建筑结构丨18个月！即将迎来第二次奥运使命的代代木国立体育馆创造了建造奇迹！|163

本文转自：iStructure （ID: iStructure2017）；作者：彭超钱晨。

作为1964年东京奥运会主场馆的代代木国立体育馆（主馆和副馆），其创新的结构形式与建筑理念完美契合，由于当时的非线性计算能力、施工水平以及紧张的工期（18个月），一度被人们认为无法实现。在争议中艰难前行，1964年的辉煌后，经过1年多的修缮，他将迎来自己的第二次奥运使命！

▲代代木国立竞技场

01 缘起

让我们退回到70年前，从1950年代到后现代主义到来的20年间，在任何其他地区的结构工程的发展都没有像在日本那么迅速。这一时期惊人的经济增长像是岩浆爆发一样，为各个领域的技术进步提供资金支持。建筑也不例外。从骏府会馆（Sumpu Kaikan/1957）开始，一系列钢筋混凝土壳体结构的诞生回应了这样的社会热潮。

▲骏府会馆马鞍面混凝土壳体

但是同时期在世界的另一端由建筑师马修·诺维奇（Matthew Nowicki，1910-1950年）设计的多顿体育馆（位于北卡罗来纳州）于1952年完工，为世界上第一个索网屋面结构的建筑。

▲多顿体育馆

多顿体育馆采用了马鞍形的索网屋面支撑在受压的抛物线混凝土主拱结构上，周边为支撑主拱竖向荷载的混凝土立柱，兼做幕墙立挺。实现了97m x 92m的无柱空间，同时室内可以获得更多的采光。

▲多顿体育馆

通过调整倾斜的角度，使得重力与索网拉力的合力基本沿着主拱所在平面内，同时不像悬索桥那样需要背索来平衡中部拉力以及带来的锚墩和基础的抗拔压力，结构合理、高效而经济。

▲主拱倾斜角度决定是否需要背索

同样是马鞍面的屋顶，一个用壳体，一个用索网，后者带来的冲击力是巨大的。加之混凝土壳体结构需要大量的人力来布置钢筋，模板制造以及在倾斜表面浇筑混凝土，其开始慢慢失去活力。

▲1958年布鲁塞尔世博会

索网结构对结构师弗雷·奥托Frei Otto（1925-2015）产生了巨大影响，并加速了膜结构的诞生。在1958年的布鲁塞尔世界博览会上，很多结构都探索了拉力结构的可能性。

▲科隆联邦庭院展览入口拱门 1957 弗雷·奥托

由埃罗·萨里宁（Eero Saarinen）（1910-1961）为耶鲁大学设计的David S.Ingalls索网曲棍球场在1959年完工，双曲的索网屋面支撑在中间主拱与边拱之间。

▲David S.Ingalls索网曲棍球场

1950年代的这些轻型结构对日本建筑师丹下健三（1913-2005）和坂仓准三（1901-1969）的影响很大，这或许也影响了代代木体育馆的设计理念。

02 形的由来

建筑师丹下健三实录中记载：

“从设计伊始，我们就一直在思考体育馆的空间应该有足够大的开口，这样进进出出许多人就不会感到障碍，不仅在物理意义上，而且在心理意义上。换句话说，我们要避免封闭感，这种封闭感在屋顶覆盖的封闭式看台中通常会感觉到。我们还认为，对于两个体育馆的相对位置来说，这种开放是必要的，以后还会有更多的联系。”

▲从左到右依次为穹顶、桁架以及悬索方案

最初的结构方案也是三种类型，穹顶、空间桁架以及悬索结构。

穹顶方案在结构技术上最简单又合理，但是球形天花板在声学上有致命的缺陷（聚声及混响）。另外空间的容积极大，在音响处理上以及对暖气效率相当不利。

桁架方案较易实现，但是会给空间带来压迫感。

悬索方案为凹空间，减轻了采暖负荷，同时便于音响处理。

▲体育馆平面

当然采用悬索方案的决定因素正是因为其形态契合建筑师的两个主要理念：入口因为结构本身处于形态高点带来的大空间（上图中红虚线）以及屋面向上打开的形态消除了室内“封闭感”。

▲向上的形态

这给当时的结构师坪井善勝也带来了不小的挑战，因为壳体理论已不足以掌握这种柔性的结构系统的行为，并且采用更为复杂的手段去了解几何非线性结构的本质是必要的。

03 第一体育馆

第一体育馆的主结构为两根27.5m高的立柱，相距126m，其后通过44m投影长度的背索拉至锚墩，形如一个悬索桥。2根主索外径33厘米，由 31根直径5.2cm,6根直径3.45cm的钢缆组成，主索最高点27 .5米，中间部分距地17 .87米。

▲总体结构

▲第一体育馆结构图解

通过拉紧它们来给全体屋顶结构施加预张力。两条主索在平时分别承受着约1350t的拉力。当主索施加上述张力时，横截面的应力为251N/mm2，破断安全系数为5左右（一般吊桥拉索安全系数为3左右）。在这里，有必要为了提高建筑物的刚度，横截面会稍大一些。

