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摘要：为凸显“地标性建筑”优势，很多建筑从建筑材料入手进行优选。木结构建筑以其强重比高、绿色节能等特点，被较多应用在大型体育建筑设计方案中。介绍了大型木结构建筑特点，简要分析了大型木结构体育建筑设计要点；分别以日本树海体育馆和美国木结构体育场综合体为例，探讨了大型木结构体育建筑核心空间设计方案，在此基础上提出了大型木结构体育建筑发展方向。
关键词：木结构；体育建筑；核心空间；特点；设计方案
木结构建筑在古代的建筑群体中极为常见，再加上在整个建筑的规划过程中，工匠能够结合不同木材的外形特点来对细节进行镂空、雕刻等，从而彰显其艺术美感。木结构建筑充分体现时代特色和人文历史文化，极具史学研究价值。然而随着社会的发展和建筑材料技术的进步，木结构建筑在一段时期曾淡出建筑领域，特别是在大型建筑中[1]。本文旨在通过阐述大型木结构建筑特点和大型木结构体育建筑设计要点，并具体介绍了日本树海体育馆以木制拱形架构为支撑，以胶合木构建为屋面，以及美国木结构体育场采用L型布局设计，以期为推动木结构在体育建筑领域的应用提供参考。
1大型木结构建筑特点
与传统的木结构建筑中所有建筑材料都选用原木明显不同的是，现代大型木结构建筑基本上采用“装配式”方案建设而成，然而因为这种产品结构的多样性，给基础结构配件的生产带来了很多难题（如图1所示）[2]。类似图1这样一个小型的木结构建筑，从规划到装配成功都需要对建筑材料按照不同的用途进行仔细且严格的分类，那么大型木结构建筑的生产及装配流程必然会更加复杂和繁琐[3]。从美学视角上来审视木结构建筑，其在空间环境内释放出的艺术美感，在其装配过程中的立体感和多样性是砖混结构建筑无法比拟的，然而从建筑学的层面来分析，木结构建筑的制作工艺和材料制作难度均高于砖混结构建筑。比如一个小型的建筑配件，在砖混结构中完全可以采用现代工艺，以混凝土浇筑而成，只需要按照标准尺寸制作就能够达到使用的基本要求[4]，而木结构则完全不同，需要根据木材的尺寸甚至是材质的差异，进行细致的切割之后才能够使其与其它“基准件”相匹配，任何一个环节都可能直接影响木结构建筑的整体质量。
2大型木结构体育建筑设计要点分析
考虑到消防及公共安全的相关因素，以木结构为主体的大型体育建筑大多都以“地标性建筑”格局呈现出来[5]。一方面，梁柱式建筑的主构架梁和柱清晰可见[6]。一般来讲，这些地标性建筑除了承担必要的体育赛事之外，还大多被包装成本地旅游观光的一个重点项目，为了能够让游客在参观的过程中清晰地了解到木结构配件的装配，其梁柱式的主体构架梁和柱都完全清晰可见。另一方面，变截面异形梁和等截面异形梁完全按照实际需要来设置[7]。为了能够让木结构配件在安装过程中符合工程力学的基准要求，同时也需要适应大型体育场馆特殊体育比赛的空间及场地要求，在木结构体育建筑的建设规划初期，设计师要有针对性地对在等截面异形梁的应用基础上，充分地考虑变截面异形梁的使用，这样才能够有效确保木结构配件不同的高度上所受压力基本上保持在一个大致相同的区间范围内，既不能因为受压过大造成坍塌事故，也不能因为受压过小而造成梁体扭曲变形失去了梁体应有的支撑作用。
3大型木结构体育建筑核心空间设计方案
在大型木结构体育建筑中，日本树海体育馆的建筑设计方案较具代表性，也是目前建筑界公认的现代木结构体育馆最早的实例。
3.1木制拱形架构——以日本树海体育馆为例
尽管日本树海体育馆在建筑界被视为是大型木结构体育建筑的“开山之作”，但其整体建筑结构并非完全采用木质原料。在其基座位置以下，采用的仍然是混凝土浇筑钢梁作为支撑点，这是受当时技术条件限制所致。
3.1.1木制拱形架构支撑
木结构体育馆由伊东丰雄建筑设计事务所和竹中工务店联合设计[8]。其建筑面积近2.2万m2[9]，建筑总高52.13m[10]。木制拱型架构作为树海体育馆的一大亮点，整个木质拱形支架所支撑起来屋顶的边框是由25000根3~5m的拱型支撑及一层的秋田杉拱架所建构[11]，形成格子状的设计（如图2所示）[12]，在保证结构稳固性外还使得整个场馆内部看上去别具特色。这样一个超大型的圆弧状穹顶结构，也让日本树海体育馆在外形上看起来类似一个“巨蛋”。而这个巨蛋的高度之所以被设定在52.13m，也并非仅从建筑学的角度来考虑，因为在建筑规划设计初期，资深的建筑设计人员就邀请体育界专业人士对体育馆在进行体育比赛的过程中可能会涉及到的有效高度进行研判，诸如排球篮球这种相对高度较低的项目其高度较容易满足，但对于在日本民众中极为有影响力的棒球其跃升高度就成为了木制拱形架构支撑的相对高度的一个重点，再加上一些安全距离和摄影器材的装配距离，52.13m这个高度也就成为到目前为止全世界范围内木制拱形架构的专业体育馆的最高高度。
