安陽(yáng)曹操高陵本體保護(hù)與展示工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

馬智剛，賈振林，田文靜，趙曉雷，孟凡磊

（1.清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100084;2.曹操高陵管委會(huì)，河南 安陽(yáng) 455000）

1 工程概況

安陽(yáng)曹操高陵本體保護(hù)與展示工程位于河南省安陽(yáng)市安豐鄉(xiāng)西高穴村南側(cè)。場(chǎng)地北側(cè)為西高穴村，東南側(cè)為東高穴村，西側(cè)為取土坑及農(nóng)田，南側(cè)為農(nóng)田。

安陽(yáng)曹操高陵墓葬于2008 年12 月起開始搶救性發(fā)掘，依據(jù)考古出土文物、墓葬形制規(guī)模，并結(jié)合文獻(xiàn)，判定墓主是東漢末年丞相、魏武王曹操。

2010 年6 月11 日，安陽(yáng)曹操高陵入選“2009 年度全國(guó)十大考古新發(fā)現(xiàn)”之首，2013 年5 月成為“第七批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位”?？紤]到曹操在中國(guó)歷史上的影響力和唯一性，安陽(yáng)曹操高陵遺址的重要性不言而喻。

安陽(yáng)曹操高陵是以研究中國(guó)歷史上著名政治家、軍事家、文學(xué)家曹操為代表的三國(guó)歷史人物以及宣傳歷史文化的重要載體，安陽(yáng)曹操高陵及其周邊區(qū)域也將被打造成為一個(gè)集社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益為一體的三國(guó)文化遺址公園，成為安陽(yáng)市文化旅游的新名片。

本保護(hù)工程建成后將成為研究三國(guó)文化及漢魏歷史的一個(gè)重要平臺(tái)。

安陽(yáng)曹操高陵本體保護(hù)與展示工程地上1 層，局部地下1 層。地上為錯(cuò)臺(tái)建筑，根據(jù)建筑功能劃分為3 大部分：A 區(qū)遺址展館、B 區(qū)遺址保護(hù)棚和C 區(qū)能源中心，總建筑面積32 500 m2（見圖1）。

圖1 曹操高陵建筑效果及分區(qū)圖

安陽(yáng)曹操高陵本體保護(hù)與展示工程采取對(duì)曹操墓遺址（M1 和M2）進(jìn)行整體遮蓋保護(hù)的設(shè)計(jì)理念，遮蔽與覆蓋遺址及其周邊必要的范圍，最大程度上減少對(duì)遺址的潛在破壞與干擾，為遺址本體提供利于其保存的室內(nèi)穩(wěn)定環(huán)境，并在此基礎(chǔ)上增加展示功能。為與后續(xù)遺址發(fā)掘及保護(hù)工作銜接，采用封閉與半開放結(jié)合的空間設(shè)計(jì)手法，既為參觀人群提供充分的觀賞條件，又有效保護(hù)遺址本體不受游客參觀活動(dòng)的負(fù)面影響。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 基本參數(shù)

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限100 a，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期5 a，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)耐久性年限100 a，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)一級(jí)，建筑抗震設(shè)防類別乙類?；撅L(fēng)壓（100 a 一遇）為0.55 kN/m2，基本雪壓（100 a 一遇）為0.45 kN/m2。擬建場(chǎng)地及附近區(qū)域地基土不液化，地下水埋深相對(duì)較深，不考慮地下水的影響?？拐鹪O(shè)防烈度8 度，場(chǎng)地土類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組二組，場(chǎng)地特征周期0.4 s。

2.2 結(jié)構(gòu)體系

A 區(qū)遺址展館，地上1 層，局部地下1 層，建筑高度8.45 m，結(jié)構(gòu)形式為鋼框架結(jié)構(gòu)；鋼框架軸網(wǎng)間距8 m、10 m、6 m 等，主展廳局部大空間跨度最大達(dá)22 m，框架柱主要采用D300 mm×25 mm、D350 mm×30 mm、口300 mm×300 mm×25 mm×25 mm、口200 mm×200 mm×20 mm×20 mm 等截面，框架梁主要采用H450 mm×250 mm×18 mm×25 mm、H600 mm×300 mm×20 mm×25 mm、H950 mm×300 mm×25 mm×40 mm 等截面，基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)。

