韩岭美术馆结构设计

俞 涵，匡仁铮

（宁波市房屋建筑设计研究院有限公司，浙江 宁波315100）

当代建筑艺术发展迅速，建筑造型及功能需求复杂化，因此结构与建筑融合显得尤为重要。随着BIM技术（韩岭美术馆采用Rhino软件正向设计）的快速发展，使工程师与建筑师可以在方案概念阶段开始动态交互创作，避免结构设计的“后合理化”［1］。工程师应根据建筑概念方案得到结构方案，再通过结构试算，优化结构布置，提升结构性能等方式，在复杂的建筑形体里摸索支撑结构自身以及抵抗外力有效的竖向及抗侧力体系。在满足结构自身安全、经济的前提下，尽可能地实现建筑效果。

1 工程概况

韩岭美术馆位于宁波东钱湖南侧，由日本隈研吾建筑都市设计事务所承担方案设计。美术馆平面投影尺寸约59 m×33 m，建筑高度约18 m，建筑外表面通过退台叠层双坡三角屋面处理，整体呈山形，达到建筑藏于山景的意境。美术馆由175组坡屋面及205块大玻璃幕墙组合而成，南北出入口贯通整体建筑，两端各由两榀跨度32 m的双坡大跨屋檐构成，其复杂的线性造型由Rhino软件生成。项目正处于钢结构安装阶段，建成后将成为宁波市东钱湖区域地标性建筑，项目效果图见图1。

图1 韩岭美术馆效果图

本地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10 g，设计地震分组第一组，场地类别Ⅱ类，多遇地震特征周期Tg为0.35 s，罕遇地震Tg为0.40 s。规范基本风压值为0.5 kN/m2（50年一遇），地面粗糙度为A类，与《韩岭美术馆项目建筑风洞测压试验报告》结果进行对比，风荷载采取包络设计。项目主体结构设计使用年限为50年，属抗震重点设防类建筑。

2 结构体系

本项目脱离了传统建筑楼层、立面等概念，方案公司在项目前期仅提供了建筑Rhino模型，为使结构布置与建筑表皮完美结合，达到建筑要求的立面与空间效果，同时为建筑提供一种高效的结构受力体系，通过BIM软件正向设计，提出三类结构体系，分别为悬挑梁+轻型钢+混凝土核心筒结构体系、格栅结构+轻型钢结构+混凝土核心筒结构体系及空间钢结构构架+混凝土核心筒结构体系（限于篇幅不再展开论述）。

通过各结构方案试算比选，配合方案公司多轮方案优化，最终选择空间钢结构构架+混凝土核心筒结构体系。利用竖向交通核建立两个混凝土核心筒，用来承受水平力作用，内部钢柱与落地外壳斜向网格作为竖向支撑构件，以双坡三角屋架杆件为水平支撑系统，综合构成完整的空间钢结构构架+混凝土核心筒结构体系［2］。其主要优点是结合外立面的退台叠层双坡三角屋架，斜交网格［3］代替传统框架梁柱结构，斜杆内力以轴力方式传递，能有效克服二阶弯矩产生，结构侧向刚度大，双坡三角屋架传力方式直接。斜交网格藏于瓦片及铝板吊顶间隙中，使建筑内部空间布置更加自由灵活，解决建筑外立面不希望存在竖向及水平构件的难题。同时，以双坡三角屋架为标准结构子单元，其受力清晰、结构稳定。通过标准子结构有规律叠加，形成可靠、安全的结构体系。见图2。

图2 韩岭美术馆分层结构模型

南北出入口处32 m双坡大跨屋檐采用立体桁架并设置垂直悬挑桁架控制变形。坡屋面及楼面主梁与钢筋混凝土核心筒采用刚性连接，核心筒四角及立柱处预埋钢骨，提高核心筒的承载力，同时保证钢构件与核心筒连接的可靠性。楼、屋面板采用在钢梁上铺压钢筋桁架楼承板，解决退台叠层双坡三角屋面无法支模的难题。楼层钢梁采用H型截面，屋架斜杆、梁柱截面均采用箱形截面。

3 结构特点

韩岭美术馆建筑有别于传统建筑的立面、楼层等概念，建筑立面通过双坡三角屋架退台叠层而成，结构体系较为特殊，建筑外周竖向及水平抗侧构件均由斜杆交互而成。建筑剖面见图3。结构整体模型见图4。

