從自行車車輪到“飄浮”的體育場屋蓋：設(shè)計(jì)靈感的跨界應(yīng)用

上海科技獎(jiǎng)勵(lì)研究成果科普化

特別報(bào)道

2024年年底，上海海港隊(duì)獲得中超聯(lián)賽和中國足協(xié)杯冠軍，成為上海第一個(gè)足球“雙冠王”，球隊(duì)的主場上汽浦東足球場也受到了廣泛關(guān)注。上汽浦東足球場的設(shè)計(jì)靈感源自中國瓷器，別稱“白玉碗”，擁有211米大跨度的屋蓋結(jié)構(gòu)。鮮為人知的是，這種屋蓋結(jié)構(gòu)竟是參考自行車輪輻的受力原理設(shè)計(jì)的。

文/徐曉明

華東建筑集團(tuán)股份有限公司副總工程師，華建科技總經(jīng)理，上海建筑設(shè)計(jì)研究院結(jié)構(gòu)總工程師，教授級高級工程師，主要從事大跨空間結(jié)構(gòu)和各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究工作。

自行車車輪中的力學(xué)奧秘

古代的車輪非常笨重，因?yàn)樗鼈兌酁槟举|(zhì)，為了防止被壓扁，輻條和輪圈只能做得很粗壯。相比之下，當(dāng)代自行車的鋼制車輪就非常輕巧。除了鋼材相比木材強(qiáng)度更高、剛度更大之外，其奧妙在于自行車輻條被施加了預(yù)拉力。

自行車車輪在組裝時(shí)有個(gè)重要的步驟——張緊輻條，也就是給輻條施加預(yù)拉力。輻條張緊后，將車輪中央的花鼓和輪圈緊緊地連接在一起，形成了一個(gè)穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)。當(dāng)我們騎上自行車之后，身體所受的重力集中于花鼓，花鼓有向下移動的趨勢，花鼓上方的輻條受到拉力，下方的輻條受到壓力。但是，由于預(yù)先對輻條施加了拉力，使輪圈的形狀能夠保持穩(wěn)定。如果沒有預(yù)拉力，花鼓下方的輻條會因受到壓力而很快彎曲，導(dǎo)致輪圈被壓變形。

從車輪到體育場:

大跨度屋蓋的設(shè)計(jì)靈感

既然預(yù)拉力能讓車輪這么輕巧，那么能否將類似車輪的結(jié)構(gòu)平放到圓形或者橢圓形的建筑上方，做一個(gè)跨度很大但又輕質(zhì)的屋蓋呢？研究人員深入探索了這一可能性，研究了大跨度體育建筑中的索結(jié)構(gòu)體系、形態(tài)分析、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、索材耐腐蝕性能等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了完整的應(yīng)用技術(shù)體系。

以蘇州奧林匹克體育中心為例，其體育場屋蓋最大跨度為260米，屋蓋結(jié)構(gòu)由外圈的外壓環(huán)（類似輪圈）、中間的內(nèi)拉環(huán)（類似花鼓）、連接壓環(huán)和拉環(huán)的徑向拉桿（類似輻條）組成。

蘇州奧林匹克體育中心體育場索網(wǎng)結(jié)構(gòu)屋蓋

在屋蓋施工過程中，張拉徑向桿件，徑向桿件帶動外環(huán)向內(nèi)收，外環(huán)周長變小，受到壓力；內(nèi)環(huán)向外擴(kuò)，周長變大，受到拉力。徑向桿件和內(nèi)環(huán)均采用密封索，強(qiáng)度為普通鋼材的5倍以上，一根40毫米直徑的密封索就可以吊起約40輛家用小汽車的質(zhì)量，同時(shí)，密封索抗腐蝕性能也非常優(yōu)異。10年前，密封索還依賴進(jìn)口，如今在巨力索具等單位的努力下，密封索已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，價(jià)格大幅降低，供貨周期大幅縮短，已成功應(yīng)用到了雄安體育中心等重大工程當(dāng)中。

輕盈的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)

（蘇州奧林匹克體育中心體育場）

在徑向索張緊后，這種結(jié)構(gòu)形成一張緊繃的網(wǎng)，被稱為索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。索網(wǎng)結(jié)構(gòu)建好之后，就可以在索網(wǎng)結(jié)構(gòu)上方覆蓋膜材、金屬板等屋面材料，形成遮風(fēng)擋雨的建筑。

當(dāng)然，在實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不是把輪輻簡單放大200倍就能直接使用，需要做復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算分析，對創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系還要經(jīng)常進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。例如，在西安國際足球中心項(xiàng)目中，建筑屋蓋采用國際首個(gè)大開孔正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在西安建筑科技大學(xué)進(jìn)行了1:10模型試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)可行性，并為拉索張拉施工工藝提供指導(dǎo)，確保施工順利、結(jié)構(gòu)安全可靠。

上汽浦東足球場進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，遇到了一個(gè)難題：足球場的平面形狀是矩形，雖然4個(gè)角倒成圓角，但畢竟不像自行車的圓形車輪受力這么均勻。為了解決這一問題，結(jié)構(gòu)工程師想到了一個(gè)巧妙的解決方案：將外壓環(huán)移動到屋面中間，形成橢圓形中置壓環(huán)，壓環(huán)的形狀不再受到建筑外形的約束，受力更為合理。同時(shí)，在索網(wǎng)上方布置了上徑向鋼梁，通過V形飛柱支撐中置壓力環(huán)和上徑向鋼梁，上徑向鋼梁上方布置金屬屋面。

上汽浦東足球場結(jié)構(gòu)平面示意圖

借鑒自行車輪輻設(shè)計(jì)理念的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)造型輕盈，體育場的屋蓋就像飄浮在空中。同時(shí)，由于采用了密封索等高強(qiáng)材料，一個(gè)體育場可以節(jié)約2000噸以上的鋼材用量，為國家“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)做出了自己的貢獻(xiàn)。

從自行車車輪到體育場屋蓋，研究人員通過不斷探索和創(chuàng)新，成功將自行車輪輻的受力原理應(yīng)用于體育場的設(shè)計(jì)中，相關(guān)研究成果在多項(xiàng)重大工程中得到了成功應(yīng)用。這不僅推動了技術(shù)的創(chuàng)新，還實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)國內(nèi)外首次應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)突破。

本文相關(guān)成果“大跨度體育建筑索結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)與工程應(yīng)用”榮獲2023年上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

更多“上海科技進(jìn)步獎(jiǎng)”成果科普報(bào)道

▲《“隔空碎石”突破慢性胰腺炎治療困境》

▲《你好，充當(dāng)模式動物的猴子們》

▲《讓失去的時(shí)光重現(xiàn)光彩——真實(shí)世界視頻智能增強(qiáng)技術(shù)》

點(diǎn)擊圖片訂閱

2025年《科學(xué)畫報(bào)》