第十屆中國花卉博覽會竹藤館結(jié)構(gòu)設(shè)計

黃永強, 張 洛, 傅晉申

(1 華建集團(tuán)華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200002；2 上海超高層建筑設(shè)計工程技術(shù)研究中心，上海 200002)

1 項目概況

竹藤館是中國第十屆花卉博覽會三個永久場館之一,位于上海市崇明島花博園花協(xié)展區(qū)主軸西側(cè)的竹藤園中,以竹藤工藝品展示為主。竹藤館建筑體量較小,占地面積960m2,建筑面積350 m2,地上一層,結(jié)構(gòu)最大高度為14.5m,地下為下沉式廣場,通過游廊與上部結(jié)構(gòu)相連。

竹藤館采用天然地基,筏板基礎(chǔ)兼做下沉廣場結(jié)構(gòu)地面。地上結(jié)構(gòu)包括三個獨立部分:形似竹藤編織成繭的主體部分、人行橋及索網(wǎng)下方提供布展空間的展廳,三者結(jié)構(gòu)上相互獨立。其中,主體部分建筑造型較為獨特復(fù)雜,給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來不小的挑戰(zhàn):其一體現(xiàn)在復(fù)雜的空間外形,由三組空間異形曲面構(gòu)成,屬于嚴(yán)重不規(guī)則結(jié)構(gòu);其二體現(xiàn)在細(xì)部上扭轉(zhuǎn)編織效果的實現(xiàn),建筑效果要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件與編織效果高度融合,實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)一體化的表達(dá)。

人行橋作為竹藤館展廳的出口通道,“懸浮”于索網(wǎng)面上方,連通了館內(nèi)外流線。人行橋結(jié)構(gòu)設(shè)計難點在于橋身中部存在一段近10m長的懸挑段,與此同時,建筑希望結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸盡量小,以體現(xiàn)人行橋的輕盈感。

展廳為異形拱殼形態(tài),殼體厚度為75mm,采用無配筋超高延性混凝土(UHDC)材料,并結(jié)合3D打印模板技術(shù)和噴射混凝土工藝,實現(xiàn)異形拱殼結(jié)構(gòu)的數(shù)字化精準(zhǔn)建造。竹藤館建筑效果圖和實景照片見圖1、2。

圖2 竹藤館實景照片

2 主體結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模

2.1 建筑生形邏輯

“四環(huán)三面”組成了竹藤館的主體建筑形態(tài),即四個不同高度、角度的空間橢圓環(huán)兩兩放樣,形成三組空間異形曲面,如圖3所示。將三組曲面作為基準(zhǔn)面,基于參數(shù)化建模,可以通過調(diào)整參數(shù),生成不同間距、高度和扭轉(zhuǎn)形態(tài)的編織面效果。

圖3 竹藤館建筑形態(tài)生成邏輯

2.2 基準(zhǔn)面優(yōu)化找形

建筑提供的初始基準(zhǔn)面由兩個空間橢圓直接放樣生成,屬于“直面”,若沿初始基準(zhǔn)面布置索網(wǎng),不施加預(yù)應(yīng)力的情況下,索網(wǎng)的幾何剛度幾乎為零。因此,有必要對初始基準(zhǔn)面的形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化,減小豎向變形。推力線網(wǎng)絡(luò)分析法 (thrust network analysis,TNA) 是將圖解靜力學(xué)擴展到三維空間的一種分析方法,常用于生成純受壓拱形結(jié)構(gòu)[1]。目前基于RHINO參數(shù)化平臺的TNA法相關(guān)插件已被開發(fā)出來[2],可以十分方便地結(jié)合數(shù)字化平臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)化找形。對于本項目,期望得到一個理想純受拉索網(wǎng)面,因此只需要翻轉(zhuǎn)原曲面通過TNA進(jìn)行反向找形即可。

