某主題游樂園單體結(jié)構(gòu)設(shè)計

周 楊,劉亞燦,羅 俊

(中機中聯(lián)工程有限公司,重慶 400039)

1 工程概況

某大型主題游樂園，由多個單建式游樂園場館組成，均為室內(nèi)游樂園，總建筑面積約30萬m2，項目整體效果圖如圖1所示。本文以23號場館(如圖2所示)為例，該單體為地上2層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)高度15 m，其中1層層高7.1 m，2層層高7.9 m，外包造型最高處高度為37 m，本單體屬于標準設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度為6度，場地類別為Ⅱ類，特征周期0.35 s，抗震等級為四級，其中大跨度框架(跨度不小于18 m)抗震等級為三級[1]。

2 荷載取值

游樂園類建筑創(chuàng)意獨特、造型高大、空間關(guān)系復(fù)雜，荷載取值對結(jié)構(gòu)設(shè)計非常重要。

2.1 高聳尖塔荷載

本場館屋面存在多個高聳尖塔類造型，設(shè)計時可采用估算方法折算為靜力等效樓面荷載。按照平均120 mm厚TCP外包裝估算，包括鋼筋網(wǎng)(5 kg/m2)、噴塑水泥(240 kg/m2)、1.5 m以內(nèi)的次龍骨結(jié)構(gòu)(100 kg/m2)，外包裝荷載按3.5 kN/m2考慮，視外包裝造型復(fù)雜程度適當增加，內(nèi)部主鋼結(jié)構(gòu)按1.5 kN/m2考慮，塔樓投影面積內(nèi)樓面荷載按式(1)估算。

p=(3.5+1.5)×L×H÷S

(1)

其中，L為塔樓平均周長，m；H為塔樓高度，m；S為塔樓投影面積，m2。

主要尖塔造型編號詳見圖3，尖塔等效樓面荷載如表1所示。

表1 主要尖塔造型等效樓面荷載

特別需要注意等效樓面荷載無法考慮尖塔剛度和質(zhì)量分布對主體結(jié)構(gòu)影響，尤其是水平風荷載和地震作用影響無法考慮。所以，還必須采用組裝尖塔造型模型(如圖4所示)整體計算分析。

2.2 房間活荷載

功能性房間使用活荷載按照GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[2]取值，部分功能區(qū)域考慮大型主題游樂園業(yè)態(tài)豐富、道具多、人流排隊密集程度高、等候時長等不確定因素，對使用活荷載予以適當放大。具體取值詳見表2。

表2 房間樓面活荷載 kN/m2

2.3 吊頂荷載

對于主演區(qū)、商店、走廊、排隊區(qū)及餐廳應(yīng)考慮其吊頂荷載。吊頂荷載應(yīng)結(jié)合建筑功能和業(yè)主要求確定。本單體吊頂采用80 mm厚TCP，自重為2.06 kN/m2，不滿掛，只考慮一半荷載1 kN/m2，龍骨為0.25 kN/m2，設(shè)備管線為1 kN/m2，吊頂荷載按2.5 kN/m2取值。

2.4 墻體荷載

排隊區(qū)、主演區(qū)墻體根據(jù)建筑功能、隔音減噪等要求，構(gòu)造層次和做法不一樣，應(yīng)分別統(tǒng)計計算。比如迎客面墻體按照80 mm厚TCP考慮，重量為2.06 kN/m2，外墻考慮彩繪裝飾面荷載1 kN/m2，布置高度按照全墻高考慮，范圍如圖5所示。墻體線荷載計算公式及結(jié)果見表3。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 結(jié)構(gòu)性能化目標

本子項進行性能化分析，性能化目標及構(gòu)件類型分類詳見表4，圖6。

表3 特殊墻體荷載

表4 性能化目標

3.2 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)對比分析

多遇地震作用下軟件計算結(jié)果見表5。

表5 多遇地震作用下軟件計算結(jié)果

由表5計算結(jié)果可以看出，兩者總質(zhì)量相近，自振周期、底層地震剪力及傾覆力矩相差在10%以內(nèi)，位移角相差在10%～15%之間，等效荷載模型的位移角大于組裝模型。經(jīng)過分析，造成該結(jié)果的原因是由于等效荷載模型將所有尖塔鋼結(jié)構(gòu)荷載全部集中于屋面層，其CQC計算得到的地震層剪力較大，導(dǎo)致位移角增大。所以，等效荷載模型在前期設(shè)計階段具有一定的參考性，后期施工圖階段需采用組裝尖塔造型整體模型計算分析，按兩種模型計算結(jié)果包絡(luò)設(shè)計。

