钢结构之美
安联球场
IDEAS2 国家奖 - 耗资 7500 万美元至 2 亿美元的项目
位于明尼苏达州圣保罗的安联球场是美国职业足球大联盟（MLS）明尼苏达联足球俱乐部的主场。与近年来进入美国职业足球大联盟的许多新球队一样，明尼苏达联队也拥有可观的财力。球队老板是美国著名医学家、生物学家麦吉尔。其他股东包括当地富有的波拉德家族和明尼苏达森林狼队的老板。格伦·泰勒、投资银行家格伦·纳尔逊等人。为了尽快将明尼苏达联队打造成一支强大的球队，这些商界领袖已于2015年10月23日敲定了新球场建设计划。将在圣保罗汽车站工地修建一座球场，占地35 英亩（141,600 平方米）。并聘请堪萨斯城Populous Architects设计该体育场，该项目于2017年6月开工建设。2019年，新体育场全面竣工并正式投入使用。自 20 世纪 70 年代以来，明尼苏达州经历了数次专业体育场的迭代。然而，直到 2019 年 4 月，随着圣保罗安联体育场的开业，明尼苏达州才可以自豪地说自己拥有了一座专门的专业体育场。美国职业足球大联盟联合体育场。
在新球场建设期间，明尼苏达联队就已经敲定了冠名权。这座可容纳约2万名球迷的现代化体育场最终被命名为“安联球场”，也成为第一个由安联集团命名的体育场。 8个体育场。安联集团是一家全球人寿保险和退休服务公司，其北美总部位于明尼阿波利斯。此前被安联命名的7座球场分别是：德国慕尼黑的拜仁慕尼黑安联球场、意大利都灵的尤文图斯安联球场、巴西圣保罗的帕尔梅拉斯安联球场和澳大利亚悉尼的悉尼FC安联球场。联合体育场、法国尼斯的安联里维埃拉体育场、奥地利维也纳的快速安联体育场和英国伦敦的安联公园（英国橄榄球联盟萨拉森队的主场）。既然是新落成的球场，明尼苏达联队安联球场的现代化程度自然有望领先世界。事实上也确实如此，很多细节也凸显了明尼苏达联队的独特情怀。明尼苏达联安联体育场不使用电子记分牌和时钟。相反，它选择了模拟机械时钟和手动记分板。这种复古的设计很独特。在这座现代化的体育场里，你居然可以看到如此引人注目的复古元素。视觉感知与心理感知的碰撞，足以让人惊叹不已。此外，部分看台上还设有单独的红色座位，是为比赛当天来到现场的特殊观众预留的。这有利于直播时更好更快地表达镜头语言。特殊受众的特殊性也体现得最为直观。
明尼苏达联队安联球场的投入使用，意味着在短短4年的时间里，各大联盟球员相继开放了奥兰多城球场/奥兰多城、奥迪球场/华盛顿联队、加州银行球场/洛杉矶FC、默塞德奔驰球场/亚特兰大联、阿梅亚体育场/圣何塞地震等全新球场，未来三年，辛辛那提FC和国际迈阿密的新球场将竣工一座多伦多FC和纽约城的新球场计划也正在推进中。我相信，几年后，MLS比赛的整体观看体验一定会达到世界一流的水平，甚至比一些欧洲顶级联赛还要略胜一筹。
圣保罗安联体育场是明尼苏达州圣保罗占地 35 英亩（141,600 平方米）棕地的综合用途重建项目的核心。项目业主宣布了该社区的复兴，并描述了他们的愿景，即创建一个与国际足球场相媲美的有吸引力、设施友好的体育场。这座耗资2.5亿美元（约合人民币16.96亿元）的体育场拥有19,500个座位，最多可增至23,000个座位。虽然足球场是露天的，但球迷们可以通过 360° 钢制屋顶免受恶劣天气的影响。球场周围是一个 90,000 英尺 2 (8,321.67 平方米) 的半透明聚四氟乙烯 PTFE 织物膜结构。该设计要求使用圣戈班开发的新型 PTFE 织物，该织物由透明 PTFE 层组成。由覆盖有压制材料的机织玻璃纤维纱线组成。在结构设计最终确定之前，Fabritec 作为设计协助合作伙伴参与了该项目。这种安排使 Fabritec 能够与设计团队的其他成员携手合作，通过设计美观、结构合理且具有成本效益的解决方案来详细说明整个工程项目。膜结构支撑在空心钢管截面框架上，背光可变LED照明使体育场在夜间特别有吸引力。最远的座位只有 125 英尺。 (38.1m) 远离球场边线，使明尼苏达联队的主场比赛成为职业足球联赛中最独特的体验。
