遵义市大剧院结构设计

王 玲

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司， 上海 200092)

1 工程概况

遵义市大剧院位于贵州省遵义市新蒲新区，南临兴遵大道，东临长征大道。项目用地总面积8.3万m2，总建筑面积4.5万m2，其中地上部分总建筑面积约2.8万m2，地下部分总建筑面积约1.7万m2。建筑效果图见图1，建筑屋面及功能分区图见图2。

图1 建筑效果图

图2 建筑屋面及功能分区图

本项目由歌剧厅、音乐厅和戏剧厅组成，其中歌剧厅1 575座，音乐厅764座，戏剧厅488座(活动座席)。三个厅在地上分为2个独立结构单元，其中音乐厅和戏剧厅在地上不设防震缝，共同组成1个独立单元，与歌剧厅单元之间设置一道防震缝分开。歌剧厅单元地上共5层，结构高度33.5m；音乐厅和戏剧厅单元结构高度18m，其中音乐厅地上共3层，戏剧厅地上1层。各单元顶部功能屋面上方均设有大型钢结构造型穹顶屋盖，戏剧厅剖面见图3，歌剧厅、音乐厅剖面见图4。歌剧厅与戏剧厅共用一层地下室(不设防震缝)，地下室埋深5.5～6.5m，歌剧厅局部台仓范围为2层地下室，最大埋深约14m。地下室主要功能为地下车库和舞台配套功能用房。

图3 戏剧厅剖面图

图4 歌剧厅、音乐厅剖面图

2 结构选型与布置

本项目主体钢筋混凝土结构采用框架结构体系，局部楼层大跨区域采用钢梁组合楼板，舞台及观众厅屋面采用钢桁架组合楼板体系，顶部造型穹顶屋盖采用钢结构单层网格结构体系，支承于主体钢筋混凝土结构功能屋面上。

2.1 抗侧力体系

由于本项目的内部舞台及观众厅区域多为大空间，内部楼层存在多处大开洞等楼面削弱情况[1-2]。综合考虑到建筑功能、结构高度和跨度、抗震设防烈度及结构效率等因素，本项目歌剧厅、音乐厅及戏剧厅的抗侧力体系均采用框架结构体系。因篇幅限制，本文主要以歌剧厅为例，对其结构体系进行介绍。

歌剧厅2～4层楼面普遍存在楼板大开洞现象(图5～7)，开洞面积占比大于本层面积的30%，属于楼板局部不连续的平面不规则结构，且在主舞台上方布置有钢桁架大跨屋盖结构，故从设计上考虑，主舞台屋盖周边的支承框架柱采用钢骨混凝土柱(简称SRC柱)，用以保证与屋面钢桁架的可靠连接。考虑主舞台区域屋面与5层楼板面标高相差5.9m，将屋面钢桁架与SRC柱设计为刚接连接。屋面钢桁架既作为竖向的承重体系，又与支承框架柱组成抗侧力体系，以增强整个结构的抗侧刚度。

图5 歌剧厅2层结构平面布置

图6 歌剧厅3层结构平面布置

图7 歌剧厅4层结构平面布置

音乐厅平面呈马鞍形，结合建筑平面布置特点，在建筑周边、功能区周边布置框架。建筑周边框架柱为直径800，900mm的钢筋混凝土圆柱，框架梁为截面尺寸400×800，400×900的钢筋混凝土矩形梁；功能区周边框架柱为截面尺寸600×600的钢筋混凝土方柱，框架梁为截面尺寸400×800的钢筋混凝土矩形梁。

图8 歌剧厅屋面层结构平面布置

戏剧厅平面呈圆形，内部楼板大开洞。结合建筑功能以及平面布置特点，在建筑周边布置直径900mm的钢筋混凝土斜柱；在功能区周边布置直径900mm的钢筋混凝土圆柱以及截面为900×900的钢筋混凝土方柱。建筑周边框架梁为截面尺寸400×900的钢筋混凝土矩形梁，功能区周边框架梁为截面尺寸400×700的钢筋混凝土矩形梁。

2.2 钢结构屋盖及幕墙主骨架体系

本项目的屋面立面界限分明，屋面采用金属材质，立面为穿孔铝板幕墙，营造了轻盈通透的建筑观感。根据建筑屋顶形态，结合下部结构可以提供的支承条件，并综合考虑各结构体系的适用性，本项目钢结构屋盖(简称钢屋盖)均采用单层网格结构体系。三个厅钢屋盖的结构参数见表1，三个厅的顶部造型钢结构三维模型见图9。三个钢屋盖立面均不直接落地，而是通过支撑立于或悬挂在主体钢筋混凝土柱上。除钢立柱及钢支撑截面为圆钢管外，其余主次梁及环梁截面均为焊接矩形钢管。