主索網(wǎng)基準(zhǔn)面找形前后形態(tài)如圖4所示,主網(wǎng)面背側(cè)的索網(wǎng)找形后由直線形態(tài)變成懸鏈線狀,前側(cè)索網(wǎng)形態(tài)變化不大。經(jīng)過計算,自重下找形后背側(cè)變形比找形前減小了200mm左右。由于建筑造型的要求,基準(zhǔn)索網(wǎng)面并非完全的負(fù)高斯曲面,斜交索網(wǎng)的索力分布并不均勻,找形前約有25%索段處于松弛狀態(tài),找形后所有索段均處于受拉狀態(tài),結(jié)構(gòu)自重下最大索力約為2.7kN。

圖4 主索網(wǎng)基準(zhǔn)面優(yōu)化前后對比

2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模

顯然,由于本項目的空間復(fù)雜性,采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模思路過于復(fù)雜,且不具有可調(diào)整性。而采用建筑的參數(shù)化建構(gòu)邏輯,選取合適的建筑元素轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)構(gòu)件,可快速實現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模。根據(jù)以上分析,結(jié)構(gòu)布置思路如下:以四個橢圓鋼環(huán)和鋼V柱為骨架(后文將主體結(jié)構(gòu)鋼V柱簡稱主V柱),在三個空間曲面上沿著編織面的外邊緣線生成雙層斜交索網(wǎng),為增加雙層索網(wǎng)的整體剛度,在雙層索網(wǎng)斜交位置增設(shè)一根撐桿。在RHINO+GH平臺完成結(jié)構(gòu)幾何建模后,可直接導(dǎo)入SAP2000生成結(jié)構(gòu)模型,進(jìn)行計算分析,形成一套從建筑設(shè)計到結(jié)構(gòu)計算的完整分析路徑。

3 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本項目采用SAP2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)分析,拉索采用frame單元模擬,且只承受拉力(軟件中將拉索設(shè)置為只拉不壓單元),并在所有的荷載工況中,考慮幾何非線性。

圖5中,主體鋼結(jié)構(gòu)除鋼環(huán)間的鋼V撐采用Q235B鋼材外,其他均采用Q355B熱軋圓鋼管。從上至下四個橢圓鋼環(huán)分別為GH1～GH4,其中GH1截面均為φ299×20,GH2和GH4截面為φ203×20,GH3截面為φ203×10;與GH1相連的兩根分叉柱主干采用變截面錐形圓管,中間最大截面為φ300×30,端部截面收至φ200×20;其余鋼V柱截面為φ168×12;鋼環(huán)間的V撐截面為φ114×10。為達(dá)到“細(xì)柱”的建筑效果,主V柱及V撐兩端均采用銷軸鉸接節(jié)點;三組索網(wǎng)面拉索均采用φ10不銹鋼拉索,雙層拉索間的撐桿為直徑12mm的實心圓桿;為了保證懸挑面的穩(wěn)定,將懸挑面的部分拉索替換成φ83×7剛性桿。

圖5 竹藤館主體結(jié)構(gòu)整體模型

3.1 設(shè)計參數(shù)與荷載取值

本項目建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0?？拐鹪O(shè)防烈度為 7 度( 0.10g) ,建筑場地類別為Ⅲ類,設(shè)計地震分組為第二組,場地特征周期為0.65s,多遇地震下阻尼比取0.02。鋼結(jié)構(gòu)抗震等級為四級。

屋面荷載主要包括構(gòu)件自重、索盤節(jié)點和編織裝飾條的重量。此外,考慮本結(jié)構(gòu)體系中有部分空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)且基本自振周期大于0.25s,風(fēng)振效應(yīng)較為顯著,故風(fēng)振系數(shù)βz取2.0,且按照豎直于索網(wǎng)面的最不利風(fēng)向考慮。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[3]規(guī)定:不上人屋面活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載可不同時考慮。經(jīng)計算,鏤空屋面的活荷載和雪荷載效應(yīng)均小于風(fēng)荷載。

