漂流瓶公共藝術(shù)品結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

王書偉

[1.上海外服（集團）有限公司,上海 200040；2.尤艾普（上海）藝術(shù)設(shè)計咨詢有限公司,上海 200040]

0 引言

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟水平的發(fā)展，人們的生活水平不斷提升，生活質(zhì)量也得到了顯著提高，人們對生活水平的要求變得越來越高，所以城市發(fā)展過程中加強生活環(huán)境的改善以及整體形象的提升才能保證其更加符合人們的居住需求。公共藝術(shù)作為我國文化建設(shè)過程中形成的一種新型藝術(shù)，其在社會發(fā)展中的應(yīng)用對改善城市整體面貌、提升城市活力以及凸顯城市個性文化有著重要作用?，F(xiàn)在越來越多的公共藝術(shù)品出現(xiàn)在大眾的視野里，公共藝術(shù)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性引起了諸多學(xué)者的注意，他們結(jié)合具體工程實際開展了有針對性的研究[1-6]。

1 公共藝術(shù)品

公共藝術(shù)品具有在城市中以人的交往需求為核心而展開的對空間的體驗、對審美的獲取、包括對形態(tài)、意象的親歷和審美活動之意。無論在東方還是在西方，歷史學(xué)家在描述古代藝術(shù)的時候，往往是公共空間的藝術(shù)，藝術(shù)在公共空間中形成各異藝術(shù)語言，他們互相聯(lián)系又互相區(qū)別，共同形成時代的物化標(biāo)志。公共藝術(shù)品主要由三部分組成，第一部分是藝術(shù)品內(nèi)在價值，第二部分是支撐藝術(shù)品的骨架，第三部分是藝術(shù)品與主體結(jié)構(gòu)的連接方式。

2 設(shè)計參數(shù)

公共藝術(shù)品設(shè)計參數(shù)包括三大部分，第一部分為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γo；第二部分為荷載的分類和參數(shù)的選取；第三部分為荷載的組合。

第一部分結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γo，公共藝術(shù)品結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γo的取值同其它結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取值一樣，首先根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生后果的嚴重性采用不同的安全等級，安全等級劃分為三個等級：一級破壞后果很嚴重；二級破壞后果嚴重；三級破壞后果不嚴重。其次根據(jù)工程的使用功能、建造和使用維護成本及環(huán)境影響等因素規(guī)定設(shè)計工作年限將安全等級劃分為三個等級：一級臨時性建筑結(jié)構(gòu)，設(shè)計工作年限5 年；二級普通房屋和構(gòu)筑物，設(shè)計工作年限50 年；三級特別重要的建筑結(jié)構(gòu)，設(shè)計工作年限100 年。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)根據(jù)安全等級，一級1.1；二級1.0；三級0.9，對偶然設(shè)計狀況和地震設(shè)計狀況下的重要性系數(shù)取1.0[7]。

第二部分為荷載的分類和參數(shù)的選取，公共藝術(shù)品樣式千變?nèi)f化，不像普通建筑那樣規(guī)規(guī)矩矩，荷載參數(shù)取值可以直接套用現(xiàn)有規(guī)范條文?，F(xiàn)在的公共藝術(shù)品沒有專業(yè)的規(guī)范和條文來直接解釋相關(guān)參數(shù)的取值，因此對于公共藝術(shù)品荷載參數(shù)的取值成了一道難題，但是公共藝術(shù)品的荷載同樣是按照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范荷載給分為了三大類。

第一類為永久荷載，包括結(jié)構(gòu)自重、土壓力、預(yù)應(yīng)力等。公共藝術(shù)品的永久荷載大部分只包括結(jié)構(gòu)自重和預(yù)應(yīng)力等[8]。公共藝術(shù)品材料多種多樣，其中以不銹鋼，銅，鋁，玻璃鋼作為結(jié)構(gòu)表皮居多，預(yù)應(yīng)力基本上只有鋼索和膜結(jié)構(gòu)材料才需要添加預(yù)應(yīng)力荷載，只有添加了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)本身才能發(fā)揮材料的結(jié)構(gòu)性能。根據(jù)《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》3.1.13 條分項系數(shù)的取值：1、永久作用：當(dāng)對結(jié)構(gòu)不利時，不應(yīng)小于1.3；當(dāng)對結(jié)構(gòu)有利時，不應(yīng)大于1.2、預(yù)應(yīng)力：當(dāng)對結(jié)構(gòu)不利時，不應(yīng)小于1.3；當(dāng)對結(jié)構(gòu)有利時，不應(yīng)大于1.0[9]。

