国家会议中心二期项目大跨重载转换结构设计要点

王鑫鑫， 于东晖， 韩 巍， 常 婷

(北京市建筑设计研究院有限公司， 北京 100045)

1 工程概况

国家会议中心二期项目作为贯彻落实新版北京城市总体规划的重点内容，是强化首都国际交往中心功能的重要设施，同时也是北京2022年冬奥会和冬残奥会主媒体中心(MMC)所在场所。建筑主要功能为会议、展览中心及配套用房(图1)。总建筑面积约为40.9万m2，地下共2层(局部夹层)，地上共3层(局部夹层)，地上平面尺寸约为456m×144m。

图1 国家会议中心二期项目整体鸟瞰图

相较于常规会展建筑，本工程为平衡项目用地限制及建筑功能需求，采用在多层建筑的底部设置大跨空间的形式。首层设置8 000m2的会议区及20 000m2的展览区，形成会议厅72m×108m无柱大空间，展览厅81m×120m及81m×114m两个无柱大空间；地上二层(20～30.80m)为大中小型会议展览区；地上三层(30.80m～屋面)为宴会厅、峰会厅及屋顶花园等功能区。

2 转换结构选型与设计难点

2.1 结构选型

结构设计利用会议厅及展览厅周边夹层高度设置双向桁架实现首层大空间，同时作为支承地上二、三层及周边夹层楼面的转换结构。南北向转换桁架布置及上部楼层关系、东西向典型剖面如图2，3所示。

图2 南北向转换桁架布置及上部楼层关系示意

图3 东西向典型剖面图

在正常使用阶段，会议厅转换结构及其上部楼层总重力荷载标准值约为40kN/m2，展览厅总重力荷载标准值约为50kN/m2，转换结构构件控制组合以重力荷载组合为主。由图2，3可见，转换层上部柱网(6～36m)不均匀布置且周边夹层错落，重力荷载分布不均匀，对转换结构设计提出了较高要求。

分别对单向超高跨层桁架、单向张弦桁架、单向双层张弦桁架、双向正交平面钢桁架等多种转换结构方案进行了对比分析，但由于建筑方案及平面功能限制，最终采用了较为常规的双向正交平面钢桁架作为转换结构。该形式转换结构承载力及刚度适中、结构整体抗连续倒塌性能较好、可以最大程度保证建筑平面及空间灵活性。为了减小次桁架跨度，在展览厅大空间中部增设两根结构柱，形成双向传力体系，达到优化桁架高度、保证建筑控高要求的目的。会议厅及展览厅转换桁架主方向两端与两侧钢管混凝土端柱-带钢斜撑混凝土剪力墙筒刚接，形成巨型转换结构[1]，提供竖向承载的同时也构成主体结构的抗侧力体系。

受限于首层大空间及净高要求，会议厅转换桁架跨度为72m，桁架上下弦中心距中部为6.7m、根部为5.47m；展览厅转换桁架跨度为81m，桁架上下弦中心距中部为6.7m、根部为5.67m。展览厅转换结构布置如图4所示，主要构件参数及材料如表1所示。

图4 展览厅转换结构布置

表1 转换结构主要构件参数及材质

2.2 设计难点

国家会议中心二期项目采用的大跨度、重荷载转换结构，这种情况在工程实践中极为罕见，设计中不仅需对转换结构的传力路径、承载能力、抗连续倒塌、抗震性能等进行分析，确保结构承载安全[2-3]，同时还应对转换结构上部框架作为空腹桁架参与整体受力与变形所导致的次内力效应进行详细分析；转换结构施工与卸载顺序[4-5]、超长结构分块施工、温度效应[6-8]等对结构构件最终受力状态的影响，也需要在设计阶段予以充分分析，才能保证施工方案的可行性和结构在正常使用阶段的整体安全。这些都给结构设计带来了困难和挑战。

3 转换结构设计要点

3.1 转换桁架整体分析与设计优化

在转换桁架整体分析时，考虑转换结构按顺序施工对关键构件进行承载能力分析，主要施工步序如下：①施工首层转换结构及序厅结构→②转换桁架卸载→③转换层楼板浇筑→④二、三层施工→⑤屋面施工，结构封顶，以施工步序⑤作为结构初始状态进行后续正常使用及地震作用分析。

