杭州地區(qū)大跨公建屋面體系的分析

王建東，郁嘉誠(chéng)，高　翔，馬琳皓，鄒名浩

(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

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杭州地區(qū)大跨公建屋面體系的分析

王建東，郁嘉誠(chéng)，高翔，馬琳皓，鄒名浩

(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

摘要：大跨公共建筑的應(yīng)用，不僅對(duì)建筑技術(shù)有著較高要求，也與當(dāng)?shù)氐墓こ汰h(huán)境密不可分。在此，針對(duì)大跨建筑中的重要部分——屋面體系，根據(jù)杭州地區(qū)特有的經(jīng)濟(jì)、自然環(huán)境等特點(diǎn)，結(jié)合杭州現(xiàn)有大跨公建項(xiàng)目的調(diào)查研究，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)這兩種結(jié)構(gòu)體系在杭州的應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比與分析，進(jìn)而提出大跨鋼結(jié)構(gòu)在杭州的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：公共建筑；預(yù)應(yīng)力混凝土；大跨鋼結(jié)構(gòu)

大跨度建筑通常是指跨度在60 m以上，且結(jié)構(gòu)的傳力路徑直接，內(nèi)力分布合理的建筑結(jié)構(gòu)。其應(yīng)用范圍多在大型的公共建筑，如影劇院、體育場(chǎng)館和展館等。大跨度建筑發(fā)展久遠(yuǎn)，國(guó)外一般將其發(fā)展分成三個(gè)階段，即古代空間結(jié)構(gòu)、近代空間結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)。而我國(guó)大跨度建筑的發(fā)展相對(duì)較晚，但這些年在相關(guān)領(lǐng)域的研究發(fā)展卻很快。目前，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，公共建筑(尤其是一些地標(biāo)性大型建筑)的需求不斷增加。如2008奧運(yùn)建造的主體育場(chǎng)“鳥巢”“水立方”和2014年杭州的奧體中心等?，F(xiàn)今，大跨結(jié)構(gòu)的發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟，應(yīng)用也非常廣泛，形式以預(yù)應(yīng)力混凝土和鋼結(jié)構(gòu)為主。僅國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的空間鋼結(jié)構(gòu)就有38種之多，包括氣承式充氣膜結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)、弦支網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、索彎頂結(jié)構(gòu)等[1]。

1杭州的工程環(huán)境

1.1地理環(huán)境

杭州地處長(zhǎng)江三角洲南沿和錢塘江流域，是浙江省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化和金融中心。得益于京杭運(yùn)河以及其通商口岸的地位，杭州成為重要的商業(yè)集散中心，以及進(jìn)出口貿(mào)易的港口。

杭州市屬臺(tái)風(fēng)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，每年5月下旬至10月中旬，杭州市常常受到臺(tái)風(fēng)襲擊而出現(xiàn)大風(fēng)、暴雨和暴潮天氣。其中70%以上集中在7月中旬至9月中旬。在1956—1985年的30年中，臺(tái)風(fēng)影響共65次，平均每年2次。受臺(tái)風(fēng)影響，東北部河網(wǎng)平原、濱海平原風(fēng)力可達(dá)10～12級(jí)或以上，影響程度見圖1[2-3]。

圖1　杭州各地區(qū)受臺(tái)風(fēng)影響程度

1.2經(jīng)濟(jì)環(huán)境

杭州地處東南沿海，經(jīng)濟(jì)水平發(fā)達(dá)，也是中國(guó)對(duì)外開放度較高的沿海省份之一。近些年，杭州地區(qū)在經(jīng)濟(jì)上發(fā)展迅速，據(jù)《全國(guó)23個(gè)城市2015年上半年經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)》顯示，杭州經(jīng)濟(jì)目前位列全國(guó)第11位，2015年上半年GDP為4 493.75億，同比增幅10.3%，增速位列第二，僅次于重慶。在建筑及相關(guān)領(lǐng)域的投入逐年增加，其中2014年杭州完成基礎(chǔ)設(shè)施投資已達(dá)1 005.53億元，增長(zhǎng)18%；實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)增加值433.81億元，比上年增長(zhǎng)3.4%。