第二類為可變荷載，包括樓面活荷載、屋面活荷載和積灰荷載、吊車荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、溫度作用等。

公共藝術(shù)品的可變荷載大部分只包括結(jié)構(gòu)樓面活荷載、屋面活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、溫度作用等。現(xiàn)在公共藝術(shù)品有一部分是建造在大型公共建筑的樓面和屋面，其目的是以吸引顧客為主，為了公共建筑的安全考慮，設(shè)計公共藝術(shù)品就必須考慮樓面活荷載和屋面活荷載，公共建筑的樓面活荷載取值范圍一般在2～12KN/m2,公共建筑的屋面活荷載取值范圍一般在2～3KN/m2，公共建筑在考慮內(nèi)部公共藝術(shù)品時，需要考慮每種工況下藝術(shù)品產(chǎn)生的荷載，在計算公共建筑結(jié)構(gòu)添加活荷載時需要同時考慮上公共藝術(shù)品產(chǎn)生的荷載。以保證在增加公共藝術(shù)品后公共建筑的結(jié)構(gòu)安全。其次設(shè)計樓面和屋面公共藝術(shù)品時，藝術(shù)品的定位最好考慮在結(jié)構(gòu)柱的位置，以免因公共藝術(shù)品自身重量過大，對結(jié)構(gòu)樓板產(chǎn)生過大的變形形成裂縫。

公共藝術(shù)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中風(fēng)荷載是最重要的控制荷載，風(fēng)荷載計算：計算主要受力結(jié)構(gòu)和維護結(jié)構(gòu)兩種，公共藝術(shù)品主要以計算主要受力結(jié)構(gòu)為主。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB500092012 式（8.1.1）

式中：wk—風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2），βz—高度z 處的風(fēng)振系數(shù)，μs—風(fēng)載體型系數(shù)，μz—風(fēng)壓高度變化系數(shù)，wo—基本風(fēng)壓（kN/m2），具體參數(shù)取值參照規(guī)范確定。

公共藝術(shù)品風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算中風(fēng)振系數(shù)參數(shù)的取值對于風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算準(zhǔn)確性尤為重要，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》8.4.3 條對于一般豎向懸臂型結(jié)構(gòu)，例如高層建筑和構(gòu)架、塔架、煙囪等高聳結(jié)構(gòu)，均可僅考慮結(jié)構(gòu)第一振型的影響，結(jié)構(gòu)的順風(fēng)向風(fēng)荷載可按公式（8.1.1-1）計算。Z高度處的風(fēng)振系數(shù)βz可按下式計算：

式中：g—峰值因子，可取2.5；I10～ 10m 高度名義湍流強度，對應(yīng)A、B、C 和D 類地面粗糙度，可分別取0.12、0.14、0.23 和0.39；R—脈動風(fēng)荷載的共振分量因子；Bz—脈動風(fēng)荷載的背景分量因子，具體參數(shù)取值參照規(guī)范確定。

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》8.4.2 條對于風(fēng)敏感的或跨度大于36m 的柔性屋蓋結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的風(fēng)振的影響。屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)，宜依據(jù)風(fēng)洞試驗結(jié)果按隨機振動理論計算確定。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》上述敘述對于一般豎向懸臂型結(jié)構(gòu)可采用8.4.3 公式計算，對于風(fēng)敏感的或跨度大于36m 的柔性屋蓋結(jié)構(gòu)宜依據(jù)風(fēng)洞試驗結(jié)果取值。其次對于山區(qū)的公共藝術(shù)品風(fēng)壓高度變化系數(shù)的取值應(yīng)考慮地形條件的修正，修正系數(shù)η具體參照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》8.2.2條計算確定。風(fēng)載體型系數(shù)；基本風(fēng)壓具體參數(shù)的取值參照規(guī)范確定。公共藝術(shù)品的風(fēng)荷載組合值系數(shù)、頻遇值系數(shù)和準(zhǔn)永久值系數(shù)可分別取0.6、0.4、和 0.0。