该项目的业主希望建造一座世界一流的体育场，同时也将成为球队和明尼苏达州的标志性艺术品。这个体育场应该能够将场上运动的能量动态地传递给场外的观众，也应该让观众在场上享受比赛。球场的设计必须轻盈、通风、透明，同时仍能承受明尼苏达州严酷的冬季天气。 Populous Architects 的设计方案是一个半透明的表皮，包裹着整个足球场，由大直径空心钢管部分支撑。非对称的蜿蜒曲线造型是为了避免许多传统体育场馆“婚礼蛋糕”的水平角度。 “形状是相同的。实现这一设计意图需要创新的数字设计流程，使用通用的主要几何信息文件进行结构分析、建筑设计和最终的材料处理。这个共享平台允许项目的所有各方做出近乎实时设计修改作为一个整体，而不是作为单独的个体，并使用快速 3D 可视化来做出更明智、及时且符合项目整体利益的确定。
Walter P Moore Design Associates 集成结构框架分析和织物膜结构分析来优化整个钢结构系统。一体化设计考虑到了起伏的建筑形式、不断变化的荷载条件以及材料之间复杂的相互作用，从而产生了非常具有成本效益的设计，并且不妨碍雄心勃勃的设计意图的实现。综合考虑重复性差、悬挑长、几何形状不规则以及施工进度要求等因素，总用钢量4500t的钢结构是主次结构最简单、最经济的选择。
与建筑立面相辅相成的是一个巨大的天篷，可以为球迷遮挡风雨，同时保持体育场开放，给观众带来真正的露天体育场体验。在设计阶段的早期就考虑了各种屋顶形状和结构类型，包括拉伸膜屋顶、悬臂桁架、悬臂支撑钢梁系统等。最终选择了悬臂钢梁系统，因为它是最经济的结构系统。这个尺寸的天花板。 145,000 英尺 2（13,500 平方米）的屋顶可为约 85% 的座位提供庇护，同时保护球迷免受恶劣天气的影响，并将声音反射回下方的体育场。
钢框架结构为顶篷提供了轻质、优雅的支撑，同时也足够坚固，可以应对明尼苏达州严酷冬季典型的重雪荷载。 3 英寸。使用跨度为 13 英尺（3.96 m）的（76.2 毫米）厚钢板，以最大限度地减少支撑天花板的檩条数量。每个网格内均使用跨度为 42 英尺 8 英寸（13 m）的大型宽翼缘钢梁。钢梁悬臂长达 78 英尺。距离柱子 (23.77m)，仅由一根柱子支撑。尽管施加在钢梁上的额外弯矩导致系统比悬臂桁架稍重，但其结果是结构更加开放，需要加工和安装的结构构件更少。在钢梁的内侧边缘，横截面从 36 英寸（0.91 m）减小到 16 英寸（0.41 m），与钢檩条的高度一致，形成连续、细长的轮廓，环绕四周法庭。安联球场的北侧，屋顶优雅地俯冲而下，拉低了体育场的整体轮廓。
对于体育场的标志性建筑表皮，沃尔特·P·摩尔设计公司与圣戈班合作开发了一种新型聚四氟乙烯 (PTFE) 织物膜，该膜可提供足够的强度和所需的透明度。为了尽可能降低成本，这种织物膜需要在支撑柱网之间跨越尽可能大的跨度，这给这些支撑柱网带来了两个方向上的较大弯曲载荷。同时，这些柱子需要围绕庭院呈曲线排列，以创造出所需的建筑外观。直径为18英寸的空心圆形钢管的横截面。 (0.46m)可作为理想的支撑系统。这些圆形钢管段，也称为驱动管，有助于形成蒙皮复杂的几何形状，并提供必要的支撑结构，使蒙皮具有独特的形状。
PTFE 织物膜连接到连续挤压铝合金构件，该构件通过 18 英寸（0.46 m）中心的焊接 T 形钢板组件连接回驱动管。为了提供额外的允许偏差，在钢板的四个角上各设有一个45°的长方形孔，该孔允许铝合金部件垂直或水平移动以保持正确的对准。驱动管通过端板与后立柱总成连接，可承受双轴弯矩和较大的轴向载荷。该连接节点在超大孔中使用高强度摩擦型螺栓，使驱动管在安装过程中能够精确调整到最终位置。
除此之外，Populous Architects 希望建筑物的外表皮看起来是连续的，没有任何可见的连接节点。为了实现这一想法，有必要避免驱动管中的膨胀节。最终结果是驱动管就像一根围绕球场的巨大橡皮筋，随着温度变化而膨胀或收缩，从而在驱动管内产生非常大的负载。结构设计团队利用体育场碗角的自然缝隙，让它与西塔“自然呼吸”。这种方法将大部分热应力从驱动管转移到一些角柱，从而形成更高效的结构系统。
