從自行車車輪到“飄浮”的體育場屋蓋：設計靈感的跨界應用

上海科技獎勵研究成果科普化

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2024年年底，上海海港隊獲得中超聯賽和中國足協杯冠軍，成為上海第一個足球“雙冠王”，球隊的主場上汽浦東足球場也受到了廣泛關注。上汽浦東足球場的設計靈感源自中國瓷器，別稱“白玉碗”，擁有211米大跨度的屋蓋結構。鮮為人知的是，這種屋蓋結構竟是參考自行車輪輻的受力原理設計的。

文/徐曉明

華東建筑集團股份有限公司副總工程師，華建科技總經理，上海建筑設計研究院結構總工程師，教授級高級工程師，主要從事大跨空間結構和各類復雜結構的設計與研究工作。

自行車車輪中的力學奧秘

古代的車輪非常笨重，因為它們多為木質，為了防止被壓扁，輻條和輪圈只能做得很粗壯。相比之下，當代自行車的鋼制車輪就非常輕巧。除了鋼材相比木材強度更高、剛度更大之外，其奧妙在于自行車輻條被施加了預拉力。

自行車車輪在組裝時有個重要的步驟——張緊輻條，也就是給輻條施加預拉力。輻條張緊后，將車輪中央的花鼓和輪圈緊緊地連接在一起，形成了一個穩固的結構。當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，由于預先對輻條施加了拉力，使輪圈的形狀能夠保持穩定。如果沒有預拉力，花鼓下方的輻條會因受到壓力而很快彎曲，導致輪圈被壓變形。

從車輪到體育場:

大跨度屋蓋的設計靈感

既然預拉力能讓車輪這么輕巧，那么能否將類似車輪的結構平放到圓形或者橢圓形的建筑上方，做一個跨度很大但又輕質的屋蓋呢？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構體系、形態分析、關鍵節點、索材耐腐蝕性能等關鍵技術，構建了完整的應用技術體系。

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，屋蓋結構由外圈的外壓環（類似輪圈）、中間的內拉環（類似花鼓）、連接壓環和拉環的徑向拉桿（類似輻條）組成。

蘇州奧林匹克體育中心體育場索網結構屋蓋

在屋蓋施工過程中，張拉徑向桿件，徑向桿件帶動外環向內收，外環周長變小，受到壓力；內環向外擴，周長變大，受到拉力。徑向桿件和內環均采用密封索，強度為普通鋼材的5倍以上，一根40毫米直徑的密封索就可以吊起約40輛家用小汽車的質量，同時，密封索抗腐蝕性能也非常優異。10年前，密封索還依賴進口，如今在巨力索具等單位的努力下，密封索已經實現國產化，價格大幅降低，供貨周期大幅縮短，已成功應用到了雄安體育中心等重大工程當中。

輕盈的索網結構

（蘇州奧林匹克體育中心體育場）

在徑向索張緊后，這種結構形成一張緊繃的網，被稱為索網結構。索網結構建好之后，就可以在索網結構上方覆蓋膜材、金屬板等屋面材料，形成遮風擋雨的建筑。

當然，在實際的建筑結構設計中，不是把輪輻簡單放大200倍就能直接使用，需要做復雜的結構設計、計算分析，對創新結構體系還要經常進行試驗驗證。例如，在西安國際足球中心項目中，建筑屋蓋采用國際首個大開孔正交索網結構。設計團隊在西安建筑科技大學進行了1:10模型試驗，驗證設計可行性，并為拉索張拉施工工藝提供指導，確保施工順利、結構安全可靠。

上汽浦東足球場進行結構設計時，遇到了一個難題：足球場的平面形狀是矩形，雖然4個角倒成圓角，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，結構工程師想到了一個巧妙的解決方案：將外壓環移動到屋面中間，形成橢圓形中置壓環，壓環的形狀不再受到建筑外形的約束，受力更為合理。同時，在索網上方布置了上徑向鋼梁，通過V形飛柱支撐中置壓力環和上徑向鋼梁，上徑向鋼梁上方布置金屬屋面。

上汽浦東足球場結構平面示意圖

借鑒自行車輪輻設計理念的索網結構造型輕盈，體育場的屋蓋就像飄浮在空中。同時，由于采用了密封索等高強材料，一個體育場可以節約2000噸以上的鋼材用量，為國家“碳達峰”“碳中和”目標做出了自己的貢獻。

從自行車車輪到體育場屋蓋，研究人員通過不斷探索和創新，成功將自行車輪輻的受力原理應用于體育場的設計中，相關研究成果在多項重大工程中得到了成功應用。這不僅推動了技術的創新，還實現了多項國內外首次應用的關鍵技術突破。

本文相關成果“大跨度體育建筑索結構關鍵技術與工程應用”榮獲2023年上海市科技進步獎二等獎。

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