图9 顶部造型钢结构三维模型

钢屋盖结构参数 表1

3 上部结构设计要点

本工程设计使用年限50年，根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[3]，遵义市抗震设防烈度小于6度(0.05g)。根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)[4]，遵义市抗震设防烈度为6度(0.05g)。考虑到本项目结构不规则，项目规模和社会影响力较大，且投入使用后人员密集，根据《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50233—2008)[5]，工程抗震设防重要性类别为重点设防类(乙类)。考虑到本项目的重要性和结构复杂性，结构的地震作用计算按6度考虑，抗震措施提高一度，按7度考虑。歌剧厅框架抗震等级二级，音乐厅、戏剧厅框架抗震等级三级，钢屋盖抗震等级四级。

根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[6]，取50年一遇的基本风压为0.30kN/m2，地面粗糙度为B类。本项目高度未超过60m，在承载力设计时风荷载按基本风压的1.0倍采用，舒适度计算时取10年一遇的基本风压0.20 kN/m2。

3.1 结构整体主要分析结果

结构整体弹性计算模型采用YJK软件，屋面钢桁架在结构整体弹性分析模型中按实际情况考虑。根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[3]要求，在验算结构扭转位移比时采用刚性楼板假定，其余的结构分析均采用弹性楼板假定，以反映其平面内实际刚度。计算模型中主要定义了竖向、水平荷载工况。其中竖向荷载工况包括结构自重、附加恒荷载及活荷载，水平荷载工况为地震，考虑风荷载。对于多遇水平地震考虑了双向地震及偶然偏心的影响，结构整体弹性分析的主要结果见表2。从表2中可得，歌剧厅与音乐厅、戏剧厅结构计算整体指标均满足相关规范要求，结构整体设计合理。

3.2 歌剧厅超限情况及结构设计

以歌剧厅为例，对结构进行超限情况分析以及结构设计。

结构整体弹性分析主要结果 表2

3.2.1 歌剧厅超限情况及抗震性能目标

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质〔2015〕67号)[7]的相关规定，歌剧厅单体存在扭转不规则、楼板不连续及局部不规则(穿层柱)三项不规则情况，属于超限高层建筑结构。

综合考虑抗震设防类别、设防烈度、结构特殊性、建造费用以及震后损失等各项因素，制定了歌剧厅的抗震性能目标，见表3。并针对楼板大开洞情况，采取增加楼板厚度至150mm、双层双向配筋，提高楼板配筋率至0.25%等措施进行加强，并对楼板进行弹性楼板假定，保证在多遇地震作用下楼板的主拉应力不大于混凝土的抗拉强度标准值，在设防烈度地震作用下楼板中钢筋不屈服。

歌剧厅抗震性能目标 表3

3.2.2 歌剧厅大跨楼面设计

一般楼面采用现浇钢筋混凝土楼面体系，主要为双向梁板体系。典型梁高为700～1 200mm，典型楼板板厚为150mm。在歌剧厅4层以及屋面层均布置了一定范围的大跨度钢梁组合楼面体系，跨度约22.5m，歌剧厅4层以及屋面层结构平面布置图分别见图7，8。楼面采用钢梁+压型钢板的结构形式，钢梁采用实腹工字形截面平行布置，主框架钢梁截面为H1 500×600×35×50，平行布置间距约为2.7～3.1m不等。楼面采用150mm厚闭口型压型钢板组合楼板。压型钢板与钢梁垂直向布置，跨度不大于3.1m。钢梁的支座采用铰接，并采用有效的构造措施以保证与混凝土部分的可靠连接。

歌剧厅舞台区域屋面钢桁架位于主舞台正上方，用于承受屋面荷载和桁架下方舞台机械荷载及人员检修荷载。屋面钢桁架下挂1层栅顶层和3层天桥。舞台区域屋面钢桁架用双向平面桁架体系，支承于下部的8根SRC柱上。歌剧厅观众厅区域、音乐厅以及戏剧厅屋面钢桁架均采用单向平面桁架体系。两种体系屋面均采用压型钢板钢筋混凝土组合楼板，见图10。