3.2 靜力分析

典型靜力工況下結(jié)構(gòu)基底反力如表1所示。從構(gòu)件受力情況來看,豎向靜力荷載下GH1為受拉環(huán),GH3為受壓環(huán),GH2和GH4主要受壓,僅局部桿段受拉。結(jié)構(gòu)恒載下豎向變形如圖6所示。恒載下最大變形為104mm(圖6),本項目索網(wǎng)最大跨度為20m,考慮到索網(wǎng)屋面為不上人屋面,因此在不影響建筑凈高的情況下可適當(dāng)放松對索網(wǎng)的豎向變形要求。

表1 靜力工況下結(jié)構(gòu)基底反力

圖6 SW+SD下結(jié)構(gòu)豎向變形云圖/mm

3.3 抗震計算

3.3.1 周期與振型

結(jié)構(gòu)模態(tài)分析數(shù)取前180階,累計結(jié)構(gòu)質(zhì)量參與系數(shù)為:X向98.8%,Y向99.0%,Z向90.5%,滿足規(guī)范質(zhì)量參與系數(shù)大于90%的要求。結(jié)構(gòu)前三階周期如表2所示,X、Y、Z三個方向主振形分別為149、163和180階,此三階對應(yīng)的模態(tài)如圖7所示,為索網(wǎng)的局部振動。值得注意的是,本項目索網(wǎng)是自成形的,因此計算模態(tài)時,需繼承在恒載下的結(jié)構(gòu)剛度。

表2 前三階及主振型對應(yīng)階數(shù)的自振周期

圖7 結(jié)構(gòu)主振型

3.3.2 時程分析

采用傳統(tǒng)的彈性反應(yīng)譜分析計算地震作用,無法考慮構(gòu)件的幾何非線性和拉索“只拉不壓”的特性,為了考慮索網(wǎng)的幾何非線性,本項目采用非線性時程分析進(jìn)行地震補充計算。選取上海市地震波中的3組時程波,其中包括2組天然波和1組人工波,分析得到的基底反力見表3。

表3 非線性時程分析的地震基底反力/kN

時程分析得到的基底反力平均值比反應(yīng)譜計算結(jié)果大了約50%,由此可見,對于幾何非線性明顯的索網(wǎng)結(jié)構(gòu),采用反應(yīng)譜分析可能是不安全的。本項目以時程包絡(luò)值對反應(yīng)譜計算內(nèi)力進(jìn)行放大調(diào)整,進(jìn)行相應(yīng)荷載組合后,作為構(gòu)件設(shè)計內(nèi)力。由于主體結(jié)構(gòu)自重輕,地震作用較小,基本不起控制作用。

3.4 主體鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

主體鋼結(jié)構(gòu)由主V柱和四個空間不規(guī)則橢圓鋼環(huán)構(gòu)成,鋼構(gòu)件之間的約束關(guān)系比較復(fù)雜,難以按照現(xiàn)有的規(guī)范確定構(gòu)件的計算長度。分別從構(gòu)件層次與整體結(jié)構(gòu)層次進(jìn)行了穩(wěn)定分析。

3.4.1 受壓構(gòu)件計算長度分析

橢圓鋼環(huán)和分叉柱的計算長度無法按規(guī)范確定,需通過屈曲分析求出構(gòu)件的臨界屈曲軸壓力Ncr,然后利用歐拉公式反算受壓構(gòu)件計算長度[4],結(jié)果如表4所示,其中GH4的側(cè)向約束較少,計算長度系數(shù)達(dá)到了2.2。

表4 反算構(gòu)件的計算長度

(1)