3.1.2胶合木构建的屋面
在满足了穹顶建筑基础架构的设计之后，最难以实现有效衔接的是结构的屋面，据场馆主要设计人员在工程完工之后接受媒体采访时表示，当初为了确定结构的屋面处理方式，设计人员曾奔赴中国、加拿大、德国、芬兰等木建筑群体较为集中的国家，针对树海体育馆的设计方案与建筑学界的专家、学者进行不同层面的探讨。这说明，在当时的建筑技术条件下，大家基本认同木结构装配方案，但对于如此超大型的体育场馆的屋面材质的选用存在争议。一方面，如果其屋面结构的材质一旦选用其它材料，那么这个以“木结构”为建筑主体的体育馆的核心建筑理念势必会受到争议；另一方面，如果继续采用木质材料，其有效载荷与承重是否能够满足实际需要也的确存疑。经过反复论证及结合体育场馆的实际需要，最终决定选用胶合木为基础材料的屋面，屋顶受力体系由双向胶合木杆件和支撑构件组成空间桁架结构。长边方向上、下弦胶合木杆件尺寸为2-210×420~810mm[14]，短边方向为2-285×630~1020mm[15]。长边上、下弦杆与短边杆件通过方钢管连接件和螺栓连接。采用这种屋顶建筑方案，除了能够让整个装配过程相对简化，能够按照建筑设计的基础规划图纸进行统一安装之外，还能够结合屋顶的长边方向上、下弦节点的支撑体系，充分实现有效降低单位面积受力载荷之后，让胶合木主体的内部增加以在平面内采用柔性的钢拉杆，最终使得在平面外采用X形的圆钢管作为侧向支撑，从而进一步强化胶合木建筑结构屋面的刚度与强度。在工程项目完工之前的验收过程中，日本相关部门对树海体育馆的抗震能力评估为，其建筑主体能够抵抗7.0级的地震[17]，在2005年左右日本早稻田大学利用计算机模拟系统将树海体育馆的所有建筑数据参数输入到计算机中进行精确模拟分析显示，在其达到60年的使用寿命之后，其抗震能力仍然能够保持在6.4级地震以上[18]，这也就充分说明了建筑师的这种胶合木构建的屋面其抗震抗压能力符合建筑学标准要求。
3.2创新的美国木结构体育场综合体
2016年，扎哈•哈迪德建筑事务所(ZahaHadidArchitects)公布了一个完全由木材建造足球场的计划，这成为全球第一座名副其实的全木质结构的大型体育场馆[19]。
3.2.1采用L型布局设计
为确保该体育馆能像日本树海体育馆一样坚固稳定，设计师在进行初期的布局规划过程中也进行了反复论证，考虑到足球场地与棒球场地的不同之后，决定采用“L型”布局设计方案。在该方案中，设计师规划将使用大面积的正交胶合木（Cross-laminatedtimber，CLT）作为建筑的主要材料[20]，这种材料具有很好的稳固性和安全性，能够充分起到稳定基座固定效果的同时，也能够有效降低单位面积中的基准载荷。这种布局设计与中式木结构建筑中的“挑梁”原理类似，如果在其“拉耳”的位置上不增加外力压强，让作用力完全放在基座位置上，就能确保其建筑的整体稳定性。
3.2.2属于高层木结构建筑
尽管该足球体育馆自诩为全木结构，然而其与日本树海体育馆最大的不同在于，其属于露天式建筑，也就是说其在屋面的设计上，尤其是在屋顶结构的既定设计上其实是并没有规划的，该建筑的主要设计方向是让其基座和“L”形状的挑梁结构能够稳固即可，从建筑学来讲，称其为高层木结构建筑更为合适，也就是木制构建的叠加效应仅在数量层级上发生了变化，与日本树海体育馆充分考虑屋顶的拱形结构设计无法形成有效对比。
4结语
伴随着社会的进步和发展，以大型木结构为主体来规划体育建筑，特别是将其定位在“全木结构”上，是否能够有效保障其消防安全性和抗震抗压安全性，这需要经过反复论证与研究再决定。大型木结构建筑与普通木结构建筑绝非是体积上的差异，而专业体育建筑则又与一般性民用建筑结构又存在明显差异，需要将公共安全摆在首要的位置。基于此，当木质材料抗压能力发展到一定水平，木结构体育建筑发展会迎来新的发展机遇。
作者:弓萍 单位:焦作大学土木建筑工程学院