瑪絲菲爾時尚集團總部結(jié)構(gòu)設(shè)計

鄭漫茹, 陶禮龍, 張浩遠, 鄒恩葵

(廣東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院有限責任公司，廣州 510290)

1 工程概況

瑪絲菲爾時尚集團總部位于深圳市龍華區(qū)龍華街道大浪工業(yè)園區(qū)內(nèi),建筑效果圖見圖1。整個建筑工程采用現(xiàn)代仿生設(shè)計理念,將羽毛、葉片、花苞等多元化的設(shè)計元素融入建筑形態(tài)中,俯瞰組合平面猶如一只展翅的大鵬;建成后獨具一格的空間形態(tài)風格成為深圳大浪時尚創(chuàng)意城的焦點,引領(lǐng)片區(qū)形象的提升,同時也在第十四屆威尼斯國際建筑雙年展展覽上獲得很大關(guān)注。

圖1 建筑效果圖

本項目包括1#、2#生產(chǎn)研發(fā)樓和1棟公共交通塔,主要功能為生產(chǎn)研發(fā)及相關(guān)配套用房,用地面積14 941.25m2,建筑面積40 233m2。1#、2#生產(chǎn)研發(fā)樓建筑高度23.4m,地上6層,首層和2層層高均為4.0m,3～6層層高均為3.8m,地下1層層高為4.2m,底板標高為-9.0m。公共交通塔建筑高度為30.3m,地上6層,地下1層。1#、2#生產(chǎn)研發(fā)樓為滿足建筑平面功能與立面造型,以中間的公共交通塔為軸呈現(xiàn)對稱布局,由下至上逐層退臺,使得葉片形態(tài)元素可以包裹整個建筑外圍。

本工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限50年,建筑結(jié)構(gòu)安全等級二級,抗震設(shè)防烈度7度,設(shè)計基本地震加速度值0.10g,設(shè)計地震分組第一組[1],場地類別Ⅱ類,抗震設(shè)防類別標準設(shè)防類。采用50年重現(xiàn)期基本風壓0.75kPa,地面粗糙度類別B類[2]。

2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 1#、2#生產(chǎn)研發(fā)樓

生產(chǎn)研發(fā)樓主體在設(shè)計過程中存在以下2個關(guān)鍵點:1)建筑外形層層退臺,呈下大上小的形狀,需契合建筑外輪廓進行結(jié)構(gòu)布置,且平面形式呈現(xiàn)樹葉狀,結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)較大的扭轉(zhuǎn)效應;2)由于建筑凈高以及室內(nèi)美觀的要求,無法設(shè)置明梁。

結(jié)構(gòu)整體計算模型見圖2,結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖3。以概念設(shè)計為前提,進行結(jié)構(gòu)方案試算,確定生產(chǎn)研發(fā)樓主體采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。針對以上關(guān)鍵點,結(jié)合計算分析結(jié)果提出以下關(guān)鍵問題及應對措施:1)結(jié)合層層退臺的內(nèi)傾斜立面造型,避免建筑周邊出現(xiàn)豎向構(gòu)件不連續(xù)而導致寬扁梁上托柱的不合理受力情況,將每棟生產(chǎn)研發(fā)樓兩側(cè)周邊共52根框架柱設(shè)計為傾斜角度不同的的斜柱[3],每個葉片以兩根斜柱作為支撐點,形成結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個特色亮點,保證結(jié)構(gòu)體系的合理性。2)結(jié)構(gòu)平面形式為樹葉狀,在樓、電梯間及結(jié)構(gòu)端部沿結(jié)構(gòu)兩個主軸方向均勻加設(shè)剪力墻,形成多道抗震防線的同時也提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。3)3～6層層高均為3.8m,采用常規(guī)的樓蓋體系無法實現(xiàn)建筑使用凈高的要求,故該部分樓板采用新型高強復合薄壁(GBF)管空心樓蓋和寬扁梁的結(jié)構(gòu)形式;板厚設(shè)置為350mm,框架間寬扁梁截面尺寸為1 000×350,最外圍布置截面尺寸為400×600的框架梁,形成周邊框架,既可減輕樓板自重、減小地震作用,又可最大限度地滿足使用凈高要求。

圖2 結(jié)構(gòu)整體計算模型

圖3 結(jié)構(gòu)平面布置圖

設(shè)計時分別采用PKPM和SAP2000軟件進行整體計算分析,每層斜柱及葉片均按照實際情況建模參與整體抗震計算,結(jié)構(gòu)嵌固端為地下室頂板,空心樓板按照重量等效的折實厚度考慮自重并采用剛性樓板假定。周期對比結(jié)果見表1,主要計算結(jié)果見表2。由表1可知,第一、第二振型均為平動振型,第三振型均為扭轉(zhuǎn)振型,兩個計算模型基本吻合一致,證明結(jié)構(gòu)具有合適的抗扭剛度;由表2可知,兩種軟件計算的動力特性結(jié)果接近且滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

