现代木结构在大型场馆类建筑中的应用和优势

木结构,高度预制化装配化

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03-22

中国现代木结构建筑技术产业联盟 毛林海

上世纪80年代以来,国家有关部门为保护我国森林资源,一直提倡节约木材,特别是在建筑领域,因此木结构建筑的发展在我国受到制约。而与此同时,木结构因为其天然环保绿色低碳、极具美学价值等特点在发达国家得到普遍应用与发展,建造技术水平已相对成熟。无论是在住宅建筑中还是大型场馆类建筑都可以看到优秀的木结构设计。

随着我国森林资源蓄积量的提升,以及对建筑节能减排的日益重视,木结构在最近20年里逐渐地回归中国建筑市场,并被越来越多的人接受和认可。木结构建筑独特的建筑风格,充分体现了高度预制化装配化的工业化特点,以及绿色环保的建筑优势,同时大量结合现代建筑科技手段,为用户提供了舒适、美观、低碳、节能的建筑体验。但是木结构在大型场馆类建筑及其配套设施中的应用却几乎呈空白状态。

一、2008年北京奥运会给全世界带来了一场难忘的的绿色奥运、人文奥运。相隔14载,北京将再次承办2022冬季奥运会,更要处处继承和发扬绿色奥运和人为奥运的精神。中国是拥有千年文明的大国,散发着浓厚的历史文化气息;木材作为一种天然建材,古老而又现代,木结构建筑在风格特性上与城市特点遥相呼应,彰显人文特点,焕发历史神韵又不失现代气息。因此,木结构的场馆不仅是可供使用的功能实体,更将成为一处人文景观,成为一个城市的标志性建筑。

以美国塔科马穹顶体育馆为例(图1、2),1980年,塔科马市准备修建一座大型多用途体育馆,通过全国范围的招标和筛选,3个候选方案入围最后一轮的角逐。最终,木结构方案因其在外观、环保、性能等方面的领先优势而被采纳。塔科马穹顶体育馆为当地创造了几百个就业机会。由于它材质新颖,外形独特,成为该市的一个旅游景观,有效地刺激了当地经济快速发展。落成的塔科马穹顶体育馆大厅面积13900平方米,直径达160米,最多可容纳26000名观众,穹顶距地面高45.7米。体育馆内可举办足球、网球、篮球等不同规模的体育赛事,这里还是NBA联赛的一个固定赛场。

图1 塔科马穹顶体育馆

图2 塔科马穹顶体育馆结构图

1998年第18届日本冬季奥运会建造的著名的木结构“长野奥林匹克纪念竞技场” (图3、4),这座经典的建筑因外观新颖奇特,被称为“M之波”。“M之波”能有如此强烈的开放与自由感觉,其主要因素就是它的木结构屋顶。216米×80米的室内空间效果非常震撼,可移动的天棚和周围的墙壁可以扩大空间。在建筑外部,体育馆具有有力并稳定的造型,以及明确的材料选择。

图3  长野奥林匹克纪念竞技场

图4  长野奥林匹克纪念竞技场室内图

2010年温哥华冬季奥运会的速滑馆Richmond Oval(图5)也是采用的木结构。该馆建筑面积33000m2,包括一个20000m2的大厅(400米赛道),可容纳8000名观众,跨度达到100米。速滑馆由2400m3的SPF规格材(用于波浪木屋面板)、19000张1.2m×2.4m花旗松胶合板(主要用于屋面)和2400m3花旗松胶合梁(用于屋面拱),结合70m3黄柏胶合木柱(用于室外支撑柱)构成。速滑馆底部两层的地面是现浇混凝土,屋盖由100m跨度的钢—胶合木复合拱支撑在巨大的斜向混凝土支墩上,钢木复合拱的截面为空心V形,空心结构为管线的铺设提供了空间,拱身上可以看到有空调系统的出(进)风口。这个建筑优雅美观又不失实用性。

图5  温哥华冬季奥运会的速滑馆Richmond Oval

2012年伦敦奥运会的自行车赛馆(图6)采用了木结构的屋顶和外围护表皮。自行车馆是一个永久性结构和标志性建筑,是奥林匹克公园及其所在的低山谷地区永恒的遗产。自行车馆是奥林匹克公园四个永久性场馆之一,6000个座位既在奥运会期间使用,在奥运会结束之后也将被保留。两个最主要轴线上不同的高度需求确定了建筑双曲面屋顶将是最理想的建筑形态,同时使用大网眼窗纱屋顶结构极大地降低了承重和建材消耗。上层碗的形状同样是最适合的,保证了自然通风。高度保温隔热的木结构屋顶和场外预制的实木护墙板减少了高空作业量和建造时间并提供高性能的建筑环境。

图6  伦敦奥运会的自行车赛馆

二、木结构场馆除了美观、坚固、舒适的特点以外还有其它优势:

1)自重轻:同样规模与造型,木结构的重量是钢筋混凝土结构的1/4~1/6。

2)跨度大:现代木结构由优质原木板胶合加工而成,可以突破传统型结构的跨度限制。100米以上的大跨度项目在世界范围已成功建成,投入使用30余年,仍完好如初。

3)抗震安全:自重轻,在有地震发生时,木结构遭受地震破坏的机率非常低。在欧洲,木结构的安全性被公认为比钢结构、水泥结构都高。

4)防火:大型木结构在表面温度达到1200度时,木材的性能无变化。如健身房的木结构在燃烧60分钟时仍不会坍塌。同样条件下,钢结构却会变型。

5)防腐、防潮:每一根木构件都经防腐、防潮处理,即使是在水汽、湿气很重的游泳馆,也能适用。其中值得指出的是,经过特殊处理的木材,在游泳馆和溜冰场等场馆中可发挥其它材料不可比拟的优势。在游泳馆中水气蒸发很严重,特别是池水中的氯离子会严重腐蚀馆内的金属材料。如果游泳馆采用钢结构,后期使用过程中的维护保养成本将非常高。相反,木结构材料经过处理后,可以很好地抵御水蒸汽的侵蚀,保护场馆的结构不被损坏。

6)隔热保温:木材是性能优良的保温材料,因此它应用在建筑中可以有效减少热损失从而使气温调节成本降至最低。通过在顶层增加隔热、保温材料,木结构屋顶能起到很好地隔热、保温作用。

7)隔音效果:木质材质的天然隔音效果使体育馆拥有相当于音乐厅一级的音响效果。

8)设计灵活、因地制宜:每个项目都综合考虑客户的具体需求及所在地的地质、气候条件,充分满足抗震、防火、风载、雪载等标准要求。

9)使用寿命长达100年以上,可永久使用。

10)绿色节能:木材是可再生资源,其生产与使用有利于环境保护。木材生产所消耗的能量远低于其它建筑材料,如钢或混凝土。生产一吨木材所消耗的电量为453千瓦,而生产一吨钢材则需要耗费3780千瓦电量。而且,每生产一立方米钢就会有5320公斤的二氧化碳排放到大气中,每生产一立方米混凝土会产生120公斤二氧化碳。与之相比,木材的生产过程则是消耗二氧化碳产生氧气的过程。此优势在建造大型建筑或规模配套设施时,体现得尤为明显。因此,无论是设施建造之前的材料生产过程,还是设施使用中的环保效应,更或者是预见到建筑停止使用后的回收处理问题,木材都是绿色环保的有力保障。

现代木结构可以广泛应用于网球馆、游泳馆、篮球馆、健身房、体育场、超级市场、图书馆、校舍、休闲餐吧、大型剧院、游廊、桥梁等各类运动场馆及公共设施(城市景观等)。

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