3.4.2 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定分析

考慮了幾何非線性和材料非線性,對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行豎向極限承載力分析,以評估結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。本項目為鏤空屋面,活荷載很小,豎向加載基準(zhǔn)荷載取1.0恒載+0.5壓風(fēng)荷載,然后分別以基準(zhǔn)荷載的整數(shù)倍進(jìn)行加載,直至結(jié)構(gòu)失效,得到相應(yīng)的豎向極限荷載。分別計算了不帶索網(wǎng)和帶索網(wǎng)情況主體結(jié)構(gòu)的極限承載力,不帶索網(wǎng)情況下,主體結(jié)構(gòu)的極限荷載為3 137kN,對應(yīng)非線性屈曲因子為2.66,帶索網(wǎng)情況下,對應(yīng)非線性屈曲因子為3.87,均大于2.0,滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7—2010)[5]相關(guān)要求。分析表明,在帶索網(wǎng)的情況下,拉索對鋼環(huán)梁側(cè)向有一定的拉結(jié)作用,對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有利。此時,極限狀態(tài)為環(huán)梁間的V撐受壓失穩(wěn)破壞,如圖8所示。不帶索網(wǎng)時,則為鋼環(huán)梁側(cè)向失穩(wěn)破壞。

圖8 豎向極限荷載下主體鋼結(jié)構(gòu)變形云圖/mm

4 人行橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

人行橋 “懸浮于”索網(wǎng)面上方,中部受限于下方展廳無法設(shè)置鋼柱,因此存在一段10m長的懸挑段,同時建筑師希望人行橋梯段梁高度控制在300mm以內(nèi)?？紤]到懸挑段受力特點,可將該段的扶手鋼板加厚到12mm兼做受力鋼板,大幅度提高了懸挑段的抗彎剛度。人行橋結(jié)構(gòu)布置如圖9所示,梯梁截面為300×150×15的矩形鋼管,V柱采用φ114×10圓鋼管,鋼材牌號為Q235B(后文將人行橋下鋼V柱簡稱為“梯V柱”)。

圖9 人行橋受力示意簡圖

圖10分別給出了考慮活荷載不利布置下有無懸挑鋼板時梯梁的彎矩對比。在不設(shè)懸挑鋼板時,直接采用雙向梯梁對挑10m結(jié)構(gòu)方案,梁端設(shè)計彎矩約455kN·m,端變形約460mm,約為跨度的1/43,遠(yuǎn)超規(guī)范限值1/250要求。增加懸挑鋼板后,梯梁以受壓為主,彎矩減小至26 kN·m,懸挑端變形約52mm, 設(shè)計時考慮了活荷載不利布置工況。最終計算標(biāo)準(zhǔn)組合下懸挑段豎向變形為52mm,約為跨度的1/400,滿足規(guī)范要求。分析表明,在梯梁高度不超過300mm的情況下,僅靠梯梁實現(xiàn)懸挑的方案是不可行的。

圖10 1.3恒載+1.5活載下人行橋梯梁彎矩分布示意

人行橋豎向傳力路徑為:橋面荷載通過橋面加勁肋傳至懸挑段的受力鋼板或非懸挑段的梯梁,再經(jīng)由梯柱傳至基礎(chǔ)。根據(jù)分析可知,懸挑鋼板在橋面豎向荷載作用下,頂部區(qū)域受拉,板底區(qū)域受壓。經(jīng)計算,豎向荷載下懸挑鋼板底部受壓區(qū)高度約為300mm,如圖11所示,考慮到鋼板拉應(yīng)力較大,將鋼板的鋼材等級提高至Q355B。為防止懸挑鋼板失穩(wěn),在懸挑支座處設(shè)置兩根懸臂柱來承擔(dān)支座處鋼板壓力,同時在懸挑鋼板底部離橋面300mm的高度處,設(shè)置縱向加勁肋,如圖12所示。

圖11 1.3恒載+1.5活載下懸挑鋼板沿橋面方向拉壓區(qū)分布(藍(lán)色為受拉,紅色為受壓)

圖12 典型橋身剖面圖

同時,為達(dá)到“細(xì)柱”設(shè)計,梯V柱采用兩端鉸接,只承受軸向力。人行橋水平力主要通過首尾兩端梯梁傳遞至基礎(chǔ)。為保證作用在扶手鋼板上的風(fēng)荷載的傳遞,橋身兩側(cè)扶手鋼板通長設(shè)置間距1m的橫向扶壁加勁肋,見圖12,與橋面底部加勁肋形成一個U形截面,增大了橋身的側(cè)向剛度。

