“輕巧”成就工大體育館 將作為奧運羽毛球賽場

工大體育館將在北京奧運會期間舉辦羽毛球和藝術體操比賽。

　　站在北京工業大學主辦公樓樓頂俯瞰工大體育館，主場館還覆蓋著漁網般縱橫交錯的鋼管，旁邊的熱身館已經開始外層鋼結構鋪裝。走進施工中的主場館，踩在未來的北京奧運會羽毛球比賽場地上，仰望直徑93米跨度的穹頂，腳手架中，動靜之間，天圓地方。

　　2005年6月開工至今，這個位于北京工業大學東南角的北京奧運會比賽場館不聲不響地完成了世界上最大的穹頂鋼結構建設??

　　去過北京天文館的人，都會被大堂中間斗轉星移的設計所震撼。走進工大體育館，穹頂似天，籠蓋四野，無意中，讓人覺得安寧。

　　在這種氛圍中，記者看到了這樣一組數據:內層直徑93米、外層直徑98米的穹頂，再加上兩側懸挑出來的兩翼，其用鋼量不到1200噸，相當于每平方米100公斤。

　　這不由得讓人提出疑問:羽球館的弦支穹頂結構到底結實不結實？

　　其實，無論在國內外，弦支穹頂結構的理論都已得到過驗證，并收到了相當理想的效果。國際空間結構協會主席、日本的川口衛教授有個得意之作，就是他設計過一個弦支穹頂結構的場館。后來，天津開發區的一個體育館也嘗試了這種造型。而工大體育館，要挑戰的是需要5道環索、直徑為93米的龐然大物。這么大的穹頂結構，靠什么來支撐？

巧用預應力四兩撥千斤

　　隨著民眾將關注的目光轉移到羽球館，“預應力”一詞越來越多地進入人們的視野。北工大副校長張愛林說，“預應力”就是在構件中提前加力來應對鋼結構本身所受到的荷載，包括屋面自身重量的荷載、風荷載、雪荷載、地震荷載作用等。而弦支穹頂結構，主要采用的就是預應力體系，這種特殊的結構使得屋面豎向荷載轉為拉力。

　　這樣說可能還是比較難理解。如果您手邊有一張弓，將它垂直放在桌子上，弓弦貼緊桌面。然后在水平面上轉180度。弓背所形成的形狀就是羽球館的穹頂。由于弓弦拉起了弓背的兩端，給它一個向上的力來和自身重力相抵消，這個向上的力，就是預應力。1200噸的穹頂，就是依靠這四兩撥千斤的預應力支撐起來的。

　　早在2002年，工大就做過類似的預應力體系實驗。當年，工大正忙于兩個申請，一個是申請在校內興建一座奧運會比賽場館，一個是學科帶頭人張愛林正在申請預應力鋼結構體系的國家基金項目。工大體育館預應力鋼結構體系優化設計，是北京市科委奧運專項資助項目。最終工大的兩個愿望都得以實現。招標時，華南理工大學建筑設計院的設計牢牢抓住了評委的眼球，也正對了工大的“胃口”。二話不說，預應力體系融入弦支穹頂結構，工大體育館定將以“輕”取勝。

　　現在仍在工大讀書的博士研究生劉學春仍舊很清楚地記得去年春夏間的那個實驗。2006年4月中旬，一個比例為1比10的穹頂模型在實驗室里開建，一個模型就搭了一個半月。隨后，劉學春跟著張愛林教授、再加上六七名同學鉆進了實驗室，開始了繁復的動力靜力實驗，驗證理論計算，進行安全性測試。

　　實驗開始前，劉學春和同學們先要將重要節點和構件接上“傳感器”，再連接到試驗現場的兩臺計算機上。別看只有5道環索，因為中間有索和鋼管相連，牽一發而動全身，每一步微小的調整都需要慎之又慎。之后分三次加重，動力靜力實驗還要穿插進行。一輪測試下來，至少要一個星期。

　　在測試期間，劉學春緊盯著這個未來的“工大體育館穹頂”，比較數據之間微小的差值，全天都泡在實驗場。劉學春回憶，當時每天早上8點就進場開始實驗，經常晚上12點才出來，兩個月下來，盒飯吃了1000多塊錢的。

　　模型實驗不僅證明了體育館的安全性和穩定性。而且表明，取“輕”也能達到更好的效果。

細處具匠心巧思出精工

　　羽球館雖然沒有國家體育場那么恢弘，也沒有水立方那么秀麗，但它處處能體現出工大人的獨具匠心。

　　在穹頂結構中，連接5道環索的是編織成漁網般的鋼管。而在這編織結構中，有102個萬向可調節節點。所謂萬向可調節節點，就是將環索和“漁網”交叉點的“死扣”改成“活扣”。