2杭州大跨度公共建筑屋面體系應(yīng)用與分析

2.1典型公共建筑的調(diào)研

大跨度公共建筑主要用于民用建筑的影劇院、體育場(chǎng)館、展覽館、大會(huì)堂、航空港等其他類型的大型公共建筑。杭州現(xiàn)有六大類典型大跨公共建筑，其中包括影劇院(1處)、體育場(chǎng)館(3處)、展覽館(2處)、大會(huì)堂(1處)、航空港(1處)以及交通樞紐站(1處)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，采用鋼結(jié)構(gòu)作為屋面結(jié)構(gòu)主體形式的有：杭州大劇院(圖2)、杭州奧體中心(圖3)、黃龍?bào)w育中心主體育館(圖4)與網(wǎng)球館(圖5)、杭州國(guó)際博覽中心(圖6)、杭州國(guó)際會(huì)議中心(圖7)、蕭山機(jī)場(chǎng)(圖9)、浙江省人民大會(huì)堂(圖8)、杭州東站(圖10)九處，而涉及預(yù)應(yīng)力混凝土屋面形式的僅為杭州大劇院、黃龍?bào)w育中心、蕭山機(jī)場(chǎng)3處。

2.2杭州公共建筑體系的應(yīng)用分析

在調(diào)研的3例涉及預(yù)應(yīng)力混凝土的公共建筑中，屋蓋形式同時(shí)采用鋼結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的建筑僅有杭州大劇院，其整體建筑前后屋蓋由兩部分組成，后屋蓋采用了空間鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系；前屋蓋采用了空間鋼桁架結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)[4]。而其他的兩處建筑雖然涉及了預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)但均不是建筑屋面的主體結(jié)構(gòu)形式，僅是部分構(gòu)件。諸如屋面采用懸索結(jié)構(gòu)的黃龍?bào)w育中心主體育場(chǎng)，僅在懸索挑篷屋面結(jié)構(gòu)的外環(huán)梁上采用預(yù)應(yīng)力混凝土[5]。類似的還有蕭山機(jī)場(chǎng)的航站樓[6]?？梢姡兇獾念A(yù)應(yīng)力混凝土在工程實(shí)踐中比較少，多與鋼結(jié)構(gòu)相結(jié)合。

圖2　杭州大劇院

圖3　杭州奧體中心

圖4　杭州黃龍?bào)w育中心

圖5　杭州黃龍?bào)w育中心網(wǎng)球館

圖6　杭州國(guó)際博覽中心

圖7　杭州國(guó)際會(huì)議中心

圖8　浙江省人民大會(huì)堂

圖9　蕭山機(jī)場(chǎng)

圖10　杭州東站

結(jié)合上述的鋼結(jié)構(gòu)公共建筑，大都是以空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為屋面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，如杭州東站主站房的屋蓋采用斜倒錐形橢圓鋼管柱和斜鋼管格構(gòu)柱+大跨度變截面鋼管空間桁架的鋼框架結(jié)構(gòu)(圖11)，杭州國(guó)際博覽中心的“飄帶”采用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，而浙江省人民大會(huì)堂因?yàn)橹鲿?huì)堂跨度相對(duì)上述兩者較小，為40 m×36 m，故在設(shè)計(jì)時(shí)采用了網(wǎng)架及40 m的鋼管桁架支承屋面的結(jié)構(gòu)形式。