表1 周期對比結(jié)果/s

表2 主要計算結(jié)果

2.2 公共交通塔

公共交通塔建筑內(nèi)部空間功能主要作為兩棟生產(chǎn)研發(fā)樓的豎向交通,內(nèi)部設(shè)置連廊。為契合建筑外形和風格的要求,公共交通塔采用鋼筋混凝土殼筒結(jié)構(gòu)體系,筒壁厚度為300mm(局部厚度為700mm),塔樓內(nèi)部按照建筑造型的要求,連廊采用梁板形式進行布置,樓板為單向板,兩側(cè)的梁按拱形設(shè)計(兩端截面高,中間截面低)。公共交通塔結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖4,剖面圖見圖5。設(shè)計時采用PKPM程序進行整體計算,并采用SAP2000進行補充計算分析,通過殼單元準確模擬空間弧形變截面墻柱構(gòu)件的實際受力情況,保證結(jié)構(gòu)的整體變形和實際受力特點,確保主要受力構(gòu)件有足夠的安全富余度。

圖4 公共交通塔結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖5 公共交通塔剖面圖

根據(jù)SAP2000程序計算結(jié)果得知,公共交通塔第一、第二振型為平動振型,第三振型為扭轉(zhuǎn)振型,扭轉(zhuǎn)周期比0.105/0.29=0.36<0.85, 按照彈性方法計算的最大層間位移角為1/3 107<1/1 000,均滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[4]規(guī)定的限值要求。以首層墻的應力分析結(jié)果為例,首層墻的混凝土強度等級為C35,包絡(luò)應力最大為1MPa左右,混凝土受壓強度設(shè)計值16.7MPa,有較大安全富余度,混凝土抗拉強度設(shè)計值1.57MPa,結(jié)果表明首層墻受到的應力較小,可按《鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》(JGJ 22—2012)[5]規(guī)定的要求進行構(gòu)造配筋。樓板也可根據(jù)應力分析結(jié)果進行包絡(luò)配筋。

3 關(guān)鍵部位設(shè)計

本項目由于建筑凈高限制和建筑外立面造型為空間多曲面,結(jié)構(gòu)構(gòu)件可通過合理布置達到合理的受力要求,體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)和造型的完美結(jié)合。

3.1 薄壁管空心樓蓋

生產(chǎn)研發(fā)樓主體3～6層層高均為3.8m,柱跨為8m,為滿足甲方要求的凈高3.4m要求,該部分樓層的樓板采用新型GBF管空心樓蓋[6],GBF管空心板大樣見圖6,設(shè)計原則按照《現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 268—2012)[7]有關(guān)規(guī)定進行,標準柱跨結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖7。空心管板厚350mm,管徑250mm,上下翼緣厚度均為50mm,肋寬為50mm,空心率46.75%。為準確模擬樓蓋的實際受力狀態(tài),采用ETABS軟件對空心管樓蓋進行豎向荷載作用下的殼單元有限元計算。根據(jù)樓板應力分析結(jié)果可判斷出,出現(xiàn)一些拉應力集中的樓板,位于結(jié)構(gòu)端部和邊緣區(qū)域,設(shè)計時對該部位采取雙向拉通配筋的加強措施。

圖6 GBF管空心板大樣

圖7 標準柱跨結(jié)構(gòu)平面布置圖

3.2 主體結(jié)構(gòu)圍護構(gòu)件

生產(chǎn)研發(fā)樓外立面由對稱布置的14種雙曲面葉片作為圍護構(gòu)件。綜合考慮建筑設(shè)計師想通過鋼筋混凝土體現(xiàn)建筑的厚重感、仿生的設(shè)計理念,以及工程造價、施工難度和工程進度控制等因素,外立面葉片選擇能很好體現(xiàn)建筑造型的鋼筋混凝土薄殼體系。葉片三維圖見圖8,局部葉片平面示意圖見圖9。

圖8 葉片三維圖

圖9 局部葉片平面示意圖

位于生產(chǎn)研發(fā)樓端部的14#葉片,為一個曲面的鋼筋混凝土柱從首層往高處延伸,葉片在標高3.200m及以上部分均支承在相應樓層的主體框架上;1#～13#葉片兩邊側(cè)壁在標高3.200m處以兩根斜柱作為支撐點,其余層均支承在相應樓層的主體框架上。以14#葉片為例,根據(jù)有限元應力分析結(jié)果,葉片[8]的板厚及配筋見表3,剖面圖1見圖10,剖面圖2見圖11。