第三類為偶然荷載，包括炮炸力，撞擊力等。作用于公共藝術(shù)品結(jié)構(gòu)的第三類荷載比較少，基本可以忽略不計。

公共藝術(shù)品結(jié)構(gòu)荷載組合基本只考慮兩種組合，一種計算承載力極限狀態(tài)采用的基本組合，另一種計算變形和裂縫采用的標(biāo)準(zhǔn)組合。具體計算詳見《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》8.2.4～8.2.5 條。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

公共藝術(shù)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和一般建筑結(jié)構(gòu)；大跨度空間結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計如出一轍，首先設(shè)計承載建筑結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)，其次再設(shè)計承載建筑結(jié)構(gòu)的次要結(jié)構(gòu)。藝術(shù)品結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括三大部分：主體結(jié)構(gòu)設(shè)計；表皮結(jié)構(gòu)設(shè)計；連接節(jié)點設(shè)計。

3.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

公共藝術(shù)品主體結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括結(jié)構(gòu)概念設(shè)計；截面和材料的選擇；荷載參數(shù)的取值；荷載組合定義等。具體以蘇州仁恒倉街項目漂流瓶公共藝術(shù)品為例，漂流瓶由14 片不同方案元素的不銹鋼表皮組成，藝術(shù)品內(nèi)部燈光折射出精美的光影圖案，活躍著場地間的夜間氛圍（如圖1所示）。

圖1 工程效果圖

漂流瓶公共藝術(shù)品地處蘇州古城，位于蘇州市姑蘇區(qū)，場地設(shè)防烈度7 度，設(shè)計基本地震加速度0.1g，設(shè)計地震分組第一組。漂流瓶公共藝術(shù)品建筑高度7m，中間部位最大直徑4.6m。結(jié)構(gòu)設(shè)計工作年限50 年，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》二級安全等級取1.0。漂流瓶半徑2Km 范圍內(nèi)建筑物的平均高度大于9m 小于18m，根據(jù)地面粗糙度類別劃分為C 類。漂流瓶公共藝術(shù)品根據(jù)前期藝術(shù)家提供的結(jié)構(gòu)截面，豎向龍骨和環(huán)形龍骨均采用寬50mm×6mm 的S30408不銹鋼鋼板組成，為了完美地復(fù)制藝術(shù)品的效果，漂流瓶藝術(shù)品結(jié)構(gòu)采用原來藝術(shù)家提供的結(jié)構(gòu)截面，經(jīng)過結(jié)構(gòu)復(fù)核藝術(shù)家提供的藝術(shù)品結(jié)構(gòu)截面，遠遠不能滿足現(xiàn)有場地藝術(shù)品結(jié)構(gòu)截面，經(jīng)過與藝術(shù)家溝通，才知道原來藝術(shù)家提供的藝術(shù)品是室內(nèi)藝術(shù)品不是室外藝術(shù)品。后經(jīng)與工廠和藝術(shù)家的雙面溝通及以往藝術(shù)品安裝經(jīng)驗，藝術(shù)品結(jié)構(gòu)還是采用原有結(jié)構(gòu)形式，藝術(shù)品安裝采用每片藝術(shù)品形成一個結(jié)構(gòu)總體，豎向和底部全部采用不銹鋼螺栓連接形式。結(jié)構(gòu)截面考慮了是室外藝術(shù)品結(jié)構(gòu)受力比較大，螺栓一般采用在16～20mm 之間，螺栓孔中心至構(gòu)件邊緣距離垂直內(nèi)力方向最小容許間距在1.5do，結(jié)構(gòu)材質(zhì)考慮了后期維護成本，決定采用S30408 不銹鋼以減少后期因材料生銹產(chǎn)生的維護費用。結(jié)構(gòu)截面初步采用寬65mm×16mm不銹鋼鋼板，漂流瓶公共藝術(shù)品因獨特的造型，結(jié)構(gòu)荷載只考慮恒載；風(fēng)載和地震荷載。恒載為2mm S30408 不銹鋼表皮，表皮重量為0.16KN/m2,風(fēng)載根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB500092012 式（8.1.1）計算，風(fēng)載計算中風(fēng)振系數(shù)的取值對于風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算準(zhǔn)確性尤為重要，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB500092012 式（8.4.3）。