除了空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)弦支結(jié)構(gòu)在杭州地區(qū)應(yīng)用也較多。如杭州奧體中心與黃龍?bào)w育中心的網(wǎng)球館均在殼體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上應(yīng)用了弦支結(jié)構(gòu)(圖12)。其中杭州市奧林匹克體育中心因?yàn)橥鈬峙锟缍却?，懸挑高，在設(shè)計(jì)時(shí)采用鋼結(jié)構(gòu)，由空間管桁架+弦支單層網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成整個(gè)體系。花瓣單元主要結(jié)構(gòu)形式是徑向主桁架和弦支單層網(wǎng)殼，倒三角形組合而成的空間圓管桁架以及主桁架間的弦支單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，將罩棚承受荷載再將力由支座傳導(dǎo)到混凝土看臺(tái)及平臺(tái)上[7]。而同類型的黃龍?bào)w育中心則采用單層肋環(huán)型網(wǎng)殼+張弦梁的雜交體系作為結(jié)構(gòu)支撐?？梢?，在體育館這樣空間跨度大、屋面高度高和安全性要求高的大跨建筑，在網(wǎng)架及網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中引入預(yù)應(yīng)力張弦體系來滿足降低跨中撓度，減小對(duì)周邊支承結(jié)構(gòu)的影響，改善桿件受力性能等的要求。同時(shí)，也提供了一種靈活、簡(jiǎn)潔的建筑外觀。

圖11　杭州東站施工情況圖

圖12　杭州奧體中心弦支結(jié)構(gòu)

2.3兩種結(jié)構(gòu)體系的理論分析

首先，預(yù)應(yīng)力混凝土的發(fā)展雖然已經(jīng)有百余年的歷史，然而在上述的調(diào)研中不難發(fā)現(xiàn)，在我國(guó)的工程應(yīng)用中并不廣泛，這可能是由于：

1)材料性能不足。與先進(jìn)國(guó)家相比，我國(guó)的材料研究方面仍存在一定的差距，如歐美及日本采用的鋼筋多集中在400～600 MPa，尤其是日本，SM570鋼筋的抗拉強(qiáng)度達(dá)到570～720 MPa；歐美預(yù)應(yīng)力混凝土強(qiáng)度為C70，而我國(guó)在這方面普遍低于上述國(guó)家。這導(dǎo)致在一些跨度較大，對(duì)結(jié)構(gòu)要求較高的公共建筑上，采用預(yù)應(yīng)力混凝土難以滿足要求。

2)施工工藝復(fù)雜，且存在預(yù)應(yīng)力損失。先張法對(duì)于張拉臺(tái)座要求高，這導(dǎo)致在施工時(shí)需要一些專業(yè)的人員與設(shè)備，不易于施工推廣，而后張法的預(yù)應(yīng)力損失比較明顯，諸如基于隨機(jī)變量的極值理論和構(gòu)件裂縫數(shù)的可靠性有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可靠性是較低的[8]。

3)造型相對(duì)單一，預(yù)應(yīng)力混凝土難以做成弧形等其他復(fù)雜形狀。且相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)，尤其是其中的張拉結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力混凝土的自重偏大，難以滿足特殊建筑的需要?？梢?，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中存在局限性，因此，目前杭州地區(qū)的大跨公共建筑均以鋼結(jié)構(gòu)為主。

其次，基于杭州特有的自然和經(jīng)濟(jì)環(huán)境，鋼結(jié)構(gòu)也更符合實(shí)際的工程應(yīng)用。如杭州市屬臺(tái)風(fēng)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，在屋蓋的設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮疲勞強(qiáng)度。在這方面鋼結(jié)構(gòu)的性能明顯優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)。除此以外，杭州位于東南沿海，是浙江省會(huì)城市與開放窗口。在設(shè)計(jì)大跨建筑時(shí)，也要兼顧建筑的地域標(biāo)志性與空間美學(xué)的特點(diǎn)。從這一角度上來說，大跨鋼結(jié)構(gòu)形式豐富，造型優(yōu)美輕盈也更加適合應(yīng)用于地標(biāo)性的工程建筑中。

