濰坊火車站南站房蝴蝶造型屋面網(wǎng)架設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題研究

寧業(yè)輝

1.工程概況

濰坊火車站為膠濟(jì)鐵路線上的一等客運(yùn)站，既有北站房候車面積偏小，外部交通擁堵，為適應(yīng)旅客運(yùn)輸發(fā)展需求，在濰坊站站場(chǎng)南側(cè)新建南站房，站房總建筑面積25495.94m2，于2018 年底開工建設(shè)，2020 年底投入使用，開通之后濰坊站增加了一倍的候車面積，最高聚集人數(shù)能達(dá)到8000 人。

南站房總面寬175m，總進(jìn)深67m，站房建筑高度為24.8m（室外地面至屋檐和屋脊的平均高度），站房采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)置兩道變形縫將站房分為A、B、C 三個(gè)區(qū)。南站房屋面以濰坊風(fēng)箏文化為切入點(diǎn)，采用與北站房對(duì)稱的蝴蝶造型，營造南北站房 “南雄北秀，比翼齊飛”的外觀效果，通過具有張力的屋頂實(shí)現(xiàn)南站房的雄偉，襯托北站房的秀麗，隱喻濰坊鼎盛富足的風(fēng)箏城市風(fēng)貌，象征濰坊各項(xiàng)事業(yè)蒸蒸日上（見圖1）。

圖1 濰坊站南站房鳥瞰效果圖

2.屋面蝴蝶造型建模

濰坊站南站房屋面投影面積14900m2，為表達(dá)振翅欲飛的蝴蝶造型，屋面采用輕盈舒展富有變化的曲線輪廓，給人以強(qiáng)烈的視覺沖擊，這同時(shí)也給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師帶來了不小的挑戰(zhàn)，如何將生硬的結(jié)構(gòu)力學(xué)法則與生動(dòng)的建筑形態(tài)完美地融合在一起，成為屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。為給旅客提供一個(gè)更加舒適寬敞的候車體驗(yàn)，區(qū)別于既有北站房較密的柱網(wǎng)布置，南站房二層候車大廳采用大空間、全通透的設(shè)計(jì)，這樣導(dǎo)致作為屋面支承的框架柱全部布置于候車大廳的周邊，形成的屋面結(jié)構(gòu)最大跨度為63m。結(jié)合屋面造型和承載要求，經(jīng)過方案比選最終確定屋面采用大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式，正放四角錐螺栓球節(jié)點(diǎn)（局部為焊接球），下弦支承[1]。

本工程頂層僅在左右兩側(cè)兩排柱距內(nèi)布置辦公和設(shè)備用房，此區(qū)域內(nèi)可利用的支承網(wǎng)架的框架柱布置較為密集，其余空間均為二層候車大廳，框架柱沿周邊布置，網(wǎng)架跨度從52m～63m 變化。網(wǎng)架四周均有懸挑，南、北方向最大懸挑長度分別為18m 和15m，東、西方向?yàn)楹煨偷某岚?，最大懸挑長度12.5m（圖2），為營造輕盈靈動(dòng)的立面效果，建筑要求懸挑部分的厚度越薄越好。結(jié)合屋面表皮的外輪廓造型，網(wǎng)架上弦桿所在的曲面已經(jīng)確定，能夠允許結(jié)構(gòu)自由布置的是下弦桿所在的曲面，根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，網(wǎng)架的高跨比可取1/10～1/15，B 區(qū)網(wǎng)架厚度由中間大跨度向兩端懸挑變薄，網(wǎng)架可布置為由中間厚逐漸向兩端變薄的類似“魚腹式”斷面（圖3），與兩端簡支結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力圖形完全契合。A、C 區(qū)為三邊支承一邊開口的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架厚度也從開口處較大逐漸向兩側(cè)變?。▓D4）。經(jīng)過反復(fù)試算和優(yōu)化截面，最終確定的網(wǎng)架中央?yún)^(qū)域厚度為3.5m，到懸挑端統(tǒng)一收為1.3m，既滿足了結(jié)構(gòu)受力要求，又滿足了建筑挑檐輕薄的要求。網(wǎng)架在整體建模過程中，還需要考慮中央橢圓形排煙窗、水箱間開洞等區(qū)域的節(jié)點(diǎn)劃分，按照“厚度大網(wǎng)格尺寸大，厚度小網(wǎng)格尺寸小”的布置原則，保證相鄰桿件間的夾角大于45°且不宜小于30°，這樣構(gòu)建的下弦桿所在曲面均為雙曲面，再采用腹桿連接起上下弦桿，最終形成網(wǎng)架三維模型。

