的外观,可伸缩部分则采用了ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)膜材,以起到保护的作用。

3.莫尔多瓦体育场(Mordovia Arena)

莫尔多瓦体育场位于俄罗斯萨兰斯克市,处于伏尔加河中游的支流因萨尔河畔。体育馆由德国设计师蒂姆·胡佩设计,整体椭圆形造型和桔红白三色结合的外立面展现了莫多维亚的艺术特色。

体育场采用管桁架结构形式,在设计施工中应用了BIM技术,整体用钢量有6000吨,焊缝总长超过了1.2万米。

为达到绿色环保的要求,场馆在建设时使用了大量的绿色材料,包括高质量隔热墙、防水材料、看台上的半透明聚合物屋面板等等。

4.下诺夫哥罗德体育场(Nizhny Novgorod Stadium)

下诺夫哥罗德体育场位于俄罗斯下诺夫哥罗德市东北部的伏尔加河与奥卡河交汇处,其设计灵感来自伏尔加河的自然元素——水和风,体现了“动静结合”的设计理念。碗状的体育馆被半透明的波形外立面包裹,切向楼梯径直通向行人画廊,赋予了竞技场动感的基调。夜晚随着灯光点亮,体育场能呈现出不同的外立面造型,空灵而又富有创造力。体育场占地127500平方米,造价约170亿卢布。屋盖为桁架结构,支撑在周边的三角形柱上。

5.伏尔加格勒体育场(Volgograd Arena)

伏尔加格勒体育场位于俄罗斯伏尔加格勒市东部,该场馆由德国GMP建筑设计事务所设计,是本届世界杯最具特色的球场之一。为纪念胜利日,外立面呈现出胜利烟花的形状,因而该场馆也被称为“不朽的丰碑”。

体育场结构由倒放的截锥形网格外立面、悬索屋盖和膜屋面三部分组成。悬索屋盖看起来像是自行车的轮辐,这样的设计使球场具备了更好的通风功能。膜屋面采用PVC(聚氯乙烯)和ETEE膜材,膜材面积超过了7.6万平方米。在施工中有三大难点,分别是构件精细化定位、节点焊接和防腐涂层质量的影响。

6.罗斯托夫体育场(Rostov Arena)

罗斯托夫体育场位于俄罗斯罗斯托夫市南部的顿河河畔,该场馆由美国著名球场设计公司populous设计,最初的设计理念是“融入海边环境”,因此屋盖设计成了高低起伏的形状与顿河的蜿蜒曲折交相辉映,高低不一的看台使得观众不仅能够为球赛加油呐喊,还可以欣赏到顿河的美丽风光。后来,由于造价的原因,对屋盖进行了简化设计,并采用了膜屋面。

7.加里宁格勒体育场(Kaliningrad Stadium)

加里宁格勒体育场位于俄罗斯加里宁格勒市东南部的十月岛上,该场馆由法国的Wilmotte & Associés建筑事务所设计,融入了“现代化”的理念,采用玻璃幕墙的外立面,使得整座体育场看起来更像是一座商场而不是体育场。

为了使体育场满足更多的功能使用要求,体育场屋盖的最初设计是可开合的,但由于造价的缘故,设计方案进行了多次更改,最终体育场采用了桁架结构体系,并取消了开合屋盖的设计,同时场馆内看台分为两层,第二层是可拆卸的,世界杯比赛结束后将会被拆除,可容纳人数也将降至2.5万人。

8.萨马拉体育场(Samara Arena)

萨马拉体育场位于俄罗斯萨马拉市北部,该场馆由著名的GMP公司设计,设计理念以“空间”为主题,意在向当地繁荣的航空事业致敬。当夜晚降临,灯光点亮,整个体育场就像是一个飞碟。

体育场跨度330米,高65.5米。屋盖为空间网壳结构,可划分为32个径向区域,每个区域包括3个安装块,每块区域重277吨,而整个结构的用钢量超过了1.3万吨,屋面则采用轻质金属屋面板。由于场馆处在地势较陡的坡地上,设计者将坡地分成了几层,不同层之间通过台阶和坡道进行连接。