韓嶺美術(shù)館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

俞 涵，匡仁錚

（寧波市房屋建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 寧波315100）

當(dāng)代建筑藝術(shù)發(fā)展迅速，建筑造型及功能需求復(fù)雜化，因此結(jié)構(gòu)與建筑融合顯得尤為重要。隨著BIM技術(shù)（韓嶺美術(shù)館采用Rhino軟件正向設(shè)計(jì)）的快速發(fā)展，使工程師與建筑師可以在方案概念階段開始動(dòng)態(tài)交互創(chuàng)作，避免結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的“后合理化”［1］。工程師應(yīng)根據(jù)建筑概念方案得到結(jié)構(gòu)方案，再通過結(jié)構(gòu)試算，優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置，提升結(jié)構(gòu)性能等方式，在復(fù)雜的建筑形體里摸索支撐結(jié)構(gòu)自身以及抵抗外力有效的豎向及抗側(cè)力體系。在滿足結(jié)構(gòu)自身安全、經(jīng)濟(jì)的前提下，盡可能地實(shí)現(xiàn)建筑效果。

1 工程概況

韓嶺美術(shù)館位于寧波東錢湖南側(cè)，由日本隈研吾建筑都市設(shè)計(jì)事務(wù)所承擔(dān)方案設(shè)計(jì)。美術(shù)館平面投影尺寸約59 m×33 m，建筑高度約18 m，建筑外表面通過退臺疊層雙坡三角屋面處理，整體呈山形，達(dá)到建筑藏于山景的意境。美術(shù)館由175組坡屋面及205塊大玻璃幕墻組合而成，南北出入口貫通整體建筑，兩端各由兩榀跨度32 m的雙坡大跨屋檐構(gòu)成，其復(fù)雜的線性造型由Rhino軟件生成。項(xiàng)目正處于鋼結(jié)構(gòu)安裝階段，建成后將成為寧波市東錢湖區(qū)域地標(biāo)性建筑，項(xiàng)目效果圖見圖1。

圖1 韓嶺美術(shù)館效果圖

本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10 g，設(shè)計(jì)地震分組第一組，場地類別Ⅱ類，多遇地震特征周期Tg為0.35 s，罕遇地震Tg為0.40 s。規(guī)范基本風(fēng)壓值為0.5 kN/m2（50年一遇），地面粗糙度為A類，與《韓嶺美術(shù)館項(xiàng)目建筑風(fēng)洞測壓試驗(yàn)報(bào)告》結(jié)果進(jìn)行對比，風(fēng)荷載采取包絡(luò)設(shè)計(jì)。項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，屬抗震重點(diǎn)設(shè)防類建筑。

2 結(jié)構(gòu)體系

本項(xiàng)目脫離了傳統(tǒng)建筑樓層、立面等概念，方案公司在項(xiàng)目前期僅提供了建筑Rhino模型，為使結(jié)構(gòu)布置與建筑表皮完美結(jié)合，達(dá)到建筑要求的立面與空間效果，同時(shí)為建筑提供一種高效的結(jié)構(gòu)受力體系，通過BIM軟件正向設(shè)計(jì)，提出三類結(jié)構(gòu)體系，分別為懸挑梁+輕型鋼+混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系、格柵結(jié)構(gòu)+輕型鋼結(jié)構(gòu)+混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系及空間鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架+混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系（限于篇幅不再展開論述）。

通過各結(jié)構(gòu)方案試算比選，配合方案公司多輪方案優(yōu)化，最終選擇空間鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架+混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系。利用豎向交通核建立兩個(gè)混凝土核心筒，用來承受水平力作用，內(nèi)部鋼柱與落地外殼斜向網(wǎng)格作為豎向支撐構(gòu)件，以雙坡三角屋架桿件為水平支撐系統(tǒng)，綜合構(gòu)成完整的空間鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架+混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系［2］。其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合外立面的退臺疊層雙坡三角屋架，斜交網(wǎng)格［3］代替?zhèn)鹘y(tǒng)框架梁柱結(jié)構(gòu)，斜桿內(nèi)力以軸力方式傳遞，能有效克服二階彎矩產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度大，雙坡三角屋架傳力方式直接。斜交網(wǎng)格藏于瓦片及鋁板吊頂間隙中，使建筑內(nèi)部空間布置更加自由靈活，解決建筑外立面不希望存在豎向及水平構(gòu)件的難題。同時(shí)，以雙坡三角屋架為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)子單元，其受力清晰、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。通過標(biāo)準(zhǔn)子結(jié)構(gòu)有規(guī)律疊加，形成可靠、安全的結(jié)構(gòu)體系。見圖2。

