某綜合體廣場裙樓鋼屋蓋大云頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計

上海建筑設(shè)計研究院有限公司 上海 200041

1 工程概況

某大型綜合體廣場，建造在上海市靜安區(qū)長壽路、萬航渡路路口。建筑效果圖見圖1。

圖1 建筑效果圖

基地南北長約200 m，東西寬約100 m，總用地面積為13 686 m2。建筑物地下3層；地上裙樓4層，總高度約19 m；主樓29層（包括設(shè)備/避難層），總高度約120 m。具體使用功能為5層的商業(yè)樓面（地上4層和地下1層），2層的停車場樓面（地下2層和3層），以及29層的主樓高層辦公綜合樓。建筑剖面見圖2。

地上部分建筑面積約為65 693 m2，地下部分建筑面積約為34 884 m2，合計約10 萬m2。

圖2 建筑剖面

主樓上部結(jié)構(gòu)與裙樓之間設(shè)置抗震縫，將結(jié)構(gòu)完全分開。由于建筑平面異常復雜，為了使得抗震縫的設(shè)置合理，主樓的底下5層帶有部分裙樓。主樓的結(jié)構(gòu)形式為框架－核心筒結(jié)構(gòu)；裙樓的結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)。3層地下室連成整體，設(shè)置施工后澆帶。

裙樓的屋蓋為自由曲線形鋼結(jié)構(gòu)，稱之為“云頂”。該鋼結(jié)構(gòu)頭部向上升高，另一端延伸到主樓內(nèi)部7～8層之間。鋼屋蓋一端擱置在裙樓部分的混凝土屋頂上，延伸到主樓結(jié)構(gòu)部分的鋼屋蓋，則設(shè)置于主樓結(jié)構(gòu)挑空的2 個混凝土柱子的型鋼牛腿上，作為鋼屋蓋的支撐點。

2 “云頂”的建筑設(shè)計方案

“云頂”其建筑造型的幾何形狀可以概括為3 個直徑不同的部分球面組成，中間由2 個馬鞍形曲面相貫連接而形成整體。端部最大的部分球面投影約Φ40 m，且略帶傾斜并向上升高，一直延伸到主樓內(nèi)部7～8層之間，其余部分的底部位于同一水平面。對于此球面部分，外方建筑師提出可參考意大利米蘭新貿(mào)易洽談會展中心（New Milan Trade Fair）玻璃頂棚的支撐點做法。

該建筑設(shè)計的創(chuàng)作靈感主要來源于傘的造型，即從支撐柱伸出若干斜桿作為分支點，如此可以有效減小支撐柱間的跨度，并達到輕盈美觀的建筑效果（圖3）。

圖3 米蘭新貿(mào)易洽淡會展中心柱支撐節(jié)點示意

3 風洞試驗及風荷載的取值

由于鋼結(jié)構(gòu)“云頂”體形特殊，且大端部的球面部分之下為開放式空間，風荷載更成為整個鋼結(jié)構(gòu)屋蓋設(shè)計的主要控制荷載，故委托了同濟大學土木工程防災(zāi)國家重點實驗室對結(jié)構(gòu)的剛性模型進行了風洞試驗，以測量主樓表面及“云頂”上的平均壓力及同步脈動壓力，并將試驗結(jié)果用于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。

風洞試驗在同濟大學土木工程防災(zāi)國家重點實驗室的TJ-3大氣邊界層風洞中進行，為保證試驗的效果，對于目標建筑周圍近400 m半徑范圍內(nèi)的30 m以上高度的建筑環(huán)境均進行了同步模擬，整個試驗?zāi)Ｐ捅砻婀膊贾昧?34 個測壓孔。

基于試驗得到的體形系數(shù)而計算的10 min平均風荷載（100年重現(xiàn)期）是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，我們參照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012），考慮風振系數(shù)后的風荷載作為結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載。

風洞試驗報告提供了2 種不同形式的設(shè)計用風荷載，即陣風風荷載和極值風荷載供結(jié)構(gòu)設(shè)計選用。通過對2 種數(shù)據(jù)最大最小值的差值比較，對于云頂?shù)脑O(shè)計，其設(shè)計風荷載以陣風風荷載為大，并以正壓為控制風荷載。上述結(jié)果同時與根據(jù)荷載規(guī)范計算的風荷載數(shù)據(jù)進行了比較，并確定以上述數(shù)據(jù)作為整個云頂結(jié)構(gòu)設(shè)計的風荷載數(shù)值。

4 鋼屋蓋結(jié)構(gòu)方案設(shè)計[1-7]

如前所述，建造師對于本項目“云頂”設(shè)計的最初構(gòu)想是想以主樓5～8層挑空的2 個框架柱作為主支撐點，若參照米蘭項目的做法，須形成多點支撐以滿足結(jié)構(gòu)的要求。但米蘭項目僅為單層鋼結(jié)構(gòu)長廊，鋼柱承受的荷載很小，而本工程的挑空穿層柱是主樓的重要豎向受力構(gòu)件，其上還有二十多層的樓層荷載，且由于挑空4 層，柱子本身的計算長度已很大，在中間再作用很大的水平力，會造成柱子的大偏心受壓，經(jīng)過計算比較，最后排除了該方案。