图10 歌剧厅舞台区域屋面钢桁架楼面体系

3.2.3 歌剧厅悬挑看台设计

歌剧厅3,4层均设有悬挑看台，悬挑看台立面图见图11。悬挑看台在竖向荷载作用下，单层看台的上部梁受拉，下部悬挑梁受压。上层看台梁将荷载传递给上层看台柱及贯通框架柱，其中上层看台柱的荷载需通过转换梁向下层看台柱传递。对于悬挑看台这类特殊传力体系，在常规分析基础上，采用了有限元精细化建模对单榀框架进行详细应力分析，梁柱均采用厚壳单元模拟，悬挑板恒载以及活载以节点荷载形式加在悬挑梁端部，悬挑看台应力分析结果以及主要节点计算结果分别见图12及表4。从图12及表4可得，4层上层看台梁在荷载作用下主要受拉，最大拉应力(节点A)为8.73MPa，看台下层梁受力较小，为一般悬挑梁，支承在后侧框架柱上；3层悬挑看台的上层梁除了承担3层看台自身的荷载外，还需承担4层看台通过梁上立柱传递的内力，故3层看台拉梁的受力最大，转换梁处(节点D)最大拉应力达到12.37MPa。综上，悬挑看台的传力体系较为合理，但A，B，C，D四个关键节点处的最大应力均大于混凝土抗拉强度标准值，需要通过加强配筋的措施，来满足结构受力，并验算正常使用状态下构件的裂缝，确保悬挑看台受力安全及正常使用。

图11 悬挑看台立面图

图12 悬挑看台应力分析结果/MPa

悬挑看台主要节点计算结果 表4

3.2.4 斜柱及跃层柱设计

因建筑功能造型需要以及剧院大空间的特殊性，歌剧院、音乐厅与戏剧厅均存在跃层柱。歌剧院在草坡局部范围存在跃层柱。戏剧厅在框架柱外围存在18根斜柱，斜柱从地下室底板延伸至顶层，倾斜角约为80°。戏剧厅部分斜柱同时也为单向跃层柱，如图13所示。

图13 典型跃层柱示意图

对歌剧厅的跃层柱进行整体稳定分析，根据弹性屈曲分析确定跃层柱计算长度系数。采用SAP2000软件建立结构整体的分析模型，选取典型柱计算得到跃层柱的绕强轴和绕弱轴屈曲的最低阶模态的屈曲临界荷载，然后根据欧拉公式反推算该跃层柱的计算长度系数，见表5。弹性屈曲分析得到的跃层柱计算长度系数均小于《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版)[8]规定的框架柱计算长度系数1.0，表明跃层柱不发生屈曲破坏。跃层柱B计算长度系数最大，绕弱轴和绕强轴的计算长度系数分别为0.69和0.53，这是因为该柱在柱顶沿两个屈曲方向均只有一根框架梁与其连接，柱顶的梁端约束作用弱于歌剧厅其他跃层柱。歌剧厅其他跃层柱计算长度系数介于0.35～0.69之间，说明跃层柱的柱端约束介于两端嵌固与一端嵌固、另一端不能转动只能侧移之间，且更接近于两端嵌固。构造上应加强跃层柱的抗震构造措施，提高跃层柱抗震等级至一级，适当增加配箍率至1.5%，保证跃层柱的延性并满足构件性能设计要求。

3.2.5 歌剧厅屋面钢桁架设计

歌剧厅舞台区域屋面钢桁架沿屋面框架共布置6道主桁架，主桁架间布置5道次桁架，桁架跨度为22.5m，桁架高度以上下弦中距计为3.0m。主桁架直接与主结构SRC框架柱刚接，屋面钢桁架作为抗侧力结构的一部分，形成钢桁架梁-SRC柱抗侧力框架。在屋面钢桁架上弦与下弦平面设置屋面水平支撑。屋面采用压型钢板钢筋混凝土组合楼板。

跃层柱弹性屈曲分析结果 表5

歌剧厅观众厅区域、音乐厅以及戏剧厅屋面钢桁架根据现有的钢筋混凝土结构进行布置，沿屋面钢桁架间布置3道或4道主桁架。桁架高度以上下弦中距计为2.70～3.65m，桁架下弦铰接支承于钢筋混凝土牛腿柱上。同时，屋面布置有间距2.4～2.8m的钢结构次梁，次梁与周围混凝土梁或钢桁架连接来传递屋面荷载。屋面采用压型钢板钢筋混凝土组合楼板。