　　而“活扣”的作法，就是將固定節點分成兩半，頂部固定的部分開凹槽，而底部的一部分則做成半球狀，類似于臺球球桿頂端和殼粉。兩個一套，受力性能更好，對建筑來講更安全。這個一分為二的“活扣”，還在去年申請了專利。

　　也許您看不到這個萬向可調節節點，但如果現在路過工大南門，您還能看到主場館上頭覆蓋的鋼管“漁網”。在以前的穹頂結構建筑中，連接環索的都是單根徑向索。而工大考慮到環索的強度本身要比鋼管高4到5倍，為了讓穹頂更安全、材料更匹配，每個連接處都接了兩根拉桿，構成更加穩定的V形結構。建筑學家對工大體育館“不是以柔克剛，而是剛柔并濟”的說法，就是由此而來。

　　伴隨著羽毛球館一起成長的，還有一本名為《預應力鋼結構技術規程》的小冊子。從2004年到2006年，這本技術規程歷時三載、六易其稿，終于在去年年底出版。

　　在此之前，國內并沒有一本用來規范預應力鋼結構的技術規程，深圳會展中心建設時，也采用了預應力結構，但只能用一般的鋼結構規程，沒有足夠的技術規范。

　　張愛林一直有編纂這本規程的想法。借著建設工大體育館這個難得的機會，他和另外一名工大教授陸賜麟開始編寫，并將規程初稿寄給了全國40多位專家，沒想到的是，他們收到了眾口一詞的評價，專家用“正當其時”來形容技術規程所填補的空白和帶來的巨大推動作用。

　　在2005年10月，鋼結構專家聚集中國鋼結構協會專家委員會學術年會，請張愛林就工大體育館做了專題報告。他就在會上推出了這本技術規程的初稿和萬向可調節節點的想法，會后，多位老專家激動地拍著張愛林的肩膀:“你們工大給中國鋼結構發展做了兩件像樣的事，真是不易啊。”

　　說是申請專利，說是填補空白，其實這一切，只出于工大人的巧思。

空調送微風清涼細無聲

　　華南理工大學在空調設計上非常在行，但工大的送風系統可讓他們犯了難。主管工大項目的副院長孫一民接到國際羽毛球聯合會的要求時，真是撓了頭:8月盛夏，一個7000多人的體育館里，恒溫26攝氏度，而送風量不能超過每秒0.2米，這不是難為人嘛。

　　空調系統肯定改不了，要改只能改出風口。華南理工大學提出了“化整為零”的送風方法。將空調出風口設置在每名觀眾靠背的下方，每兩座有3個出風口，全場觀眾席共設置了9100個出風口。觀眾入場前，先大風量降溫，再用小風維持26攝氏度的溫度。

　　工大和華南理工兩處一碰頭，這主意真是不錯。但他們也得出了一致的意見:難的不是降溫，而是如何保持溫度。這7000多人，出來進去的，室內室外空氣流通，肯定會影響風速。這個問題，怎么解決？

　　工大人的巧勁兒再一次體現。等測試賽時，如果您去工大看比賽，一定要注意羽毛球比賽場館的雙層門。為了隔開室內室外的空氣，工大設置了間隔一米多寬的錯位雙重門，連穿堂風都不讓進。室內溫度，自然也就有了更嚴密的保障。

　　去年，工大體育館工地迎來了李永波夫婦。說起來他家和工大體育館也有緣，李永波是國家羽毛球隊總教練，夫人謝穎是國家體育總局體操運動管理中心藝術體操部部長。張愛林笑言，一開始真是覺得李家兩口子“苛求”，無論是羽毛球球速、還是帶操繩操器械的曲線造型，對場地風速的要求都到了非常苛刻的程度。和李永波接觸多了，張愛林才聽他吐了口:嗨，要求歸要求，真正能達標的場館實在太少了。

　　盡管羽毛球在國內很普及，但在奧運會28個大項比賽里，它頂多算是個小兄弟。所以此前奧運會，羽毛球館通常是作為臨建場館出現的，幾乎沒人考慮過羽毛球比賽溫度和風速的問題。悉尼奧運會的羽毛球比賽場地就是在會展中心里辟了一塊地方，雅典就用一個大棉布簾子隔開室內外。而北京奧運會，要滿足眾多羽毛球迷的胃口，需要一個足夠好的場館。在這種動力下，北京工業大學體育館將成為最符合國際單項體育組織要求的比賽場館之一。

　　在羽毛球名將張寧心里，到現在為止，她最喜歡參加的比賽是3月在伯明翰舉辦的世界羽毛球錦標賽。伯明翰好就好在是3月比，溫度適宜而且不用開空調。而參觀過建設中的工大體育館之后，她聽到了工大人這樣的承諾:2008年，我們會給你一個更好的“伯明翰”。