圖2 韓嶺美術(shù)館分層結(jié)構(gòu)模型

南北出入口處32 m雙坡大跨屋檐采用立體桁架并設(shè)置垂直懸挑桁架控制變形。坡屋面及樓面主梁與鋼筋混凝土核心筒采用剛性連接，核心筒四角及立柱處預(yù)埋鋼骨，提高核心筒的承載力，同時(shí)保證鋼構(gòu)件與核心筒連接的可靠性。樓、屋面板采用在鋼梁上鋪壓鋼筋桁架樓承板，解決退臺疊層雙坡三角屋面無法支模的難題。樓層鋼梁采用H型截面，屋架斜桿、梁柱截面均采用箱形截面。

3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

韓嶺美術(shù)館建筑有別于傳統(tǒng)建筑的立面、樓層等概念，建筑立面通過雙坡三角屋架退臺疊層而成，結(jié)構(gòu)體系較為特殊，建筑外周豎向及水平抗側(cè)構(gòu)件均由斜桿交互而成。建筑剖面見圖3。結(jié)構(gòu)整體模型見圖4。

圖3 建筑剖面圖（單位：m）

圖4 結(jié)構(gòu)整體模型（去樓、屋面板）

3.1 退臺疊層雙坡三角屋架研究

通過對疊層雙坡三角屋架，依次以圖5中①②③④四種布置方式進(jìn)行推演分析，得到桿件拉壓分布規(guī)律，并采用Midas Gen軟件進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證得知，雙坡三角屋架按下圖規(guī)律疊加，子雙坡三角屋架桿件拉壓分布固定，桿件內(nèi)力從上向下增大。

圖5 疊層雙坡三角屋架桿件受力規(guī)律研究

選取美術(shù)館西側(cè)局部結(jié)構(gòu)（圖4所示退臺疊層屋架）進(jìn)行分析，得到結(jié)構(gòu)在1.2D+1.4L荷載作用下屋架的變形及應(yīng)力見圖6?？芍?，結(jié)構(gòu)變形可控，變形從下往上增大。桿件應(yīng)力較小，空間結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力協(xié)調(diào)作用效果明顯。疊層雙坡三角屋架桿件拉壓分布明確，桿件內(nèi)力從上向下增大，疊層結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定。

圖6 美術(shù)館西側(cè)局部結(jié)構(gòu)布置及受力分析

3.2 南北貫通出入口雙坡大屋檐結(jié)構(gòu)研究

南北貫通出入口處各設(shè)計(jì)一榀32 m跨的雙坡三角立體桁架，由于立體桁架跨度較大，為避免在豎向荷載作用下產(chǎn)生較大的變形，在軸處設(shè)置垂直懸挑桁架。懸挑桁架底面結(jié)合建筑底部鋁板造型，設(shè)計(jì)成類似魚腹式造型。通過設(shè)置垂直懸挑桁架，將立體桁架的豎向、水平荷載傳遞至內(nèi)部的鋼柱和核心筒處，控制了立體桁架的變形，提高了立體桁架的承載力，增加了結(jié)構(gòu)的冗余度。立體桁架結(jié)構(gòu)布置、變形及應(yīng)力見圖7。立體桁架的豎向最大變形量為20.8 mm，撓度約為1/1500，遠(yuǎn)小于《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ 7—2010）》［4］規(guī)定的在恒活荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下的容許撓度值1/250的要求。

圖7 南北入口雙坡大屋檐結(jié)構(gòu)布置及受力分析

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

對該類復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用Gen、ETABS等多軟件計(jì)算復(fù)核。經(jīng)計(jì)算各軟件計(jì)算數(shù)據(jù)基本一致，以下為Midas Gen的主要計(jì)算數(shù)據(jù)。梁柱及斜桿采用線性桿單元，型鋼組合樓板采用膜單元進(jìn)行豎向荷載的導(dǎo)算，幕墻采用蒙皮單元來完成對空間結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的輸入。結(jié)構(gòu)阻尼比取0.04，地震作用采用振型分解反應(yīng)譜法。見表1。