计算结果表明，转换桁架杆件主要控制组合为重力荷载作用组合，桁架端部受压弦杆最大轴压力标准值约22 000kN，跨中下弦杆最大轴拉力标准值约为40 000kN；结构自重效应约占总荷载效应的40%，附加恒荷载占比约30%，活荷载占比约30%。在恒荷载+活荷载标准组合下，转换桁架跨中最大挠度为141mm，挠跨比为1/574，承载力及刚度满足《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)[9]及《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)[10]要求。

对于与转换桁架面内直接相连的墙体，考虑到在施工过程中平衡转换桁架端弯矩的双柱体系外侧边缘受拉，最大轴拉力约为2 500kN，为避免混凝土墙产生受拉裂缝，采用带钢斜撑混凝土剪力墙。其中钢斜撑与钢管混凝土端柱形成拉压杆，共同承担转换桁架端弯矩，随主体钢结构同步安装并参与受力，在结构封顶之后再浇筑剪力墙混凝土，从而大大减小了剪力墙在重力荷载作用下可能出现的拉力[1]。转换桁架与带钢斜撑混凝土剪力墙各阶段连接关系如图5所示。

图5 转换桁架与带钢斜撑混凝土剪力墙连接关系图

在设计深化过程中，通过抽空部分次桁架、细化温度效应分析、采用高强钢材(Q390GJ)等方法对转换结构进行优化设计，控制构件截面尺寸及壁厚，最终转换桁架总用钢量优化15%。

3.2 复杂节点分析

本工程转换结构构件尺度大、板件较厚，连接关系复杂，节点受力大。对关键节点采用ANSYS软件进行有限元分析，建立复杂节点仿真模型，分析构件及节点板件在复杂节点区的应力状态，验证节点传力的可靠性。

图6为转换桁架与钢管混凝土端柱节点形式示意图，钢管混凝土端柱一侧与桁架弦杆及腹杆相连，另一侧与混凝土剪力墙内钢斜撑及钢暗梁相连。图7为典型桁架杆件与上部钢柱连接节点，为简化节点构造，桁架弦杆部分采用了腹板与上部钢柱及桁架腹杆板件对齐，翼缘向两侧外伸的亚字形截面形式。图8为节点有限元分析结果，除局部区域进入屈服状态，节点区域总体处于弹性范围内。图9为典型节点有限元分析结果，除局部区域进入屈服状态，节点区域总体处于弹性范围内。

图6 转换桁架与钢管混凝土端柱节点图示

图7 典型桁架杆件与上部钢柱连接节点

图8 转换桁架与钢管混凝土端柱连接节点分析结果/(N/mm2)

图9 转换桁架与上部钢柱连接节点分析/(N/mm2)

4 结构施工模拟分析

4.1 现场施工步序调整

本工程施工周期短，场地周边施工作业面受限，东侧序厅区域为主要施工堆料及构件拼装场地，导致序厅钢结构无法与会议区及展览区转换结构同步施工。根据实际施工进度计划，将地上主体钢结构工程分为会议区、展览区、序厅、握手厅、轴西侧屋面、轴东侧屋面等不同分区(图10，11)，采用分区安装、分区分阶段合拢的施工方案。

图10 一至三层结构施工安装分区示意

具体施工方案为：①分区同步安装会议及展览区转换桁架→②会议及展览区各自区段内合拢、卸载→③分区同步安装会议及展览区二层及三层区域→④三层握手厅钢结构施工，会议及展览区区段间合拢→⑤同步施工轴西侧屋面、序厅以及轴东侧屋面结构，实现结构整体合拢。

图11 屋面结构施工安装分区示意

图12为①，②施工步完成后，会议及展览区各自区段内合拢，桁架带楼板及上部结构整体卸载工况示意；图13为③，④施工步完成后，0～30m会议及展览两区段整体合拢工况示意；图14为序厅及屋面施工完成，主体结构整体合拢工况示意。

图12 会议及展览区各自区段内合拢，桁架整体卸载工况示意

图13 0～30m会议及展览两区段整体合拢工况示意

图14 主体结构整体合拢工况示意

会议及展览区转换桁架于2019年12月开始安装，2020年2月除预留合拢点外，转换桁架已基本安装完毕。根据施工时气象条件，4月才具备桁架合拢、整体卸载条件。为保证8月份封顶的施工进度要求，经多轮论证及分析，决定调整施工步序，先进行转换层楼板浇筑以及展览区部分二层钢构件安装工作，待转换层楼板达到设计强度，满足合拢温度条件后再进行整体卸载。