B 區(qū)遺址保護(hù)棚，地上一層，外形為對(duì)稱四坡矩形體，結(jié)構(gòu)形式為周邊混凝土柱（2 m×2 m）+119 m 跨度鋼屋蓋。鋼屋蓋結(jié)構(gòu)形式為雙向正交正放H 型鋼桁架，長(zhǎng)為160 m，寬為140 m，檐口高度為23.0 m，屋脊高度為25.6 m，屋蓋室內(nèi)吊頂高度為17.35 m，總建筑面積為20 397.00 m2，短向跨度119 m。鋼屋蓋為四坡頂形式，屋脊位置最大矢高達(dá)8 m，沿口矢高為4.3 m。整個(gè)建筑物四周分別對(duì)應(yīng)設(shè)置30 根11 m 高混凝土獨(dú)立柱作為支撐，室內(nèi)全部區(qū)域無(wú)任何輔助支撐。獨(dú)立柱下采用樁基礎(chǔ)，樁徑1 000 mm。

C 區(qū)能源中心，地上1 層，建筑高度8.45 m，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架。軸網(wǎng)8 m×8 m，框架柱截面600 mm×600 mm，框架梁截面有300 mm×600 mm、400 mm×800 mm等，基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)。

A、B、C 三區(qū)結(jié)構(gòu)模型見圖2～圖4，B 區(qū)鋼屋蓋剖面圖見圖5。

圖2 A區(qū)鋼框架模型

圖3 B區(qū)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)模型

圖4 C區(qū)鋼筋混凝土框架模型

圖5 B區(qū)鋼屋蓋剖面圖

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

A 區(qū)遺址展館，地上1 層，局部地下1 層，建筑高度8.45 m，結(jié)構(gòu)形式為鋼框架結(jié)構(gòu)；鋼框架軸網(wǎng)間距主要為8 m 和10 m。

A 區(qū)、C 區(qū)采用Yjk 進(jìn)行設(shè)計(jì)，B 區(qū)大跨度結(jié)構(gòu)是本工程重點(diǎn)，采用Yjk 和Midas 進(jìn)行設(shè)計(jì)。B 區(qū)鋼屋蓋跨度大，結(jié)構(gòu)布置受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，是本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。

1）大跨屋蓋對(duì)荷載比較敏感，準(zhǔn)確確定本工程屋面及吊頂做法，考慮施工及使用過(guò)程中大跨度屋蓋所受荷載大小是保證結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。主體結(jié)構(gòu)荷載包括：結(jié)構(gòu)自重、外加恒荷載（吊頂、燈具、屋面做法）、雪荷載、風(fēng)荷載、地震作用、溫度荷載等。根據(jù)施工工期，確定合理合龍溫度，盡量減小溫度變化對(duì)主體結(jié)構(gòu)受力影響。鋼屋蓋合龍溫度10～154 ℃，計(jì)算溫差±30 ℃[1，2]。

2）大跨度屋蓋采用正交正放鋼桁架，鋼屋蓋支撐在周邊30 根混凝土柱上，由于現(xiàn)場(chǎng)條件及文物工程施工要求，混凝土支撐柱需盡量遠(yuǎn)離遺址本體，以降低施工振動(dòng)對(duì)遺址本體的影響?；炷林A(chǔ)采用人工挖礦樁，樁長(zhǎng)18 m，根據(jù)受力不同，采用不同的擴(kuò)底樁直徑，樁基承臺(tái)采用偏心設(shè)置方案，既有利于躲開遺址本體，又大大提高了基礎(chǔ)的抗推抗彎能力。樁基水平承載力由理正工具箱中樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步加強(qiáng)樁基抗推能力，承臺(tái)間加設(shè)拉梁，同時(shí)承臺(tái)四周土體分層夯實(shí)回填以加強(qiáng)對(duì)承臺(tái)的嵌固能力并進(jìn)一步增強(qiáng)基礎(chǔ)抗推力。

