Hazza Bin Zayed (简称HBZ) 体育场位于阿拉伯联合酋长国阿莱茵 (Al Ain) , 建筑面积4.6万m2, 坐席25000个, 完全安照FIFA标准建造。Pattern建筑事务所受椰枣树皮分形几何的启发, 利用最新的参数化技术创造了建筑复杂的外部立面, 并采用膜结构实现这一创意 (图1) 。项目不仅外部立面采用膜结构, 屋盖顶面、底面、侧面、通道顶面都采用了各种膜结构 (图2) , 完美阐释了建筑师的意图。

HBZ体育场总共使用了36341m2各种类型的模型, 既有PVC膜材, 又有PTFE膜材;既有普通膜材, 又有网格膜材。结构形式既有骨架式, 也有张拉式。在项目建设中碰到一些关键技术问题, 这些问题的研究, 对类似项目具有指导和参考价值。表1统计了体育场各部位膜材使用情况。

由椰枣树皮抽象出来的外立面, 由94种框架类型、695块膜组成。考虑日光及视觉效果, 每一块膜的安装角度都不一样。为了实现建筑师对每一块膜的角度控制的要求, 采用转轴与钢拉杆形式固定 (图3) 。

外立面由形状角度各异的695块膜组成, 每一块膜由独立的钢结构框架固定。膜安装需张拉预应力, 这要求膜的边界固定节点需要有一定的可张拉量。由于外立面都在人近距离视线范围之内, 如何兼顾施工要求将膜美观地固定到框架之上是项目碰到的第一个挑战。经过数十次修改设计与样品检验, 研发出如图4所示的膜固定节点, 达到了结构安装要求与建筑师的美观要求。

屋盖底面采用PVC网格膜, 用于遮挡内部钢结构, 由于灯架的存在, 屋盖底部的膜被分割成两部分, 其中一部需要做成弧形曲面。在弧形处考虑建筑视觉效果, 横向不容许加焊缝。在等张力找形情况下, 膜面会在弧形处下挠, 形成马鞍形的负高斯曲面, 既影响建筑效果, 又会与其他构件相碰撞 (图5) 。

针对此情况, 经过反复计算与复核, 底面膜采用非等张力找形, 根据不同弧形大小, 膜材经向与纬向的预应力比为1∶2到1∶5之间。最终取得满意的效果, 见图6。

体育场通道顶面采用折页式膜结构, 分别在桁架的上下弦拉出膜结构的谷索与脊索, 使膜结构形成折页状, 如图7箭头所示。

膜的边界采用索固定, 在膜与索的预应力平衡下, 膜边形成自然的内凹形, 在膜片之间形成一个个眼睛状的镂空, 整个结构简洁、通透。在体育场屋盖采用硬质钢架的环境下, 通道顶面采用柔性的张拉结构, 刚中带柔, 不失为一种点睛之笔 (图8) 。

通道顶面本身无防雨要求, 但作为膜结构, 必须避免膜面积水形成池塘效应的情况。对整个通道顶面进行了排水坡度分析, 在0.3kN/m2均布荷载下, 图9中的部分区域排水坡度会小于5°, 有形成积水的隐患。

为避免膜面形成池塘效应, 在图9中显示排水坡度小于5°的区域, 设置了局部排水口。排水孔方案如图10所示。

Hazza Bin Zayed体育场的屋盖顶面、底面、侧面、通道顶面都采用了各种膜结构。集PVC膜、PTFE膜、网格膜、骨架式膜结构、张拉式膜结构等各种要素于一体。文中分析了实现过程中的各种关键性技术问题, 如隐藏式节点、非等张力找形、膜面积水分析等问题。这些问题的研究, 对类似项目具有指导和参考价值。