本文轉自：iStructure
ID: iStructure2017
作者：彭超 錢晨
電影《阿基拉》一語成讖，由於肆虐的疫情，2020東京奧運會不得不推遲一年舉辦，希望早日過去，大家平平安安。
而作為1964年東京奧運會主場館的代代木國立體育館（主館和副館），其創新的結構形式與建築理念完美契合，由於當時的非線性計算能力、施工水平以及緊張的工期（18個月），一度被人們認為無法實現。在爭議中艱難前行，1964年的輝煌後，經過1年多的修繕，他將迎來自己的第二次奧運使命！
代代木國立競技場
01 緣起
讓我們退回到70年前，從1950年代到後現代主義到來的20年間，在任何其他地區的結構工程的發展都沒有像在日本那麼迅速。這一時期驚人的經濟增長像是岩漿爆發一樣，為各個領域的技術進步提供資金支持。建築也不例外。從駿府會館（Sumpu Kaikan/1957）開始，一系列鋼筋混凝土殼體結構的誕生回應了這樣的社會熱潮。
駿府會館馬鞍面混凝土殼體
但是同時期在世界的另一端由建築師馬修·諾維奇（Matthew Nowicki，1910-1950年）設計的多頓體育館（位於北卡羅來納州）於1952年完工，為世界上第一個索網屋面結構的建築。
多頓體育館
多頓體育館採用了馬鞍形的索網屋面支撐在受壓的拋物線混凝土主拱結構上，周邊為支撐主拱豎向荷載的混凝土立柱，兼做幕牆立挺。實現了97m x 92m的無柱空間，同時室內可以獲得更多的採光。
多頓體育館
通過調整傾斜的角度，使得重力與索網拉力的合力基本沿著主拱所在平面內，同時不像懸索橋那樣需要背索來平衡中部拉力以及帶來的錨墩和基礎的抗拔壓力，結構合理、高效而經濟。
主拱傾斜角度決定是否需要背索
同樣是馬鞍面的屋頂，一個用殼體，一個用索網，後者帶來的衝擊力是巨大的。加之混凝土殼體結構需要大量的人力來佈置鋼筋，模板製造以及在傾斜表面澆築混凝土，其開始慢慢失去活力。
1958年布魯塞爾世博會
索網結構對結構師弗雷·奧托Frei Otto（1925-2015）產生了巨大影響，並加速了膜結構的誕生。在1958年的布魯塞爾世界博覽會上，很多結構都探索了拉力結構的可能性。
科隆聯邦庭院展覽入口拱門 1957 弗雷·奧托
由埃羅·薩里寧（Eero Saarinen）（1910-1961）為耶魯大學設計的David S.Ingalls索網曲棍球場在1959年完工，雙曲的索網屋面支撐在中間主拱與邊拱之間。
David S.Ingalls索網曲棍球場
1950年代的這些輕型結構對日本建築師丹下健三（1913-2005）和坂倉準三（1901-1969）的影響很大，這或許也影響了代代木體育館的設計理念。
02 形的由來
建築師丹下健三實錄中記載：
“從設計伊始，我們就一直在思考體育館的空間應該有足夠大的開口，這樣進進出出許多人就不會感到障礙，不僅在物理意義上，而且在心理意義上。換句話說，我們要避免封閉感，這種封閉感在屋頂覆蓋的封閉式看臺中通常會感覺到。我們還認為，對於兩個體育館的相對位置來說，這種開放是必要的，以後還會有更多的聯繫。”
從左到右依次為穹頂、桁架以及懸索方案
最初的結構方案也是三種類型，穹頂、空間桁架以及懸索結構。
穹頂方案在結構技術上最簡單又合理，但是球形天花板在聲學上有致命的缺陷（聚聲及混響）。另外空間的容積極大，在音響處理上以及對暖氣效率相當不利。
桁架方案較易實現，但是會給空間帶來壓迫感。
懸索方案為凹空間，減輕了採暖負荷，同時便於音響處理。
體育館平面
當然採用懸索方案的決定因素正是因為其形態契合建築師的兩個主要理念：入口因為結構本身處於形態高點帶來的大空間（上圖中紅虛線）以及屋面向上打開的形態消除了室內“封閉感”。
向上的形態
這給當時的結構師坪井善勝也帶來了不小的挑戰，因為殼體理論已不足以掌握這種柔性的結構系統的行為，並且採用更為複雜的手段去了解幾何非線性結構的本質是必要的。
03 第一體育館
第一體育館的主結構為兩根27.5m高的立柱，相距126m，其後通過44m投影長度的背索拉至錨墩，形如一個懸索橋。2根主索外徑33釐米，由 31根直徑5.2cm,6根直徑3.45cm的鋼纜組成，主索最高點27 .5米，中間部分距地17 .87米。
總體結構
第一體育館結構圖解
通過拉緊它們來給全體屋頂結構施加預張力。兩條主索在平時分別承受著約1350t的拉力。當主索施加上述張力時，橫截面的應力為251N/mm2，破斷安全係數為5左右（一般吊橋拉索安全係數為3左右）。在這裡，有必要為了提高建築物的剛度，橫截面會稍大一些。