▲中部主索清水建设

主索之间架设梯形桁架，保证了索的侧向稳定性的同时兼做天窗结构。

▲主索之间桁架清水建设

屋面结构为马鞍形，不同于“纯柔性”索网结构，结构师坪井善勝创新的采用了“半刚性”的设计理念来应对飓风下的屋面摆动（屋面结构自重小于100kg/m2），即将悬链方向的钢索替换为工字形钢曲梁（单侧最大跨度约60m），曲梁腹板打孔穿索，张拉2根主索时屋面自然就绷紧了，屋面在风吸力作用下钢曲梁相当于倒置的拱，增强了屋面的整体刚度及抗风稳定性。

▲钢曲梁以及腹板穿索清水建设

经过测算，屋面在台风下产生共振的危险风速约为134m/sec，而1955年9月鹿儿岛气象台观测到的台风平均风速34.9m/sec，瞬时最大风速在60m/sec，远小于134，因而结构是安全的。

由于刚度有限，需要处理在施工过程中钢曲梁与主索之间的角度变化，设计了万向接头，可相互转动而无平动，最终屋面覆以4.5mm厚的钢板，再次增强整体刚度。

▲屋面钢板焊接清水建设

▲万向铰示意清水建设

为了保证屋面在飓风作用下的稳定性以及施工的方便性，在第一体育馆中使用了油性阻尼器进行耗能，这是在大跨建筑中首次引入并运用了阻尼概念。由于该装置对结构很重要，所以丹下想让每个人都能看见，因此刷以红色涂漆。

▲油阻尼器

同时在两侧立柱顶部设置了摆动铰节点，每个节点由三个单元构成，以应对主索径向及横向的位移。

▲主索径向及水平向摆动清水建设

▲摆动铰节点清水建设

由于看台是斜向结构，往往下部需要支撑，但是此方案中，看台由于自重和荷载产生向外的倾覆力被屋盖钢曲梁的拉力抵消，解放了看台下部空间的同时也缓解了支座的压力，这一重要的平衡系统使得建筑结构相得益彰。

▲看台结构自平衡体系

04 第二体育馆

第二体育馆的结构思路与第一体育馆类似，也是运用了悬挂屋面的原理，但策略有所不同。

▲第二体育馆

主结构为35.8m高的一个立柱，主索为直径40.6cm的钢管呈螺旋状布置，一端连接柱顶，一端连接地锚。主钢管与立柱之间通过一系列的斜杆形成稳定的主结构。

▲主管与斜向撑杆

第二体育馆平面投影约为65m直径的圆形平面，屋面结构为一系列向心的桁架梁，桁架梁之间的系杆也是钢梁以及钢斜撑，而不是像主馆那样为拉索。最后覆以3.2cm的屋面板。由于屋顶具有较大曲率以及桁架有较大的高度，所以总体上来说，第二体育馆算是刚性结构。

▲悬吊桁架与横向系杆、支撑

同时由于第二体育馆没有背索，为单立柱支撑，需要“硬抗”，柱底会有很大的弯矩，所以对立柱施加预应力，以防止因开裂而导致的刚度下降。

05 写在最后

主馆和副馆的整修加固工作，施工方还是当年施工单位之一的清水建设，这种传承延续还是挺感动的。主要的加固是应对新的抗震规范，增补部分剪力墙、补桩以及对主塔和钢结构进行补强。

▲主馆加固

坪井善勝的学生斋藤公男在其著作《空间结构的发展与展望》中回忆：

“当时的吊挂结构刚刚在建筑世界中崭露头角，无论在结构设计上，还是在施工方法上经验甚少，处于摸索阶段。在计算机还未登场的年代，对于大变形及非线性这种结构分析几乎是不可能的，那时的主要计算手段只能是手算或用电动计算机。在这种状况下代代木体育馆的设计开始推进。进行空间设计，对分析方法进行讨论，运用试验手段进行确认，进行节点设计。边研究施工方法，边进行设计工作，这实在是一种日夜兼程的艰苦作业。”

▲1/30 缩尺试验清水建设

负责吊装施工的清水建设负责人大千荣一（Eiichi Oki）回顾了当时的情况：

“这是一座空前的建筑，在有限的时间内做一个从来没做过的项目是需要巨大的勇气和魄力的。很难理解图纸上究竟代表着什么，每个人都在一系列会议和研究中摸索。20万人的奔波和18个月的施工在技术或经济上都不容易，但这是表达对奥运会热情的纪念碑。我们为完成建设感到自豪。”

▲除夕夜赶工清水建设

项目落地也是每一个工程人的自豪。

参考文献：

1）国立屋内総合競技場の設計をかえりみて丹下健三

2）国立屋内総合競技場の計画概要について神谷宏治川口衛井上宇市

3）《Kenzo Tange：Architecture for the World》Kuan Seng; Yukio Lippit

4）《丹下健三》马国馨

5）www.shimz.co.jp

感谢马琳、华培景同学，童真千慧建筑师，冼浩辉建筑师对本文文献和案例解读方面的帮助。