表3 14#葉片板厚及配筋

圖10 14#葉片剖面圖1

圖11 14#葉片剖面圖2

葉子均為拋物線狀幾何圖形,如何通過精確定位異形曲面以達到便于施工的效果,是結(jié)構(gòu)施工圖繪制過程中需要重點考慮的問題。設(shè)計過程中基于SolidWorks[9]軟件進行異形曲面建模,實現(xiàn)曲面點坐標輸出,從而提高了施工圖繪制的精確度和效率;通過截面切割法從SolidWorks中提取曲線網(wǎng)格參數(shù),并采用坐標標注法結(jié)合網(wǎng)格節(jié)點標高表達出每一個截面的完整參數(shù),使每一個構(gòu)件參數(shù)準確無誤地提供給施工單位。

3.3 超長結(jié)構(gòu)設(shè)計

本項目兩棟生產(chǎn)研發(fā)樓平面長度約200m,屬于超長混凝土結(jié)構(gòu)[10],因使用功能和外觀上的特殊要求,生產(chǎn)研發(fā)樓與公共交通塔之間均不設(shè)置變形縫?？紤]施工、混凝土收縮、徐變等各種因素的影響,有針對性選用超長結(jié)構(gòu)不設(shè)縫的連接方案和技術(shù)措施:1)在生產(chǎn)研發(fā)樓和公共交通塔的連廊處,靠公共交通塔的一端采取滑動橡膠減震支座技術(shù),將1#、2#生產(chǎn)研發(fā)樓與公共交通塔分割為三個獨立主體。在有限元模型中,采取釋放自由度的方法來模擬滑動支座,通過地震作用計算分析,得到生產(chǎn)研發(fā)樓和公共交通塔間最大相對位移(X向、Y向和豎向變形差),進行連接支座的設(shè)計,并驗算在相同條件下溫度荷載作用時產(chǎn)生的內(nèi)力及變形,保證超長混凝土結(jié)構(gòu)滿足抗震性能和變形的要求。2)生產(chǎn)研發(fā)樓每隔33 m左右設(shè)置一道施工后澆帶。3)生產(chǎn)研發(fā)樓端部采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板,板厚不小于110mm,雙層雙向配筋,并保證雙向最小配筋率不小于0.35%。

3.4 屋頂波浪形大葉片構(gòu)架

生產(chǎn)研發(fā)樓屋頂為波浪形大葉片造型構(gòu)架,由橫向和縱向拱架、橫向拱架頂部的通長縱向梁和波浪狀屋面板三部分組成,結(jié)構(gòu)與建筑造型完美結(jié)合,形成了一個半開敞的天臺休閑空間;拱架為400mm或600mm厚的墻體,以屋面層的框架作為可靠基座。屋架三維圖見圖12,屋架平面圖見圖13,拱架剖面圖見圖14。

圖12 屋架三維圖

圖13 屋架平面圖

圖14 拱架剖面圖

圖15 屋面板第一主應力三維圖/MPa

圖16 屋面板第三主應力三維圖/MPa

圖17 屋面板豎向位移三維圖/mm

4 結(jié)語

(1)建筑造型的不斷創(chuàng)新,新穎的結(jié)構(gòu)體系也不斷被運用于結(jié)構(gòu)設(shè)計中,本工程由于建筑獨特造型的要求,為了合理確定結(jié)構(gòu)體系方案,采用PKPM、SAP2000、MIDAS、ETABS等多種結(jié)構(gòu)分析軟件,準確模擬空間多曲面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實際受力情況,提出了生產(chǎn)研發(fā)樓采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、公共交通塔采用鋼筋混凝土殼筒結(jié)構(gòu)、外立面葉片采用鋼筋混凝土薄殼體系。

(2)建筑外立面造型采用空間多曲面,結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中采用多項新技術(shù),挑戰(zhàn)了鋼筋混凝土構(gòu)件實現(xiàn)建筑的異形形態(tài)的難題。

(3)通過SolidWorks數(shù)字化建模手段,結(jié)合傳統(tǒng)建筑設(shè)計軟件完成復雜建筑造型的施工圖繪制,將每個曲面構(gòu)件精準呈現(xiàn)出來,并制作實體樣本進行對比,以便于完美實現(xiàn)建筑形態(tài)。

(4)通過采取設(shè)置施工后澆帶、加大板厚、雙層雙向配筋等手段,來減少超長混凝土結(jié)構(gòu)溫度應力的影響。