中部主索 ©清水建設
主索之間架設梯形桁架，保證了索的側向穩定性的同時兼做天窗結構。
主索之間桁架 ©清水建設
屋面結構為馬鞍形，不同於“純柔性”索網結構，結構師坪井善勝創新的採用了“半剛性”的設計理念來應對颶風下的屋面擺動（屋面結構自重小於100kg/m2），即將懸鏈方向的鋼索替換為工字形鋼曲梁（單側最大跨度約60m），曲梁腹板打孔穿索，張拉2根主索時屋面自然就繃緊了，屋面在風吸力作用下鋼曲梁相當於倒置的拱，增強了屋面的整體剛度及抗風穩定性。
鋼曲梁以及腹板穿索 ©清水建設
經過測算，屋面在臺風下產生共振的危險風速約為134m/sec，而1955年9月鹿兒島氣象臺觀測到的颱風平均風速34.9m/sec，瞬時最大風速在60m/sec，遠小於134，因而結構是安全的。
由於剛度有限，需要處理在施工過程中鋼曲梁與主索之間的角度變化，設計了萬向接頭，可相互轉動而無平動，最終屋面覆以4.5mm厚的鋼板，再次增強整體剛度。
屋面鋼板焊接 ©清水建設
萬向鉸示意 ©清水建設
為了保證屋面在颶風作用下的穩定性以及施工的方便性，在第一體育館中使用了油性阻尼器進行耗能，這是在大跨建築中首次引入並運用了阻尼概念。由於該裝置對結構很重要，所以丹下想讓每個人都能看見，因此刷以紅色塗漆。
油阻尼器
同時在兩側立柱頂部設置了擺動鉸節點，每個節點由三個單元構成，以應對主索徑向及橫向的位移。
主索徑向及水平向擺動 ©清水建設
擺動鉸節點 ©清水建設
由於看臺是斜向結構，往往下部需要支撐，但是此方案中，看臺由於自重和荷載產生向外的傾覆力被屋蓋鋼曲梁的拉力抵消，解放了看臺下部空間的同時也緩解了支座的壓力，這一重要的平衡系統使得建築結構相得益彰。
看臺結構自平衡體系
04 第二體育館
第二體育館的結構思路與第一體育館類似，也是運用了懸掛屋面的原理，但策略有所不同。
第二體育館
主結構為35.8m高的一個立柱，主索為直徑40.6cm的鋼管呈螺旋狀佈置，一端連接柱頂，一端連接地錨。主鋼管與立柱之間通過一系列的斜杆形成穩定的主結構。
主管與斜向撐杆
第二體育館平面投影約為65m直徑的圓形平面，屋面結構為一系列向心的桁架樑，桁架樑之間的系杆也是鋼樑以及鋼斜撐，而不是像主館那樣為拉索。最後覆以3.2cm的屋面板。由於屋頂具有較大麴率以及桁架有較大的高度，所以總體上來說，第二體育館算是剛性結構。
懸吊桁架與橫向系杆、支撐
同時由於第二體育館沒有背索，為單立柱支撐，需要“硬抗”，柱底會有很大的彎矩，所以對立柱施加預應力，以防止因開裂而導致的剛度下降。
05 寫在最後
小 i 之前去東京剛好看到了主館和副館的整修加固工作，施工方還是當年施工單位之一的清水建設，這種傳承延續還是挺感動的。主要的加固是應對新的抗震規範，增補部分剪力牆、補樁以及對主塔和鋼結構進行補強。
主館加固
坪井善勝的學生齋藤公男在其著作《空間結構的發展與展望》中回憶：
“當時的吊掛結構剛剛在建築世界中嶄露頭角，無論在結構設計上，還是在施工方法上經驗甚少，處於摸索階段。在計算機還未登場的年代，對於大變形及非線性這種結構分析幾乎是不可能的，那時的主要計算手段只能是手算或用電動計算機。在這種狀況下代代木體育館的設計開始推進。進行空間設計，對分析方法進行討論，運用試驗手段進行確認，進行節點設計。邊研究施工方法，邊進行設計工作，這實在是一種日夜兼程的艱苦作業。”
1/30 縮尺試驗 ©清水建設
負責吊裝施工的清水建設負責人大千榮一（Eiichi Oki）回顧了當時的情況：
“這是一座空前的建築，在有限的時間內做一個從來沒做過的項目是需要巨大的勇氣和魄力的。很難理解圖紙上究竟代表著什麼，每個人都在一系列會議和研究中摸索。20萬人的奔波和18個月的施工在技術或經濟上都不容易，但這是表達對奧運會熱情的紀念碑。我們為完成建設感到自豪。”
除夕夜趕工 ©清水建設
項目落地也是每一個工程人的自豪。
參考文獻：
1）國立屋內総合競技場の設計をかえりみて 丹下健三
2）國立屋內総合競技場の計畫概要について 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》 馬國馨
5）www.shimz.co.jp
感謝馬琳、華培景同學，童真千慧建築師，冼浩輝建築師對本文文獻和案例解讀方面的幫助。
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