北工大体育馆钢架撑起巨型“羽毛球”(图) -- 中国网

亮点一:世界跨度最大预应力弦支穹顶

北京工业大学体育馆毗邻东四环路，将承担北京2008年奥运会羽毛球、艺术体操比赛项目。体育馆主要包括比赛馆和热身馆两部分，比赛馆高25.9米，热身馆高15.5米。从高空看去，体育馆好像一个扁平的羽毛球，热身馆好似羽毛球的球冠部分，比赛馆就是羽毛球的羽尾部分，轻盈而美观。

走进体育馆，很多人都会有一个错觉，这个体育馆内部显得特别的高大敞亮，难道是它的面积比其他体育馆大吗？北京工业大学副校长张爱林解释说，其实体育馆并不是面积大，而是体育馆的预应力弦支穹顶结构将内部空间“变”大了。不但空间变大了，而且北京工业大学体育馆还创造了世界建筑史上的一个纪录——世界上跨度最大的预应力弦支穹顶，最大跨度达93米。

张爱林说，在解释预应力之前，首先要了解奥运羽毛球馆采用的钢结构体系——张弦穹顶结构。这种结构的上部是一个球冠顶面的单层网壳，由很多钢管组成，下部用钢索撑起来。奥运羽毛球馆的跨度为93米，如果只用单层网壳支撑这么大的跨度，就要大大增加构件的截面尺度，结构就会很笨重，也会浪费很多钢材，因此在羽毛球馆单层网壳下面要使用高强度的钢索进行张拉，将网壳支撑住。

预应力就是在构件中提前加力来应对钢结构本身所受到的荷载，包括屋面自身重量的荷载、风荷载、雪荷载、地震荷载作用等。施加预应力是通过拉紧钢索来实现的，这和拉弓有异曲同工之处。当弓弦被拉紧时，弓身就会拱起，产生一个向前的力。同理，通过机器拉紧钢索会使羽毛球馆的钢网架向上拱起，从而产生和外荷载效应相反的力。通过这种形式，场馆钢结构每平方米用钢量仅为100公斤，而普通钢结构每平方米用钢量要300公斤。

预应力的施加使羽毛球馆在拥有轻盈外观的同时，“骨架”也不失坚韧和刚强，同羽毛球、艺术体操这两个观赏性和竞技性都同样很强的项目所传达出的柔中带刚的体育精神不谋而合。

亮点二:观众席下暗藏9100个冷风口

一个标准重量只有5.5克的羽毛球，遭遇任何不规则的气浪，运动轨迹都会被改变。所以羽毛球比赛的时候，要求比赛大厅内距地面9米内的空气流动速度不能大于每秒0.2米，这样，羽毛球飞行才不会受到干扰。按照常人的理解，这时候的空气几乎是静止的。那么，奥运会比赛正值北京的8月，怎样既保证把室内温度降到25摄氏度，又不会对比赛造成干扰呢？

张爱林介绍说，9100多个“藏”在观众座椅下的出风口把一个出风口“分解”后，这个难题就迎刃而解了。“体育馆采用了观众席下送风的空调设计，也就是在看台内增设空调送风管道，让凉风从观众的座椅下面吹出来。每个座位下面都有直径13厘米的出风口，整个体育馆中，这样的出风口共有9100多个。”

采用这样的设计有两个好处。首先是降低了风速，同时避免了空调风向对场上运动员的影响。一般体育馆空调的送风管道是在屋顶，风从上面吹下来，再吹向四面的观众席，冷气在由上面转向侧面的过程中会形成一个涡旋气流，影响到羽毛球的飞行线路，而将出风口设计在观众席下，回风口设计在两层观众席之间，就避免了涡旋气流的产生。这在奥运会历史上是前所未有的。

现在，羽毛球馆内比赛场地的风速可以控制在0.2米/秒以下，完全符合国际羽联的要求。除了保证运动员能发挥最佳的竞技水平，也能保证观众席的舒适度——观众席的温度在25℃至27℃之间，场内则是26℃到28℃。

亮点三:定期健康监控永葆“青春”

项目的另外一个重要部分是工程结构的健康监控研究。张爱林说，工程结构的全寿命过程和人的全寿命过程类似，都有婴儿期、青少年期、壮年期、老年期。工程结构随着使用年限的不断增加，会出现老化、损伤等情况，结构受到损伤之后，承载力会下降，严重的损伤会使结构处于病态，其安全性、适用性、耐久性就不能满足国家标准和规范的要求。如果在这种情况下不采取措施，再遇上地震、大风等突发荷载的情况，结构就很容易被破坏。“所以需要我们经常维护结构的健康，这就是结构健康的概念。我们研究的目的就是要通过监控和维护使结构始终处在一个青壮年时期。”

张爱林解释说，首先要监控影响结构安全的各个参数变化情况，比如结构的强度、刚度、位移、振动、预应力损失以及某些地方是否出现裂缝等。现在这些都能通过传感器的监控来做到。根据这些参数的变化，还要对它们进行系统识别，就像医生诊断病人一样，在了解了病人的症状，获取了那些最有价值的特征参数后，对症状进行分析、识别，做出诊断，采取相应的措施将结构重新调整到良好的状态，比如有了预应力损失，就要及时补偿。