3.2.6 歌剧厅造型钢屋盖设计

依据《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)[9]，并根据歌剧厅造型屋盖的形态特点，将整个屋盖分为四个明显的区域，见图14。在下屋面区域，网格结构沿径向和环向布置。每间隔约6m沿径向布置一道主梁，每间隔约5m沿环向布置一道主梁或环梁，沿径向的主梁和沿环向的主梁或环梁共同构成了下屋面区域的主受力网格。整个下屋面区域结构通过径向主梁支撑在支座立杆和锥形钢柱上。同时，由于在下屋面区的外环区域屋面荷载较其他区域略大，且此处与立面区域相连，因此在此处沿径向增设了次梁，与立面区域结构的网格尺度相匹配，同时减小了主梁平面外计算长度，增加结构整体性。歌剧厅钢屋盖结构布置见图15。

图14 歌剧厅造型钢屋盖分区图

图15 歌剧厅钢屋盖结构布置

在下屋面区的外环区域与立面区域的连接区域，紧贴表皮布置梁上竖杆，间隔约3m，形成了连接区域类似“梁上立柱”的竖杆结构。整个连接区域支承在下屋面区的网格结构上，并为上部的上屋面区域结构提供具有一定刚度的支撑。

在上屋面区域，采用正交梁系的网格结构。沿区域边缘布置一道环梁，环梁支承在连接区域的竖杆上，为整个上屋面区域提供支撑条件。在上屋面区域内部，沿区域横向及钢柱柱顶布置主梁，沿区域纵向布置次梁，构成了上屋面区域的主承力结构。

在立面区域，沿竖向布置间隔约5m的立面柱，沿环向布置间隔约4.5m的立面梁，立面柱和立面梁共同构成了立面区域的正交网格结构。整个立面网格结构上边缘支承在屋面结构上，中部和下边缘通过立面支撑构件“挂”在钢筋混凝土框架柱上，典型立面支撑见图15(f)。

整个造型屋盖结构通过若干钢柱(部分为分叉钢柱)、支座立杆及立面支撑，支撑在下部钢筋混凝土结构上，采用V形或锥形小钢柱可同时增强结构的抗扭转性能。分叉钢柱、支座立杆的支点主要集中布置在主体结构内、外圈钢筋混凝土柱上，具体布置见图16。歌剧厅造型钢屋盖的竖向荷载传力途径如下：

图16 分叉钢柱及支座立杆支点布置

(1)上屋面区域：竖向荷载通过正交的次梁、主梁一部分传递至上屋面边缘环梁，再通过屋面竖杆传递至下屋面区域的环梁、径向主梁，再传递至分叉钢柱，最后传递至钢筋混凝土结构柱顶；另一部分竖向荷载通过正交的主次梁直接传递至钢柱，然后传递至钢筋混凝土结构柱顶。

(2)上下屋面连接区域：竖向荷载通过竖杆小部分传递至上屋面边缘环梁，然后传递至上屋面区域内主梁，再传递至钢柱，最后传递至钢筋混凝土结构柱顶；大部分竖向荷载经竖杆传递至下屋面区域环梁，再传递至径向主梁，然后通过分叉钢柱传递至钢筋混凝土结构柱顶。

(3)下屋面区域：竖向荷载通过次梁、环向构件传递至径向主梁，再分别通过分叉钢柱和支座立杆传递至钢筋混凝土柱顶。

(4)立面区域：立面区域的立面柱分为两类，一类通过立面支撑与钢筋混凝土柱相连，此处称为主立面柱，另一类不直接与立面支撑相连，此处称为次立面柱。在立面区域一部分竖向荷载经立面中部区域的环向立面梁传递至主立面柱，然后再通过立面支撑或屋面主梁、支座立杆传递至混凝土结构柱；另一部分竖向荷载经立面中部区域的环向立面梁传递至次立面柱，再传递至立面上下边缘的环向立面梁，最后分别通过立面支撑或屋面主梁、支座立杆传递至钢筋混凝土结构柱。

歌剧厅的造型钢屋盖结构布置与金属屋面和立面幕墙结构的划分互相对应，这造成了部分屋面结构与下部钢筋混凝土主体结构所提供的支承点在平面投影上不对应的情况。考虑此点，将支承钢屋盖的钢柱设计成四角锥分叉钢柱(部分树状柱、部分V形分叉柱)形式，可有效提高钢屋盖的双向抗侧力，增加钢屋盖整体的抗侧刚度。分叉钢柱和沿钢屋盖四周布置的支座立杆、立面支撑共同为钢屋盖提供双向抗侧力。