最后，杭州經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，對(duì)外交流頻繁。建設(shè)資金比較充裕，與國(guó)外的技術(shù)交流也比較頻繁，這都是鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)一步在杭應(yīng)用的有利外部條件。同時(shí)杭州的城市建設(shè)發(fā)展，以“生活品質(zhì)之城”作為城市建設(shè)的綱領(lǐng)，對(duì)貼近民生的公共建筑有更大的需求。再根據(jù)《杭州市2014年重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目名單》，2014年在建大跨度公共建筑的項(xiàng)目共有四例，且均采用大跨鋼結(jié)構(gòu)。因而大跨鋼結(jié)構(gòu)在杭未來的發(fā)展也順應(yīng)了內(nèi)部需求的理念。目前，國(guó)內(nèi)建筑用鋼總量約占全部鋼產(chǎn)量的20%，且建筑用鋼又大多用于鋼筋、鋼絞線等基礎(chǔ)材料，真正用作鋼結(jié)構(gòu)的僅占其中10%左右[9]。然而參照歐美的發(fā)展經(jīng)歷，鋼結(jié)構(gòu)必然是大跨建筑的主流。因此，可以預(yù)計(jì)杭州地區(qū)未來大跨鋼結(jié)構(gòu)仍有廣闊的前景。

3結(jié)語

通過對(duì)杭州9例大跨公共建筑的調(diào)研與2014年規(guī)劃項(xiàng)目，鋼結(jié)構(gòu)在杭州的應(yīng)用前景明顯優(yōu)于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。同時(shí)，基于杭州城市建設(shè)的發(fā)展規(guī)劃，未來也必然會(huì)有更多不同形式的鋼結(jié)構(gòu)在杭州得到實(shí)踐。

隨著建筑材料與技術(shù)的革新，經(jīng)常會(huì)推動(dòng)大跨建筑的發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)外在這些領(lǐng)域研究廣泛，如纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic，簡(jiǎn)稱FRP)與增材制造技術(shù)(俗稱3D打印)。其中FRP是由纖維材料與基體材料，按一定的比例混合后形成的高性能型材料，具有：

1)抗拉強(qiáng)度高，是普通鋼筋的2～10倍；

2)抗腐蝕、抗疲勞性能好；

3)熱膨脹系數(shù)與混凝土相近，協(xié)調(diào)性好；

4)質(zhì)量輕，其重量一般為鋼材的20%；

5)良好的可設(shè)計(jì)性等特性。

今后，利用增材制造技術(shù)，將這種FRP材料與鋼筋、混凝土有效地粘合在一起，用于大跨建筑中，可以提高各構(gòu)件中不同部位不同受力的性能。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]董石麟，趙陽.三十年來中國(guó)現(xiàn)代大跨空間結(jié)構(gòu)的體系發(fā)展與創(chuàng)新[C]//第十四屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京：中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)，2012：9-25.

[2]杭州市地方志編纂委員會(huì).杭州市志[M].北京：中華書局,1995.

[3]俞布.杭州市臺(tái)風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃與評(píng)價(jià)[D].南京:南京信息工程大學(xué),2011.

[4]周嶸.大跨度結(jié)構(gòu)在杭州大劇院工程中的應(yīng)用研究[D].杭州:浙江大學(xué),2005.

[5]楊治，關(guān)富玲，程媛.杭州黃龍?bào)w育中心網(wǎng)球館張弦屋面設(shè)計(jì)[J].鋼結(jié)構(gòu),2005,20(4):46-48.

[6]茆誠(chéng)，沈建平，益德清.杭州蕭山機(jī)場(chǎng)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].浙江建筑,2000(5):14-16.

[7]楊想兵，傅學(xué)怡，廖新軍，等.杭州奧體博覽城主體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].施工技術(shù),2014(14):38-43.

[8]張俊芝，蘇小卒.無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的體系可靠性分析[J].工業(yè)建筑,2004,34(1):36-38.

[9]劉錫良.國(guó)外建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用概況[J].金屬世界,2004(2):1-3.

收稿日期：2015-12-24

基金項(xiàng)目：2015國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(201510337015)

作者簡(jiǎn)介：王建東(1975—)，男，浙江紹興人，高級(jí)工程師，從事建筑材料與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教學(xué)和研究工作。

中圖分類號(hào)：TU393.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-3707(2016)03-0029-04

Analysis on the Roof System of the Large Span PublicConstruction in the Region of Hangzhou

WANG Jiandong, YU Jiacheng, GAO Xiang, MA Linhao, ZOU Minghao