圖2 屋面網(wǎng)架平面布置圖

圖3 屋面網(wǎng)架南北方向典型剖面

圖4 屋面網(wǎng)架東西方向典型剖面

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)取值

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50 年，屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，重要性系數(shù)1.1，站房所在地抗震設(shè)防烈度8 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.20g，設(shè)計(jì)地震分組第二組，建筑場(chǎng)地類別Ⅱ類，特征周期0.40s。

本工程按照《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，水平地震作用和豎向地震作用均采用振型分解反應(yīng)譜法驗(yàn)算，網(wǎng)架為混凝土框架柱支承，阻尼比取值0.03，水平地震影響系數(shù)最大值0.16，豎向地震影響系數(shù)最大值0.104。

主要荷載取值如下：上弦恒載0.50kN/m2（屋面板系統(tǒng)、檁條），下弦恒載0.50kN/m2（吊頂、燈具、檢修馬道等），屋面上弦活荷載0.50kN/m2，下弦檢修馬道活荷載1.0kN/m2，網(wǎng)架桿件自重由程序自動(dòng)考慮，球節(jié)點(diǎn)自重按照占桿件自重比例30%考慮。

溫度作用按照升溫+25℃、降溫-25℃考慮。

雪荷載按照百年一遇雪壓0.40 kN/m2取值，因站房屋面高低起伏，存在明顯的波谷區(qū)域，其積雪不均勻分布系數(shù)取為2.0。

風(fēng)荷載按照百年一遇風(fēng)壓0.45kN/m2取值，地面粗糙度類別B 類，本工程屋面曲線造型復(fù)雜，對(duì)風(fēng)荷載比敏感，而其體型系數(shù)在荷載規(guī)范中沒有完全對(duì)應(yīng)的取值依據(jù)，為保證采用合理準(zhǔn)確的參數(shù)，確保結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力，特委托中國建科院對(duì)本工程進(jìn)行風(fēng)荷載CFD數(shù)值模擬試驗(yàn)，得到不同風(fēng)向（0°～180°范圍內(nèi)每隔15°，共計(jì)13個(gè)風(fēng)向）下屋面體型系數(shù)的計(jì)算結(jié)果。按照?qǐng)?bào)告提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在計(jì)算程序中輸入不同風(fēng)向工況下的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)，充分保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全。特別值得注意的是挑檐迎風(fēng)向受負(fù)壓控制，體型系數(shù)合值可達(dá)到-2.4（圖5、圖6），如果沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，工程設(shè)計(jì)中很難估算取值，造成設(shè)計(jì)安全隱患[2]。