表1 結(jié)構(gòu)自振周期、振型特征

由表1可知，本結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性較好，結(jié)構(gòu)前2模態(tài)分別為X向及Y向的平動(dòng)，扭轉(zhuǎn)主振型出現(xiàn)在第三模態(tài)，扭轉(zhuǎn)周期比為0.56。

由表2可知，雙核心筒及斜交網(wǎng)格體系有效地提供了側(cè)向剛度，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較大。但本項(xiàng)目抗側(cè)體系不同于傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)，層的概念模糊，屬空間結(jié)構(gòu)，層間位移角、扭轉(zhuǎn)位移比及剛度指標(biāo)等存在失真可能，無法可靠地表現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力和變形特征。因此，對結(jié)構(gòu)單榀框架及標(biāo)準(zhǔn)子結(jié)構(gòu)（雙坡三角屋架）的分析極為重要。

表2 結(jié)構(gòu)層間位移角、位移比最大值及底部剪力

5 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性分析

罕遇地震作用采用Sausage軟件進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析。本地區(qū)地震加速度最大值為220 cm/s2，主方向、次方向及豎向按1∶0.85∶0.65的比例輸入三向組合地震波，阻尼比取0.05。

經(jīng)計(jì)算，由圖8可知，梁柱均無損壞；核心筒大部分僅出現(xiàn)輕度損壞，局部出現(xiàn)中度損壞；混凝土樓板在平面角部及開洞角部位置出現(xiàn)輕度破壞。

圖8 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能

X向最大層間位移角為1/335，Y向最大層間位移角為1/303，遠(yuǎn)小于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011—2010）》規(guī)定的罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性位移角的限值。

6 美術(shù)館典型單榀框架受力分析

選取①軸、⑤軸、⑧軸三榀框架，包含典型斜交網(wǎng)格及轉(zhuǎn)換桁架，作為主體受力體系的單榀框架進(jìn)行受力分析，研究單榀框架在1.2D+1.4L荷載工況下的變形、軸力情況。由于梁及斜桿受到軸力作用會(huì)考慮樓板作用，過大的拉力會(huì)使樓板開裂甚至破壞，因此分別計(jì)算屋面板為彈性膜及不考慮屋面板作用的兩種情況。發(fā)現(xiàn)在恒活荷載作用下，考慮樓板作用的桿件軸力明顯小于不考慮樓板作用的情況。圖9為考慮樓板作用的結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果。

由圖9可知，選取的各單榀框架受力變形符合設(shè)計(jì)預(yù)期，斜交網(wǎng)格及豎向柱軸力從上往下逐漸增大，符合構(gòu)件傳力的變化規(guī)律。

圖9 ①軸、⑤軸、⑧軸單榀結(jié)構(gòu)布置及受力分析

斜交網(wǎng)格與柱采用剛性連接，斜桿傳力復(fù)雜，軸力的水平分量對豎直柱產(chǎn)生水平向推力或拉力，對樓層處梁板產(chǎn)生較大的水平力。同時(shí)，受拉斜桿對其相連坡屋面板產(chǎn)生較大的平面內(nèi)拉力，使坡屋面板在平面內(nèi)產(chǎn)生較大變形，需對樓層處樓板及坡屋面板進(jìn)行詳細(xì)分析，加強(qiáng)構(gòu)造措施，提高其承載力，避免隨樓板剛度退化，斜桿內(nèi)力進(jìn)一步增大。

7 典型節(jié)點(diǎn)有限元分析

本項(xiàng)目鋼柱上普遍連接多根水平和斜向桿件，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力復(fù)雜，為驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的合理性，了解傳力機(jī)理以及破壞模式，選取圖4所示復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。采用大型有限元軟件ABAQUS，選取罕遇地震工況下的桿件內(nèi)力進(jìn)行有限元分析。由圖10可知，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造合理，具有較大的承載力余量。鋼節(jié)點(diǎn)主要采用相貫焊接的形式，對于由5根及以上桿件相交的節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)。鑄鋼節(jié)點(diǎn)根據(jù)構(gòu)件的空間關(guān)系和截面確定主通桿件與加勁肋的設(shè)置方式，采用漸變壁厚的方式滿足受力過渡的要求。