沿钢屋盖环向布置的分叉钢柱、支座立杆和立面支撑共同构成了整个歌剧厅钢屋盖的抗扭体系，有效减小了钢屋盖的扭转周期。典型分叉钢柱柱脚节点见图17。

图17 分叉钢柱柱脚节点图

3.2.7 歌剧厅静力弹塑性分析

采用PKPM系列结构分析软件中的PUSH模块(EPDA)进行罕遇地震作用下的静力弹塑性计算分析。罕遇地震作用计算时采用的水平地震力影响系数最大值αmax=0.25，特征周期Tg=0.40s，初始弹性状态下结构的阻尼比为0.05。从材料本构关系角度，采用塑性铰来模拟框架梁和框架柱的弹塑性性质。采用弹塑性剪力墙宏单元模拟剪力墙和连梁的弹塑性性质。分析结果表明：1)罕遇地震作用下，歌剧厅X向、Y向最大层间位移角均出现在3层，分别为1/467，1/539，能够达到“大震不倒”的抗震设防目标。与小震弹性下最大层间位移角均出现在2层不同，说明歌剧厅在X向大震作用下，塑性分布发生了楼层间的转移；2)在大震作用下，框架部分仅若干框架梁出现了塑性铰，框架柱在此时未出现塑性铰，柱与梁的节点基本能保证梁优先于柱破坏，满足“强柱弱梁”的抗震原则。

4 基础设计

本项目歌剧厅和戏剧厅共用一层整体地下室，地下室总尺寸约为200m×140m。歌剧厅底板板面标高主要为-6.100m和-5.500m，因功能需要，局部底板有高差，舞台下方台仓部分地下共3层，底板板面标高为-13.400m。戏剧厅底板板面标高为-4.800m；台仓部分地下1层，底板板面标高为-8.650m。音乐厅区域无地下室，首层平面总尺寸约为90m×70m。

场地原始地貌为溶蚀缓丘谷地，场地最大高差约10.3m，属于岩溶中等发育。除室外大台阶的基础持力层为红黏土外，主体结构地下1层及台仓区域基础持力层均为中风化较破碎白云岩，岩石完整程度为破碎～较破碎，地基承载力特征值为2 800kPa。

根据上部建筑物形式及地质条件[10]，设有地下室的歌剧厅、戏剧厅大部分区域采用独立基础+防水板的基础形式，部分底板未揭露基岩层处采用桩墩基础代替独立基础，台仓区域采用筏板基础；无地下室的戏剧厅则采用桩基+拉梁的基础形式；室外台阶荷载较小，采用独立基础+拉梁的基础形式，基础结构布置平面图见图18。

图18 基础结构布置平面图

根据地质条件，并结合当地经验，本项目选用的桩型为大直径扩底人工挖孔灌注桩，柱下采用一柱一桩的布桩形式，桩径为900～1 200mm，桩端扩大头直径为1 000～2 200 mm。本项目人工挖孔桩施工时采用混凝土护壁，故承载力不考虑桩侧阻力的贡献，单桩承载力特征值为1 740～10 400kN，桩长2.5～14.0m。实际桩长可根据开挖情况进行适当调整，但应保证桩身进入持力层不少于0.5D(D为桩径)以及0.5m。人工挖孔桩在施工时应采取相应的降水以及护壁施工措施，以防止人工挖孔桩护壁倒塌。基础施工时，嵌岩部分应采用人工开凿，防止爆破施工对持力层造成二次破坏。勘探报告及施工勘探中揭示有溶洞和夹层时的桩位，施工时必须穿透溶洞和夹层上方岩层。桩孔开挖后，如桩底控制深度小于3～5倍桩底直径或小于5m时，应进行施工勘察。

5 结语

剧院建筑因其内部功能复杂，相较一般公共建筑项目，结构形式较为复杂。结构设计时，应根据建筑特点及荷载条件选择合适的抗侧力体系，根据空间使用功能的不同采用不同的楼面布置体系，在计算中也应采用与实际结构相符的计算条件与模型。剧院建筑立面造型及屋面形式一般较为奇特。结构设计上需结合造型要求，采用合适的结构体系，如钢结构单层网格体系、钢结构双层桁架体系等，需特别注意造型屋盖与下部结构的特殊连接应采用可靠的支座形式。