为了实现业主和建筑师的雄心壮志，Walter P Moore Design Associates 的结构和围护结构团队意识到，仅靠传统的设计和协调技术是不够的。关键的创新在于结构和建筑设计团队与钢铁制造商之间共享的通用数字数据平台。在 2015 年开始的设计阶段，Walter P Moore Design Associates 和 Populous Architects 开发了数字工作流程，可将复杂的建筑几何信息快速集成到结构模型中，并从结构方面向建筑师提供快速反馈。修改建筑设计。这在设计、分析和性能之间创建了一种共生关系。本质上，这意味着项目涉及的所有各方都可以同时获取一个文件并对其进行处理和操作。数据可以快速共享，从而可以在指定的时间和预算限制内快速做出决策。 ，打造高效体系。整体几何形状的广泛迭代也优化了设计美学和成本效益。
该项目的另一个创新方面利用了钢结构制造商美林钢结构有限公司的运输设备及其邻近施工现场（180 英里，约 290 公里）的优势。天花板的钢梁/柱在工厂完全加工，涂漆并运输到施工现场，然后作为整体直接支撑在建筑柱上。运输到施工现场的最长屋顶+平衡跨度组件为110英尺。 (33.53m)长，其中悬臂跨度为78ft。 (23.77) 长，平衡跨度为 32 英尺。 （9.75m）长。由于雨棚是工厂预制的，两个雨棚钢梁柱组件一天就安装完毕。整个 145,000 英尺 2 (13,500 平方米) 的屋顶在 18 周内完成安装，其中包括天气恶劣的一月和二月两个月。全钢梁/柱的组装允许使用美观的焊接接头。此外，这创造了更高质量的涂层系统，不需要现场涂漆或现场螺栓连接，这也增加了涂层和钢结构系统的使用寿命。
评论：明尼苏达联队令人惊叹的、最先进的新足球场由复杂的钢结构制成，包裹着前所未有的半透明、抗撕裂的表皮。
钢结构“碗”
球场布置为一个较低的“碗”座位，西边有一座塔楼，设有俱乐部会所和相关的“碗”座位，加上包厢/媒体区，东边有一个较高的“碗”座位。南侧高架的“碗”形座位区，全部围绕一个360°的主广场，座位区上方悬挑出一个大天花板。体育场内还展示了其他几个重要的结构部件，包括球场会所、记分牌、现场照明支架、体育场工作区和其他结构部件。
球场的草地降低了 19 英尺。明尼苏达联队老板比尔·麦奎尔 (Bill McGuire) 表示：“这座体育场的目的是融入社区，而不是做出一种压倒性的姿态。” ”体育场的一半是与草地相匹配的地下室，设有球队更衣室、卡车停车场、高端球场会所等设施。房间。大厅是部分地下室上方的楼板混凝土和现浇混凝土框架的组合，下部座位“碗”是楼板混凝土和预制踏板/停靠点的组合。鉴于钢结构可以克服多种形状和构件的设计和施工中的各种挑战：缺乏重复性、长悬伸、不规则的几何形状和快速安装的要求等，钢结构的总用钢量4,600吨是主体结构其余部分最简单、最经济的选择。东侧较高的“碗”座位区采用钢耙结构支撑预制混凝土台阶和挡板，南侧高架“碗”座位区采用钢纵梁和钢耙结构支撑铝合金台阶和挡板。挡板。 。西塔由压型钢板上方的两层复合混凝土地板组成，由形成俱乐部层和包厢层的钢梁支撑。钢耙结构悬臂20英尺。 （6.10m）距柱子网格，为粉丝提供独特的视野。此外，箱体层的屋顶由钢梁和开放式钢托梁支撑。
大联盟上限
MLS（美国职业足球大联盟）赛季从 3 月初持续到 11 月下旬，这意味着双城地区的球迷在比赛日经常会经历从零度以下到闷热夏日的气温。下午的经历从暴风雨到晴朗。这要求业主和设计团队创建一个既能保持对自然开放的球场，又能提供良好的庇护和舒适度。大屋顶可以保护风扇免受风吹雨打，同时让天然草坪得到阳光和雨水的滋润。该解决方案已在欧洲足球场馆成功使用了数十年。这一概念模型也得到了安联球场的认可和接受。
惊人的墙壁，光滑的表面
每个足球场的灵魂都在于它的支持者。每场比赛90分钟，球迷们都在这里站着、唱歌、打鼓、呐喊、跳跃，给家乡球迷带来共同的心跳和呐喊。除了音效之外，安联球场还使球迷区成为视觉上突出的存在。在南球门后面，拥有 2,800 个座位的区域升高了约 35°，形成了真正的“音墙”。此外，梯形座位区与22英尺×116英尺相匹配。 (6.71m×35.36m)主屏幕上方。 3 个带有钢格栅的集成钢架走道也使显示屏的维护变得容易。
