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建築結構設計之新型滑動屋蓋
2020-06-15
引言
        我國綜合國力不斷增強,相應的基礎設施建設也趨於完善。伴隨著城市化建設步伐逐步推進,建築工程數量越來越多。人們越來越注重建築工程質量,對建築工程的要求越來越嚴格,因此,設計工作人員要結合實際情況,不斷優化建築結構設計,從而不斷提升整個建築工程質量。
        1建築結構設計創新的必要性
        在市場經濟體製影響之下,市場活躍程度的提升對於傳統設計理念產生了衝擊,為了進行更進一步創新設計工作,應該從提高建築技術水平,提升材料的利用率,使得建築效果得到進行一步提升。在設計過程中如果一味追求經濟效益,私自進行成本的降低的工作,就會在施工和後期的使用的過程中產生十分不利的影響,對於房屋的安全性、質量等都會造成嚴重的影響。因此,房屋設計的工作依然要從科學性、合理性的角度出發進行相應的工作。我國的人口基數大,在越來越快的發展過程中受到著人地資源緊張的局麵。對於建築結構設計上的優化的工作,可以盡可能的提升建築物的利用率,減少土地資源浪費,以滿足人們的使用方麵的居住需求。
        2建築結構設計創新與實踐
        2.1建築空間與結構布置相協調
        同濟大學嘉定校區體育館在結構設計與建築設計相融合,其構件層麵和節點設計在表達建築師理念上具有突出的亮點。該體育館采用單曲麵的建築造型,跨度為縱向76.5m,橫向60m,包括有看台的體育館和遊泳館。體育館采用張弦梁結構體係,完美貼合建築形象,創造了令人滿意的內部建築空間。遊泳館采用了可開合的張弦梁體係,在滿足建築功能的同時,開合屋蓋可以保證結構綠色環保,節省運營成本。在構件層麵,體育館引入導光管的設計,將自然光引入室內,節約能源,綠色環保。對張弦梁腹杆和導光管進行了一體化設計,將導光管放在撐杆內部,避免導光管占有建築空間,創造了滿天星的建築藝術表達。遊泳館的滑動屋蓋(圖1)采用了屋麵立麵一體化設計。將單層網格屋麵和立麵結構結合的設計可以將屋蓋的軌道設置於地麵,進而減少滑動屋蓋對整體結構的影響,滿足建築功能的需求。在節點層麵,遊泳館滑動屋蓋的張弦梁撐杆與上弦采用了圓滑過渡,造型簡潔美觀。對撐杆底部索夾節點采用了一體化設計,節點精細美觀。體育館張弦梁下部索夾節點進行了精細化設計,將拉索布置在撐杆兩側,避免了結構對導光管的影響。在施工張拉時,索夾節點可以允許拉索滑動,張拉施工完成後鎖緊,避免了施工張拉過程中在撐杆上端產生較大的彎矩。 2.2建築造型與結構體係相結合
        2.2.1複旦大學正大體育館
        複旦大學正大體育館位於複旦大學南區體育中心內,是複旦大學百年校慶主會場,也是複旦大學建校100周年的重點工程。體育館的主要設計理念為“海麵上冉冉升起的太陽”,意寓著日日向上的複旦精神。體育館采用鋼桁架-索-拱雜交體係。滑動屋蓋主體結構采用脊桁架+縱向桁架,次結構采用拉索和飛拱結構,屋蓋上空與水平麵呈76°斜置的鋼拱跨越整個結構,大拱跨度為100m,象征複旦大學百年曆史。建築造型要求上部斜拱盡可能纖細,結構設計時讓斜拱承擔屋蓋20%的豎向力,滑動屋蓋結構承擔80%的豎向力。結構構件需要通過合理的布置達到受力合理的要求,體現力與美的結合(圖2、圖3)。複旦大學正大體育館采用拱結構承擔部分屋麵荷載,拱截麵比較纖細,滿足建築造型的需要,屋蓋吊索形成琴弦式扇形布置,展現出力與形的輕柔之美。弧形桁架以及次鋼管拱作為膜的支架,上覆白色具有較高透光率的PTET膜材。白天,室外光線透過玻璃纖維膜進入室內,整個場館被一種柔和、均勻的光線包圍,通透而又舒適;夜晚,室內的燈光透過屋頂漫射在夜空中,遠遠望去像一個冉冉升起的太陽。 2.2.2長沙國際會展中心
        長沙國際會展中心位於城市南部綜合發展帶上,包括南北登錄廳、展館、連廊、室外展場四個部分,總建築麵積約445100m2。室內展覽麵積為177500m2,室外展覽麵積85000m2。相鄰兩個展廳組成屋蓋結構相連的整體,其平麵投影為207m×162m,開合屋麵結構最大跨度81m,屋蓋結構高度為18.9~32.1m。工程分兩期建設,一期包含北側登錄廳和四組八個展廳。
        (1)結構體係
        屋麵曲線垂跨比僅1/38,滑動屋蓋結構跨度81m滑動屋蓋結構體係選擇張弦梁結構,主梁貼合屋頂造型布置,彌補了下凹形態導致的剛度不足的缺點,又滿足通透的觀感要求,無需吊頂。張弦梁拉索垂跨比為1/9.5,與主梁弧度相協調,形成韻律的水波,結構受力與建築美學相平衡。
        (2)下凹形張弦梁平麵外穩定性
        下凹形的展廳屋蓋張弦梁結構易發生平麵外穩定性,采用以下措施防止其失穩:
        1)屋蓋結構整體抗彎剛度:垂直張弦梁方向的次梁密布且與張弦梁主梁剛接連接,保證了屋蓋結構具有足夠的整體抗彎剛度。
        2)撐杆上端節點的麵外抗彎剛度:撐杆突破性地采用H型鋼,與主梁采用雙板鉸節點連接,在張弦梁平麵內可轉動,麵外具有足夠的抗彎剛度,滿足下凹型張弦梁施工張拉和麵外穩定性需求。由於撐杆上端節點非常重要性,對其進行足尺試驗。
        3)附加穩定措施:以上三點已可保證下凹形張弦梁平麵外穩定性,設計中在較高的撐杆兩側設置隅撐,提高安全冗餘度。
        巨型且優雅的結構創造了通透簡潔的巨型空間,優雅有力而富有韻律感的結構線條彰顯建築的美與力量感。同組展廳僅以間距18m的魚腹梁相連,既延續了韻律水波的建築意象,又保持了建築整體的通透效果。外傾的立麵、巨大的挑簷、飛揚的簷角突出建築的蓬勃生機。山牆立麵柱主要抵抗風荷載,以均勻開設圓角矩形孔的H型鋼作為構件截麵,既強調了彎矩力流的傳遞特征,又提高了玻璃幕牆的通透感,加強了展廳的工業感和韻律感。張弦梁撐杆H型鋼截麵高度較大,截麵抗壓承載力富裕度較高,在H型鋼腹板上開圓角矩形孔,與山牆立麵柱相互呼應。
        2.3數字化新技術的引入
        滇池水上樂園為一個跨度200m的殼體結構,建築造型和結構體在方案階段受到的約束較少,設計比較自由。在本項目數字化新技術應用到了極致,結構在滿足建築造型和建築空間的前提下,進行了各種方案的比選

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