圖5 屋蓋上表面體型系數(shù)分布圖（0°風(fēng)向）

圖6 屋蓋下表面體型系數(shù)分布圖（0 度風(fēng)向）

4.結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)計(jì)算采用上海同磊3D3S 結(jié)構(gòu)分析軟件，三個(gè)區(qū)網(wǎng)架桿件共計(jì)16317 根，荷載組合考慮恒、活、風(fēng)、地震、溫度相互組合，支座邊界條件考慮溫度作用引起桿件內(nèi)力較大，在A 軸附近支座處沿著Y 方向釋放（X、Z 方向固定），其余均采用固定鉸支座（X、Y、Z 三向固定）。經(jīng)過計(jì)算分析，支座反力Z 向最大為2120kN，水平向最大為990kN，本工程采用性能較好的抗震球形鋼支座，支座承載力應(yīng)小于最大支座反力。經(jīng)過截面優(yōu)選、校核和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，所有桿件最大應(yīng)力比均控制在0.93 以下，最大桿件截面采用?245x14，螺栓球最大截面?300，螺栓最大為M68，因A、C 區(qū)三邊支承、一邊開口，開口處桿件內(nèi)力過大，采用加大網(wǎng)架厚度等辦法效果不明顯，經(jīng)過反復(fù)試算最終確定采用部分焊接球節(jié)點(diǎn)，焊接球最大采用WSR6025。在恒荷載與活荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，A、C 區(qū)最大撓度值為196mm，B 區(qū)最大撓度值180mm，滿足撓度容許值L/250 的要求。網(wǎng)架主體結(jié)構(gòu)用鋼量610t，折合每平方米用鋼量為41kg，較初設(shè)階段進(jìn)一步優(yōu)化，結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算均滿足要求。

5.樹形柱及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

本工程在站房正立面結(jié)合屋面蝴蝶造型設(shè)置兩顆對(duì)稱布置的樹形柱，柱頂三個(gè)曲線樹枝狀分叉，而站房正立面挑檐最大懸挑長度18m，CFD 數(shù)值模擬試驗(yàn)顯示受風(fēng)吸力較大，因此考慮在樹形柱柱頂采用銷軸連接與網(wǎng)架螺栓球節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接（圖7），這樣無論在恒活載下壓的條件下，還是在風(fēng)吸力條件下，都能對(duì)懸挑網(wǎng)架提供有效的支承條件，避免挑檐產(chǎn)生較大的變形。樹形柱由三根?500mmx20 圓鋼管（內(nèi)灌C40 混凝土）通過連接板相互焊接成型（圖8），避免了采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)而造成生產(chǎn)工藝繁瑣，分支鋼管彎曲的角度要結(jié)合網(wǎng)架球節(jié)點(diǎn)所在位置確定，加工尺寸需三維放樣確定。

圖7 樹形柱與網(wǎng)架下弦銷軸連接節(jié)點(diǎn)

圖8 樹形柱三維軸測(cè)圖

6.施工方案及撓度檢測(cè)

本工程屋面網(wǎng)架采用頂升+散拼的施工方案，即先進(jìn)行B 區(qū)屋蓋結(jié)構(gòu)頂升施工，然后進(jìn)行兩側(cè)區(qū)域A 區(qū)2-5 軸、C 區(qū)14-17 軸屋蓋頂升施工，最后進(jìn)行懸挑網(wǎng)架高空散裝施工。網(wǎng)架均需進(jìn)行施工工況的驗(yàn)算，頂升點(diǎn)應(yīng)設(shè)置均勻，各頂升點(diǎn)處按照驗(yàn)算結(jié)果需加大網(wǎng)架局部構(gòu)件，保證網(wǎng)架施工安全穩(wěn)定。網(wǎng)架施工過程中按照一系列質(zhì)量控制保證體系進(jìn)行，順利完成了網(wǎng)架安裝，并委托第三方檢測(cè)單位對(duì)網(wǎng)架撓度進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)際測(cè)量值均不超過對(duì)應(yīng)荷載條件下?lián)隙扔?jì)算值的1.15倍，見表1，滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 7-2010 的要求。

表1 網(wǎng)架屋面板安裝完成后撓度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比（單位：mm）

7.結(jié)語

濰坊火車站南站房屋面造型新穎獨(dú)特，設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于：（1）三維空間建模，良好的空間構(gòu)型既要滿足建筑造型需要，又要符合結(jié)構(gòu)受力原則，是得到合理計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)；（2）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)跨度大、懸挑大，風(fēng)荷載體型系數(shù)分布復(fù)雜，要充分分析結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，反復(fù)調(diào)整試算，得到合理的結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)；（3）節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，要巧妙地利用各種建筑造型構(gòu)件作為有利的結(jié)構(gòu)受力條件，完善各連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，使其與計(jì)算模型假定相契合。