图3 建筑剖面图（单位：m）

图4 结构整体模型（去楼、屋面板）

3.1 退台叠层双坡三角屋架研究

通过对叠层双坡三角屋架，依次以图5中①②③④四种布置方式进行推演分析，得到杆件拉压分布规律，并采用Midas Gen软件进行计算验证得知，双坡三角屋架按下图规律叠加，子双坡三角屋架杆件拉压分布固定，杆件内力从上向下增大。

图5 叠层双坡三角屋架杆件受力规律研究

选取美术馆西侧局部结构（图4所示退台叠层屋架）进行分析，得到结构在1.2D+1.4L荷载作用下屋架的变形及应力见图6。可知，结构变形可控，变形从下往上增大。杆件应力较小，空间结构构件应力协调作用效果明显。叠层双坡三角屋架杆件拉压分布明确，杆件内力从上向下增大，叠层结构受力稳定。

图6 美术馆西侧局部结构布置及受力分析

3.2 南北贯通出入口双坡大屋檐结构研究

南北贯通出入口处各设计一榀32 m跨的双坡三角立体桁架，由于立体桁架跨度较大，为避免在竖向荷载作用下产生较大的变形，在轴处设置垂直悬挑桁架。悬挑桁架底面结合建筑底部铝板造型，设计成类似鱼腹式造型。通过设置垂直悬挑桁架，将立体桁架的竖向、水平荷载传递至内部的钢柱和核心筒处，控制了立体桁架的变形，提高了立体桁架的承载力，增加了结构的冗余度。立体桁架结构布置、变形及应力见图7。立体桁架的竖向最大变形量为20.8 mm，挠度约为1/1500，远小于《空间网格结构技术规程（JGJ 7—2010）》［4］规定的在恒活荷载标准组合下的容许挠度值1/250的要求。

图7 南北入口双坡大屋檐结构布置及受力分析

4 结构计算分析

对该类复杂结构，采用Gen、ETABS等多软件计算复核。经计算各软件计算数据基本一致，以下为Midas Gen的主要计算数据。梁柱及斜杆采用线性杆单元，型钢组合楼板采用膜单元进行竖向荷载的导算，幕墙采用蒙皮单元来完成对空间结构风荷载的输入。结构阻尼比取0.04，地震作用采用振型分解反应谱法。见表1。

表1 结构自振周期、振型特征

由表1可知，本结构动力特性较好，结构前2模态分别为X向及Y向的平动，扭转主振型出现在第三模态，扭转周期比为0.56。

由表2可知，双核心筒及斜交网格体系有效地提供了侧向刚度，结构侧向刚度较大。但本项目抗侧体系不同于传统建筑结构，层的概念模糊，属空间结构，层间位移角、扭转位移比及刚度指标等存在失真可能，无法可靠地表现结构受力和变形特征。因此，对结构单榀框架及标准子结构（双坡三角屋架）的分析极为重要。

表2 结构层间位移角、位移比最大值及底部剪力

5 罕遇地震作用下结构弹塑性分析

罕遇地震作用采用Sausage软件进行弹塑性时程分析。本地区地震加速度最大值为220 cm/s2，主方向、次方向及竖向按1∶0.85∶0.65的比例输入三向组合地震波，阻尼比取0.05。

经计算，由图8可知，梁柱均无损坏；核心筒大部分仅出现轻度损坏，局部出现中度损坏；混凝土楼板在平面角部及开洞角部位置出现轻度破坏。

图8 罕遇地震作用下结构构件性能

X向最大层间位移角为1/335，Y向最大层间位移角为1/303，远小于《建筑抗震设计规范（GB 50011—2010）》规定的罕遇地震作用下结构弹塑性位移角的限值。

6 美术馆典型单榀框架受力分析

选取①轴、⑤轴、⑧轴三榀框架，包含典型斜交网格及转换桁架，作为主体受力体系的单榀框架进行受力分析，研究单榀框架在1.2D+1.4L荷载工况下的变形、轴力情况。由于梁及斜杆受到轴力作用会考虑楼板作用，过大的拉力会使楼板开裂甚至破坏，因此分别计算屋面板为弹性膜及不考虑屋面板作用的两种情况。发现在恒活荷载作用下，考虑楼板作用的杆件轴力明显小于不考虑楼板作用的情况。图9为考虑楼板作用的结构计算结果。