在與建筑師協(xié)商后，最初采用的替代方案是鋁合金結(jié)構(gòu)薄殼+環(huán)梁的設(shè)計方案。即選用鋁合金作為結(jié)構(gòu)主構(gòu)件，主要是因為其自重輕，構(gòu)件尺寸小，也能滿足建筑設(shè)計輕盈美觀的要求，但由于其強度較普通鋼結(jié)構(gòu)低，而“云頂”主入口又是主樓與裙房連接的部分，跨度相當大，僅靠鋁合金薄殼結(jié)構(gòu)自身無法滿足要求，故只能采用鋼環(huán)梁作為薄殼的支承構(gòu)件，具體布置可參見圖4。

這個方案基本能夠滿足結(jié)構(gòu)支撐的要求，也適當兼顧了建筑美觀的要求。從圖中也可以看出有5 根柱作為環(huán)梁的豎向支承構(gòu)件。其中左邊有2 根Φ1 800 mm勁性混凝土大柱，右方有3 根Φ1 300 mm的勁性混凝土大柱，采用從勁性柱中伸出懸挑梁的方式來支撐鋼環(huán)梁。

圖4 擬用方案的主入口薄殼環(huán)梁仰視

雖然該方案基本解決了“云頂”大跨度支撐的問題，但由于鋼環(huán)梁的存在，不可避免地會影響整個屋面建筑的通透感，該方案最終還是未能得到建造師的認可。

經(jīng)過與建筑師的反復商討，最后確定的實施方案是鋼結(jié)構(gòu)單層網(wǎng)殼方案，并對建筑形體進行了調(diào)整，即保留端部的球狀造型，僅對后端的馬鞍形曲面進行了簡化，調(diào)整為接近單向的拱形曲面。整個結(jié)構(gòu)方案以單層網(wǎng)殼為主，僅在主入口等大跨度無支撐點區(qū)域，將其局部調(diào)整為雙層網(wǎng)殼，以滿足結(jié)構(gòu)強度及撓度的要求，主框架柱支撐方式則改為從柱中合適高度處兩側(cè)各伸出1 個鋼結(jié)構(gòu)牛腿作為分支點，如圖5所示。

圖5 最后確定的“云頂”支撐點示意

我們對整體鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼采用有限元程序分析，其基本荷載考慮了自重、活荷載、雪荷載、風荷載、地震荷載及溫度荷載，其中溫度荷載按±30 K考慮。在正常使用極限狀態(tài)下，共考慮了7 種荷載組合。同時進行了整體穩(wěn)定性分析，并考慮了P-Δ效應(yīng)及結(jié)構(gòu)的幾何缺陷（考慮節(jié)點的最大初始位移為50 mm），計算結(jié)果，滿足設(shè)計要求。

5 “云頂”設(shè)計與主體結(jié)構(gòu)設(shè)計的聯(lián)系

就結(jié)構(gòu)本身而言，“云頂”原為獨立的鋼結(jié)構(gòu)，但由于其跨越主樓與裙房，本身結(jié)構(gòu)也相當復雜，故其對于主體結(jié)構(gòu)的影響不容忽視。該影響主要體現(xiàn)在2 個方面：

其一，由于利用主體結(jié)構(gòu)作為其支撐點，為保證連接效果，主體結(jié)構(gòu)的支撐柱改為型鋼混凝土柱，特別是主樓中的2 根框架柱，在設(shè)計時須考慮節(jié)點的美觀。

其二，由于“云頂”的存在，特別是其延伸入主樓區(qū)域，造成與“云頂”相接處主樓L5～L8層的樓板嚴重缺失，導致該2 根柱子在該段高度范圍內(nèi)沒有水平向約束，造成該處的剛度突變，形成了結(jié)構(gòu)的薄弱層；且由于該相接處的樓板嚴重缺失，從而造成該部位的樓層剛度中心較多地偏移質(zhì)量中心，造成平面不規(guī)則。

針對上述影響，我們對于主體結(jié)構(gòu)的塔樓部分，有針對性地采取了加強措施，具體如下：

（a）加強豎向結(jié)構(gòu)出現(xiàn)突變的樓層樓板厚度，在L4和L9層因為中間的L5～L8層部分樓板缺失，故該2 層樓板的厚度取150 mm，并加強樓板配筋。

（b）對于底部樓層的外框柱的配筋加強：自L10層以下的柱子均采取全柱箍筋加密，以提高柱子的抗剪能力；其中的2 根大柱子，由于無水平約束的自由長度超長，超過4 個樓層的高度，除了加大柱子的直徑（Φ1 500 mm），以控制柱子的長細比，且在柱子L10層以下部分設(shè)置型鋼加強。

（c）與斜柱相交的各樓層框架梁，考慮斜柱引起的水平力，在梁的兩側(cè)均設(shè)置受拉鋼筋，并加強相應(yīng)部位樓板的配筋。

6 結(jié)語

本工程裙樓鋼屋蓋大“云頂”設(shè)計經(jīng)歷了多次結(jié)構(gòu)方案比選，并通過與建筑設(shè)計的緊密配合及協(xié)商，最后的實施方案基本達到了與建筑設(shè)計的和諧統(tǒng)一。從實踐的經(jīng)驗來看成，“云頂”結(jié)構(gòu)的設(shè)計亦非單純的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要協(xié)同考慮與建筑主體結(jié)構(gòu)的聯(lián)系和相互影響，以滿足規(guī)范要求。