3）大跨屋蓋為四坡屋頂，鋼屋蓋桁架上弦存在非常復(fù)雜的空間關(guān)系，通過(guò)Xsteel 軟件進(jìn)行精確放樣、推敲構(gòu)件連接關(guān)系，在滿足焊接工藝和方便施工基礎(chǔ)上，確定坡口尺寸。鑒于工程的重要性，屋蓋桿件對(duì)接焊接均采用一級(jí)全熔透焊縫。由于工程焊接量大，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力對(duì)焊縫進(jìn)行重要性區(qū)分，主桁架上與次桁架連接的加勁板三邊全熔透，等級(jí)一級(jí)；其余主桁架上加勁板，當(dāng)加勁板凈距大于或等于150 mm，其與桁架弦桿翼緣的焊縫采用全熔透，等級(jí)一級(jí)，當(dāng)凈距小于150 mm，做等強(qiáng)焊縫（按全熔透要求開坡口）并按20%比例檢測(cè)熔深是否符合要求，與桁架弦桿腹板的焊縫采用部分熔透焊。B 區(qū)鋼屋蓋典型節(jié)點(diǎn)見圖6。

圖6 B區(qū)鋼屋蓋典型節(jié)點(diǎn)

2.4 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程基礎(chǔ)形式根據(jù)安陽(yáng)市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司提供的《安陽(yáng)曹操高陵本體保護(hù)與展示工程巖土工程勘察報(bào)告》進(jìn)行設(shè)計(jì)，場(chǎng)地內(nèi)未見對(duì)工程不利的埋藏物及不良地質(zhì)作用。由于B 區(qū)支撐柱柱底反力非常大，巖土工程勘察報(bào)告建議B 區(qū)采用樁基礎(chǔ)。為保護(hù)文物，樁基施工中盡量減少施工振動(dòng)影響，采用人工挖孔樁，樁徑1 000 mm，樁長(zhǎng)18 m，根據(jù)樁受力大小，采用不同的擴(kuò)底做法，擴(kuò)底直徑1 900 mm、2 900 mm。

A 區(qū)為鋼框架、C 區(qū)為混凝土框架，柱底反力在正常范圍，采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)形式，為增強(qiáng)基礎(chǔ)整體性，在地面附近加設(shè)基礎(chǔ)拉梁。

2.5 施工技術(shù)

為確保遺址本體安全，對(duì)B 區(qū)雙向正交大跨度鋼屋蓋進(jìn)行高空累積滑移安裝（見圖7）。采用2 條軌道（軌道間距119 m）對(duì)重達(dá)近5 000 t 的鋼屋蓋進(jìn)行同步滑移，同時(shí)對(duì)施工進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)，確?；仆胶褪┕み^(guò)程安全[3-5]。

圖7 B區(qū)鋼屋蓋現(xiàn)場(chǎng)滑移安裝施工圖片

3 結(jié)論

安陽(yáng)曹操高陵本體保護(hù)與展示工程是文物保護(hù)與現(xiàn)代工程技術(shù)相結(jié)合的經(jīng)典項(xiàng)目，根據(jù)建筑功能及文物保護(hù)要求，進(jìn)行了3 個(gè)分區(qū)，并根據(jù)每個(gè)分區(qū)的具體情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1）A 區(qū)、C 區(qū)相對(duì)簡(jiǎn)單，采用常規(guī)的鋼框架、混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)，并在地面附近加設(shè)拉梁增強(qiáng)基礎(chǔ)整體性。

2）B 區(qū)跨度大，荷載大，且位于文物本體正上方，屋蓋采用正交正放鋼桁架結(jié)構(gòu)，采用多種軟件進(jìn)行比較分析，確保鋼結(jié)構(gòu)受力安全。

3）為保護(hù)文物，減少施工振動(dòng)影響，B 區(qū)基礎(chǔ)采用人工挖孔樁，承臺(tái)偏心設(shè)置盡最大可能降低對(duì)文物本體的擾動(dòng)。