圖10 鋼節(jié)點(diǎn)有限元分析

8 風(fēng)洞試驗(yàn)研究

8.1 風(fēng)洞試驗(yàn)的必要性

寧波地區(qū)夏秋季節(jié)臺風(fēng)高發(fā)，且本建筑臨湖建造，雙坡三角屋面為兜風(fēng)結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載對建筑影響極大。直接使用規(guī)范的數(shù)值計(jì)算風(fēng)荷載作用，在本項(xiàng)目上受到局限，需通過風(fēng)洞模擬試驗(yàn)，并結(jié)合本地的氣象資料進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本建筑屋面裝飾材料選用傳統(tǒng)的小青瓦，根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，屋檐處未采取連接措施的小青瓦極易被臺風(fēng)的負(fù)風(fēng)壓掀翻。需通過風(fēng)洞試驗(yàn)得出屋檐處的負(fù)風(fēng)壓，為小青瓦的安裝措施提供理論支持。

8.2 風(fēng)洞試驗(yàn)概況

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎肁BS制作，幾何縮尺比為1/50，在風(fēng)洞中阻塞率小于2%，滿足風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)要求，為了捕捉最不利位置風(fēng)壓，檐口及屋脊位置測點(diǎn)較密，測點(diǎn)離邊緣最近距離為5 mm，同時(shí)在明顯存在屋面形式變化的位置布置測試點(diǎn)，整個(gè)建筑共布置36個(gè)測點(diǎn)。

8.3 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)風(fēng)洞試驗(yàn)，建筑表面極值風(fēng)壓的變化范圍為-3.01～1.42 kN/m2，極值負(fù)壓較大；最大極值負(fù)壓出現(xiàn)在建筑頂部角點(diǎn)位置。

圖11中用圓圈標(biāo)注的位置，同時(shí)具有挑檐和屋脊的特點(diǎn)，體型系數(shù)絕對值較高。其他位置的體型系數(shù)呈現(xiàn)隨高度增加而增加的現(xiàn)象，其中最高屋脊位置端部的體型系數(shù)最大為2.0。限于篇幅僅以南側(cè)坡屋面體型系數(shù)為例。

圖11 南側(cè)坡屋面體型系數(shù)

圖12給出了以當(dāng)?shù)貋砹鳛閰⒖嫉娘L(fēng)壓系數(shù)均方根值在36個(gè)風(fēng)向角下的極值包絡(luò)。均方根風(fēng)壓系數(shù)極大值出現(xiàn)在東側(cè)及南側(cè)的上部挑檐部分，最大達(dá)到0.66，與文獻(xiàn)［5］給出的雙坡屋面邊緣最大壓力系數(shù)接近。

圖12 南側(cè)坡屋面均方根壓力系數(shù)

9 結(jié) 語

當(dāng)代建筑在造型及內(nèi)部功能上持續(xù)創(chuàng)新，對工程師提出了更高的要求?；陧n嶺美術(shù)館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討，提取以下幾點(diǎn)供相關(guān)設(shè)計(jì)參考：

1）采用斜交網(wǎng)格代替?zhèn)鹘y(tǒng)梁柱框架結(jié)構(gòu)，具有側(cè)向剛度大，內(nèi)力以軸力方式傳遞，有效克服二階彎矩產(chǎn)生等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，契合建筑立面效果，使建筑內(nèi)部空間布置更加自由靈活。

2）通過對退臺疊層雙坡三角屋架的研究，得到該體系傳力清晰，疊層結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定，整體協(xié)調(diào)性好，是一種穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)體系。

3）結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下處于彈性工作階段。罕遇地震作用下最大層間位移角為1/303，核心筒大部分出現(xiàn)輕度損壞，局部出現(xiàn)中度損壞；梁柱均無損壞；混凝土樓板在平面角部及開洞角部位置出現(xiàn)輕度破壞。結(jié)構(gòu)體系傳力清晰可靠，整體穩(wěn)定，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造合理。

4）風(fēng)洞試驗(yàn)研究結(jié)果表明建筑幾何外形對風(fēng)場的影響程度與其幾何尺度正相關(guān)，韓嶺美術(shù)館在影響大尺度風(fēng)場的多坡屋面屋脊位置與雙坡屋面在風(fēng)荷載取值上具有較好的相似性，而屋蓋其他區(qū)域的風(fēng)荷載可對比性不強(qiáng)。