其中要計算R-脈動風(fēng)荷載的共振分量因子；Bz-脈動風(fēng)荷載的背景分量因子。Bz計算需要先計算ρx-脈動風(fēng)荷載水平方向相關(guān)系數(shù)；ρz-脈動風(fēng)荷載豎直方向相關(guān)系數(shù)。

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB500092012 式（8.4.5）代入?yún)?shù)ρx；ρz

計算R-脈動風(fēng)荷載的共振分量因子首先需要計算

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB500092012 式（8.4.4-1）代入?yún)?shù)

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB500092012 式（8.4.3）代入?yún)?shù)R 和Bz

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》表8.3.1 項次37（b）整體計算時的體型系數(shù)取μs=0.73

μz根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》表8.2.1 μz=0.65

地震荷載根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》5.1.1-1 條，一般情況下，應(yīng)至少在建筑結(jié)構(gòu)的兩個主軸方向分別計算地震作用[10]。荷載組合應(yīng)考慮承載能力極限狀態(tài)組合和正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合，分別用于計算結(jié)構(gòu)的強度和剛度，其中承載能力極限狀態(tài)基本組合：組合1：1.3 恒+1.5 風(fēng)；組合2：1.3 恒+1.4 水平地震；組合3：1.0 恒+1.5 風(fēng)；組合4：1.0 恒+1.4 水平地震；正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合：組合5：1.0 恒+1.0 風(fēng)。主體結(jié)構(gòu)考慮到結(jié)構(gòu)是個豎向懸臂型結(jié)構(gòu)，為了減少結(jié)構(gòu)的頂點位移，結(jié)構(gòu)柱腳決定采用剛接柱腳。根據(jù)正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合結(jié)構(gòu)頂部最大位移為23.224mm＜7000/250=28mm，滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》表B.2.2規(guī)范要求[11]（如圖2 所示）。

圖2 主體結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合結(jié)構(gòu)頂部位移圖

不銹鋼龍骨經(jīng)過非線性分析驗算，漂流瓶不銹鋼結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)組合下，鋼結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力比為0.675＜1 滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》要求（如圖3 所示）。

圖3 豎向龍骨極限承載力狀態(tài)下應(yīng)力分布圖

3.2 表皮結(jié)構(gòu)設(shè)計

公共藝術(shù)品表皮作為結(jié)構(gòu)的重要組成部分，表皮安全至關(guān)重要。漂流瓶由14 片相同尺寸的2mm S30408 不銹鋼表皮組成，每片藝術(shù)品表皮與豎向龍骨和環(huán)向龍骨采用焊接連接，每片表皮形成一個單一的結(jié)構(gòu)體。藝術(shù)品表皮結(jié)構(gòu)復(fù)核可以只計算一片不銹鋼表皮在承載能力極限狀態(tài)組合下藝術(shù)品表皮結(jié)構(gòu)應(yīng)力和正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合藝術(shù)品表皮的結(jié)構(gòu)位移。根據(jù)圖4漂流瓶標(biāo)準(zhǔn)片表皮在承載能力極限狀態(tài)組合1：1.3 恒+1.5 風(fēng)；組合2：1.0 恒+1.5 風(fēng)；結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為0.315kN/m2＜178 kN/m2，滿足S30408 不銹鋼標(biāo)表皮抗拉強度設(shè)計值，滿足《建筑幕墻工程技術(shù)規(guī)范》表3.2.7 規(guī)范要求[13]（如圖4 所示）。