钢制“碗”结构是根据最新ISE（结构工程师协会）标准给出的球迷参与荷载而设计的，旨在避免球迷在比赛过程中跳跃造成的任何不适。的振动。每次主场胜利后，球迷座位区都会带领全场齐唱绿洲乐队的《Wonderwall》来庆祝胜利。这也是美国的第二级足球联赛——北美足球联盟NASL（北美足球联盟）。比赛期间传承下来的传统。
体育场标志性的视觉特征是PTFE表皮，它包裹着整个体育场。该球队的所有者希望创造一个动态且复杂的外部皮肤，类似于球场上的动作，因此设计团队面临的一大挑战是找到一种方法来抵御明尼苏达州经常出现的狂风、雨雪。需要的材料能够为球迷提供足够的庇护所以免受气候影响，同时具有引人注目和优雅的外观。明尼苏达联队和项目建筑师 Populous Architects 设想了一个色彩缤纷、背光且透明的体育场立面，以在视觉上将体育场外的球迷与体育场内的热量联系起来。
沃尔特·P·摩尔设计办公室和圣戈班公司开发了一种新型聚四氟乙烯PTFE织物膜，含有玻璃纤维纱的薄结构，可以提供足够的强度和抗撕裂性，同时保持色彩缤纷的特性。将压制成薄片的玻璃纤维掺杂到 PTFE 膜中，赋予材料耐候性，同时保持传统 PTFE 膜两倍的透光率。钢作为支撑 PTFE 膜的骨架。
数字化工作流程
如前所述，关键创新在于结构和建筑设计团队与钢铁制造商之间共享的通用数字数据平台。
使用 Grasshopper/Rhinoceros 3D 创建的数字模型用作这些钢管的中心线，该中心线直接偏离 PTFE 过渡线。该数字模型被用作钢结构分析模型的基础。最终，该模型被转换为 Tekla 模型，以便 Merrill Steel Structures 能够拥有准确的 3D 几何形状，而无需从 2D 图纸构建 3D 模型。虽然看起来在两个方向上都是弯曲的，但每个驱动管实际上只有一个方向上的半径，这大大简化了加工和滚压过程。虽然每根驱动管仅使用一个方向的半径，但 T 形座沿着每根钢管遵循螺旋图案，使 PTFE 膜织物包裹整个球场，形成光滑、起伏的外观。这些 T 形三通的最终位置由 PTFE 膜安装商 Fabritec 确定，该公司还与 Merrill Steel Structures Ltd. 协调，沿着每个给定驱动管的长度开发了一个精确的系统。精确定位每个 T 形形状的长度和半径。
这些驱动管由直径为 10 英寸（0.25 m）的空心钢管（也称为电枢组件）支撑，连接回主框架柱。每个电枢组件也在数字模型中进行控制和开发。为了便于安装这些驱动管，每根钢管都焊接有端板连接节点，然后用螺栓固定到作为电枢组件一部分的连接板上。最终结果令人惊叹：一座美丽的裸露结构钢建筑，提供强度和复杂的几何形状，创造出标志性的立面和动态天篷。安联球场为北美足球场馆树立了新的标杆，钢结构是服务球队、球迷和周边社区的关键要素，将业主和建筑师的愿景变成现实。
注：部分内容翻译自美国钢结构学会《现代钢结构》杂志2019年第7期。
所有者： 明尼苏达联足球俱乐部
业主代表：TEGRA Group
施工管理：摩顿森建筑公司
总承包商：MA Mortenson Company
建筑设计：Populous Architects膜结构和钢结构一样吗，密苏里州堪萨斯城
结构设计：Walter P Moore Design Associates，密苏里州堪萨斯城
信封设计：Walter P Moore Design Associates膜结构和钢结构一样吗，密苏里州堪萨斯城
钢结构制造：Merrill Steel Structure Co, Schofield, WI
钢结构安装：Danny Construction Company，Shakopee，明尼苏达州
钢结构详图：Merrill Steel Structure Co, Schofield, WI
结构钢弯曲：Max Weiss Steel Structure Co, Milwaukee, WI