由图9可知，选取的各单榀框架受力变形符合设计预期，斜交网格及竖向柱轴力从上往下逐渐增大，符合构件传力的变化规律。

图9 ①轴、⑤轴、⑧轴单榀结构布置及受力分析

斜交网格与柱采用刚性连接，斜杆传力复杂，轴力的水平分量对竖直柱产生水平向推力或拉力，对楼层处梁板产生较大的水平力。同时，受拉斜杆对其相连坡屋面板产生较大的平面内拉力，使坡屋面板在平面内产生较大变形，需对楼层处楼板及坡屋面板进行详细分析，加强构造措施，提高其承载力，避免随楼板刚度退化，斜杆内力进一步增大。

7 典型节点有限元分析

本项目钢柱上普遍连接多根水平和斜向杆件，节点应力复杂，为验证节点构造的合理性，了解传力机理以及破坏模式，选取图4所示复杂节点进行分析。采用大型有限元软件ABAQUS，选取罕遇地震工况下的杆件内力进行有限元分析。由图10可知，节点构造合理，具有较大的承载力余量。钢节点主要采用相贯焊接的形式，对于由5根及以上杆件相交的节点采用铸钢节点。铸钢节点根据构件的空间关系和截面确定主通杆件与加劲肋的设置方式，采用渐变壁厚的方式满足受力过渡的要求。

图10 钢节点有限元分析

8 风洞试验研究

8.1 风洞试验的必要性

宁波地区夏秋季节台风高发，且本建筑临湖建造，双坡三角屋面为兜风结构，风荷载对建筑影响极大。直接使用规范的数值计算风荷载作用，在本项目上受到局限，需通过风洞模拟试验，并结合本地的气象资料进行围护结构设计。

本建筑屋面装饰材料选用传统的小青瓦，根据当地经验，屋檐处未采取连接措施的小青瓦极易被台风的负风压掀翻。需通过风洞试验得出屋檐处的负风压，为小青瓦的安装措施提供理论支持。

8.2 风洞试验概况

试验模型采用ABS制作，几何缩尺比为1/50，在风洞中阻塞率小于2%，满足风洞实验要求，为了捕捉最不利位置风压，檐口及屋脊位置测点较密，测点离边缘最近距离为5 mm，同时在明显存在屋面形式变化的位置布置测试点，整个建筑共布置36个测点。

8.3 风洞试验结果

经风洞试验，建筑表面极值风压的变化范围为-3.01～1.42 kN/m2，极值负压较大；最大极值负压出现在建筑顶部角点位置。

图11中用圆圈标注的位置，同时具有挑檐和屋脊的特点，体型系数绝对值较高。其他位置的体型系数呈现随高度增加而增加的现象，其中最高屋脊位置端部的体型系数最大为2.0。限于篇幅仅以南侧坡屋面体型系数为例。

图11 南侧坡屋面体型系数

图12给出了以当地来流为参考的风压系数均方根值在36个风向角下的极值包络。均方根风压系数极大值出现在东侧及南侧的上部挑檐部分，最大达到0.66，与文献［5］给出的双坡屋面边缘最大压力系数接近。

图12 南侧坡屋面均方根压力系数

9 结 语

当代建筑在造型及内部功能上持续创新，对工程师提出了更高的要求。基于韩岭美术馆结构设计探讨，提取以下几点供相关设计参考：

1）采用斜交网格代替传统梁柱框架结构，具有侧向刚度大，内力以轴力方式传递，有效克服二阶弯矩产生等优点。同时，契合建筑立面效果，使建筑内部空间布置更加自由灵活。

2）通过对退台叠层双坡三角屋架的研究，得到该体系传力清晰，叠层结构受力稳定，整体协调性好，是一种稳定的空间结构体系。

3）结构在多遇地震作用下处于弹性工作阶段。罕遇地震作用下最大层间位移角为1/303，核心筒大部分出现轻度损坏，局部出现中度损坏；梁柱均无损坏；混凝土楼板在平面角部及开洞角部位置出现轻度破坏。结构体系传力清晰可靠，整体稳定，节点构造合理。

4）风洞试验研究结果表明建筑几何外形对风场的影响程度与其几何尺度正相关，韩岭美术馆在影响大尺度风场的多坡屋面屋脊位置与双坡屋面在风荷载取值上具有较好的相似性，而屋盖其他区域的风荷载可对比性不强。