圖4 藝術(shù)品表皮極限承載力狀態(tài)下應(yīng)力分布圖

漂流瓶標(biāo)準(zhǔn)片表皮在正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合3：1.0 恒+1.0 風(fēng)，結(jié)構(gòu)最大位移為8.4mm＜822/90=9.13mm，滿足《建筑幕墻工程 技術(shù)規(guī)范》表10.1.6 規(guī)范要求[12]（如圖5 所示）。

圖5 藝術(shù)品表皮正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合下位移圖

3.3 連接節(jié)點設(shè)計

公共藝術(shù)品連接節(jié)點比較考究，不像鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點那樣比較隨意，節(jié)點設(shè)計上不僅要求節(jié)點要精致還要施工方便。對漂流瓶公共藝術(shù)品連接節(jié)點設(shè)計是個極大挑戰(zhàn)。

漂流瓶公共藝術(shù)品豎向和環(huán)向龍骨結(jié)構(gòu)經(jīng)計算采用寬65mm×16mm S30408 不銹鋼鋼板滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)安裝每片藝術(shù)品形成一個結(jié)構(gòu)總體，豎向和底部全部采用不銹鋼螺栓連接方式。這時豎向龍骨采用兩片寬65mm×8mm S30408 利用不銹鋼螺栓連接在一起，環(huán)向龍骨還是采用寬65mm×16mm S30408 不銹鋼鋼板。外表皮采用2mm S30408 不銹鋼表皮與豎向龍骨；頂部和底部環(huán)向龍骨焊接在一起，底部連接采用底部寬100mm×16mm 環(huán)向龍骨與柱腳頂寬140mm×16mm 環(huán)向連接板采用M16@140不銹鋼螺栓采用等強連接，具體連接方式（如圖6 所示）。

圖6 豎向龍骨與底部環(huán)向連接板連接節(jié)點

柱腳連接一般可采用兩種方法，一種是預(yù)埋，一種是后錨固。傳統(tǒng)的預(yù)埋方法容易給設(shè)計、施工帶來極大的不便，甚至不容易出差錯，致使影響設(shè)計、施工進度；而后錨固技術(shù)恰好為這一難題提供了簡便而又有效的解決方法?？紤]了前期水池混凝土基礎(chǔ)需要，先施工和現(xiàn)場預(yù)埋錨栓施工的偏差影響柱腳底板的定位，決定采用特殊倒錐型化學(xué)錨栓施工，特殊倒錐型化學(xué)錨栓一方面通過化學(xué)粘結(jié)劑保證錨栓與混凝土體的粘結(jié)強度，另一方面又通過倒錐體與混凝土機械鎖鍵保證螺栓與混凝土體的連接強度，具有較好抗震性能。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》16.1.5 條當(dāng)在抗震設(shè)防區(qū)承重結(jié)構(gòu)中使用錨栓時，應(yīng)采用后擴底錨栓或特殊倒錐形膠粘型錨栓，且僅允許用于設(shè)防烈度不高于8 度并建于Ⅰ、Ⅱ類場地的建筑物。經(jīng)計算漂流瓶14 個柱腳每個柱腳采用4 個M16 特殊倒錐型化學(xué)錨栓滿足剛接柱腳連接要求。

4 總結(jié)

從公共藝術(shù)品的定義到結(jié)構(gòu)設(shè)計，發(fā)現(xiàn)影響公共藝術(shù)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝的三大要素，風(fēng)振系數(shù)；體型系數(shù)和節(jié)點設(shè)計。風(fēng)振系數(shù)和體型系數(shù)取值的大小直接影響藝術(shù)品的整個藝術(shù)品的效果及造價，其次節(jié)點設(shè)計的好壞直接影響施工安裝的進度，通過漂流瓶公共藝術(shù)品項目對從事公共藝術(shù)品結(jié)構(gòu)設(shè)計者有一個淺顯的認識，以此促進公共藝術(shù)品行業(yè)健康有序地發(fā)展。