在人行激勵下,橋面懸挑端的豎向加速度峰值為0.58m/s2,超過按《建筑樓蓋振動舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 441—2019)[6]中不封閉連廊規(guī)定的限值0.50m/s2。為解決懸挑端橋面人行舒適度問題,懸挑端橋面下方布置了2個0.25t的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD),安裝TMD后,懸挑端豎向加速度峰值降為0.25m/s2,如圖13所示,減振率達(dá)56%。

5 展廳結(jié)構(gòu)設(shè)計

竹藤館展廳是一個空間異形形態(tài)的拱殼結(jié)構(gòu),如圖1所示,其位于竹藤館主索網(wǎng)面的下方。展廳平面中心線總長度約34.1m。展廳一端拱高6.5m,另一端拱高約3.1m,中間由高到低按一定規(guī)律自由過渡,如圖14所示。

圖14 竹藤館展廳拱殼結(jié)構(gòu)效果圖

展廳結(jié)構(gòu)所采用的新材料是一種超高延性的混凝土(ultra-high ductile concrete, UHDC)[7-9],其抗拉強度可達(dá)4～5MPa,且抗拉伸應(yīng)變能力可達(dá)5%～12%,與鋼材的拉伸伸長率基本相當(dāng)。由于UHDC材料的優(yōu)越性,展廳由原方案的150mm普通混凝土殼變成75mmUHDC無筋殼,使殼身更加輕盈。此外,在施工工藝上,竹藤館展廳放棄了傳統(tǒng)的木制模板上澆筑混凝土的施工模式,采用單側(cè)3D打印模板作為底模,配合噴射混凝土工藝,實現(xiàn)了異形拱殼結(jié)構(gòu)的數(shù)字化精準(zhǔn)建造。展廳結(jié)構(gòu)設(shè)計部分另有專文介紹,本文不做過多贅述。

6 節(jié)點設(shè)計

竹藤館主體鋼結(jié)構(gòu)及人行橋V柱端部均采用銷軸節(jié)點,柱端采用鑄鋼鑄造而成,外觀線條更加圓滑自然,更加美觀。如圖15所示。此外,為了使主V柱與橢圓間的V撐不與編織面發(fā)生碰撞,設(shè)置了錐形管,將V柱和橢圓管的連接節(jié)點外移,如圖16所示。

圖15 典型柱腳節(jié)點圖

圖16 典型桿端銷軸外伸節(jié)點

本項目中雙層索網(wǎng)的連接節(jié)點以及索網(wǎng)相交節(jié)點較為復(fù)雜的。一是節(jié)點數(shù)量多,共計約9 200個,且索網(wǎng)相交的角度各異,二是索網(wǎng)節(jié)點空間位置保證了整個索網(wǎng)面的成形效果。斜交索網(wǎng)采用圓盤索夾節(jié)點進(jìn)行固定,可隨索網(wǎng)斜交的不同角度進(jìn)行靈活調(diào)節(jié);雙層索網(wǎng)對應(yīng)兩個索盤節(jié)點之間通過支撐桿焊接,使得雙層索網(wǎng)節(jié)點間的空間相對關(guān)系固定下來,保證了索網(wǎng)實際成形效果,見圖17。

圖17 典型雙層索網(wǎng)與編織竹鋼條連接節(jié)點

7 結(jié)論

(1)主體結(jié)構(gòu)采用雙層索網(wǎng)體系,實現(xiàn)了與建筑編織效果完美的融合。當(dāng)建筑造型特別復(fù)雜的建筑,結(jié)構(gòu)方案的選擇尤為重要,直接影響最終的建筑效果。

(2)人行橋采用扶手鋼板實現(xiàn)橋身大懸挑是可行的,同時大大減小了梯梁及梯柱的構(gòu)件尺寸。

(3)外露鋼結(jié)構(gòu)部分采用了諸多手段來實現(xiàn)美觀設(shè)計,如采用兩端鉸接柱減小V柱尺寸、鑄鋼節(jié)點實現(xiàn)連接區(qū)域的光滑過渡等。