3.3 外表面造型與主體結(jié)構(gòu)空間關(guān)系

3.3.1 外表面鋼結(jié)構(gòu)模型建立

外包裝造型較為復(fù)雜，內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計需結(jié)合外包裝造型確定，以1號尖塔造型為例，通過外包裝立面圖，確定主鋼結(jié)構(gòu)外輪廓線(見圖7)，本項目控制外表皮與主鋼結(jié)構(gòu)的距離在100 mm～300 mm之間，以便于外包裝后期的安裝，主鋼結(jié)構(gòu)輪廓確定后，在3D3S中建立三維空間模型(見圖8)，模型支座采用固定鉸支座，通過計算確定桿件截面及布置方式。

3.3.2 外包裝和主體空間關(guān)系復(fù)核與修正

外包裝鋼結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系較為復(fù)雜，通過傳統(tǒng)的二維設(shè)計難以對外包裝鋼結(jié)構(gòu)進行定位，故本項目采用Rhino軟件將主體結(jié)構(gòu)的BIM模型、外包鋼結(jié)構(gòu)的3D3S模型及外包裝表皮模型組合(見圖9，圖10)，從而對外包裝與主體的空間關(guān)系進行復(fù)核和修正[3]，具體流程詳見圖11。

3.3.3 外包裝鋼結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)連接

通過Rhino的三模合一模型，將鋼結(jié)構(gòu)柱腳節(jié)點位置導(dǎo)入CAD平面圖形中(見圖12)，則可以精確的定位外包裝鋼結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的連接點，為確保鋼結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的可靠連接，本項目采用外露式柱腳，預(yù)埋件設(shè)置于屋面的反梁中(見圖13)，鋼結(jié)構(gòu)荷載通過反梁與樓板傳至主體結(jié)構(gòu)的梁柱上[4]。

墻面埋件分為兩個部分，對于特定造型的鋼結(jié)構(gòu)定位通過Rhino實現(xiàn)，其余外墻位置考慮外包裝造型施工的不確定性，可能會設(shè)置凸出表面的GRC預(yù)制件，故對外墻的圈梁構(gòu)造柱按2 m～3 m的間距加密設(shè)置，并在圈梁構(gòu)造柱上按2 m左右的間距設(shè)置分布預(yù)埋件(見圖14)。墻面埋件詳圖如圖15所示。

4 基礎(chǔ)設(shè)計

4.1 基礎(chǔ)選型

根據(jù)地勘報告，本項目以中風化灰?guī)r為持力層，基巖埋深約為5 m，故采用機械成孔樁，并在首層設(shè)置結(jié)構(gòu)底板。地勘報告描述中表明，中風化灰?guī)r屬可溶性巖類，如樁底3倍樁徑或5 m范圍存在巖溶，則必須將樁基礎(chǔ)穿過溶洞，將樁底置于溶洞以下的穩(wěn)定中風化巖層中[5]。

4.2 基礎(chǔ)設(shè)計要點

根據(jù)游樂設(shè)備廠家提供的設(shè)備資料(見圖16)，需設(shè)置設(shè)備基礎(chǔ)，由于游樂設(shè)備較大，使用過程中會產(chǎn)生較大振動，為防止游樂設(shè)備運行過程中的振動對主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，將設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計為樁筏形式，并與主體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)縫脫開處理(見圖17),并且考慮游樂館首層有較多設(shè)備房間及管線，故將基頂標高降至-1.1 m，在-0.1 m位置通過梁上柱加小梁的方式設(shè)置結(jié)構(gòu)板，設(shè)備房間及管線溝局部降板處理[6]。

5 結(jié)論

1)對于高聳造型荷載提出了估算公式，經(jīng)對比分析估算結(jié)果合理，可供參考；主題樂園房間使用活荷載應(yīng)適當放大；吊頂、墻面荷載應(yīng)仔細計算。

2)結(jié)構(gòu)分析應(yīng)采用整體建模計算分析，考慮尖塔造型對主體結(jié)構(gòu)影響。

3)造型復(fù)雜的外包裝鋼結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)空間關(guān)系可采用Rhino軟件進行復(fù)核。

4)大型游樂園均有大型娛樂設(shè)備，地基和基礎(chǔ)應(yīng)充分考慮設(shè)備安裝、運行的影響。

目前，本項目主體結(jié)構(gòu)與埋件已施工完畢，進入外包裝施工階段。