调整后会议区转换结构具体施工步序如下：①转换桁架安装→②1转换层楼板浇筑→②2整体卸载→③二至三层钢结构安装、楼板浇筑→④握手厅钢结构安装、楼板浇筑，会议及展览区区段间合拢→⑤同步施工轴西侧屋面、序厅以及轴东侧屋面结构，实现整体合拢；调整后展览区转换桁架具体施工步序如下：①转换结构安装→②1转换层楼板浇筑→②2二层局部钢构件安装→②3整体卸载→③1二层剩余钢结构安装，楼板浇筑→③2二至三层钢结构安装、楼板浇筑→④，⑤同调整后会议区转换结构对应的施工步序。

调整后施工步序与设计前期考虑的顺序施工方案差异较大，主要表现在：1)分块施工、分区合拢，即在整体封闭前，会议及展览区为独立的结构单元。经对比分析，分块施工方案对转换结构承载力及刚度影响不大；2)转换层楼板作为转换结构的一部分，参与卸载工况的整体受力与变形，这对转换层楼板承载力提出了更高的要求，需采取加强措施；3)展览区转换桁架上部先装的钢构件，在卸载工况下作为空腹桁架的一部分参与整体受力与变形，这些构件在卸载工况的次内力水平应进行分析与评估并采取有效措施进行次内力控制，以保证结构安全。

4.2 施工模拟与施工监测

4.2.1 转换结构影响分析

展览厅典型转换桁架卸载工况如图15所示。分别按原设计及调整后施工步序进行了结构施工模拟分析，由于调整后施工方案卸载工况包含转换层楼板及部分上部先施工钢构件自重，卸载工况结构总重约28 000t，是原顺序施工方案卸载工况总重的1.75倍，但桁架杆件内力及整体变形(图16，17)仅增大约20%～50%，说明转换层楼板及上部先施工钢构件作为转换结构的一部分，参与了卸载工况的整体受力与变形。随着施工步序推进，带楼板整体卸载对转换结构承载力及刚度的提高作用开始显现，结构封顶时桁架杆件内力及整体变形较原顺序施工方案显著减小，正常使用阶段(1.0恒荷载+1.0活荷载)重力荷载作用下，桁架杆件内力及整体变形约为原顺序施工方案的90%。

图15 展览厅典型转换桁架卸载工况及关键杆件编号示意

图16 展览厅典型转换桁架关键杆件各施工阶段轴力图

图17 展览厅典型转换桁架关键杆件各施工阶段变形图

由上述分析可见，调整后的施工方案对转换桁架杆件承载力及刚度无不利影响，施工方案可行。基于施工模拟分析结果，最终确定了本工程转换桁架的施工预起拱值，并与桁架整体卸载施工监测数据进行了对比分析(表2)。桁架卸载后直至二层施工完毕，稳定变形量实测值与施工模拟计算值符合程度较好。

施工模拟与施工监测稳定变形量对比 表2

4.2.2 转换层楼板应力分析

由4.2.1节分析可见，转换结构承载力及刚度的提高得益于转换层楼板在卸载过程中参与了整体受力作用。楼板作为转换结构的一部分，在卸载工况即参与整体受力与变形，这对转换层楼板承载力提出了更高的要求。

转换层楼板整体受力状态与双向桁架整体竖向变形趋势一致，沿主次桁架方向均呈端部受拉中部受压状态。在主次桁架相交位置，受次桁架竖向刚度影响，楼板局部受弯效应显著，沿桁架主受力方向典型单元楼板内力分布如图18～20所示。

图18 转换层楼板整体变形示意图

图19 转换层楼板轴力分布图示/kN

图20 转换层楼板弯矩分布图示/(kN·m)

设计中主要采取了如下措施改善转换层楼板应力状态：1)根据整体受弯状态楼板压应力分布情况调整次梁布置方向，避免局部受弯与整体受弯内力叠加后楼板应力过大；2)在拉应力区设置楼板施工后浇带，并根据施工模拟的楼板应力分析结果，控制转换层后浇带在三层握手厅整体合拢后再封闭，避免转换层楼板过早受拉；3)根据整体受弯作用下楼板应力分布情况，复核转换区桁架及钢梁等栓钉设置，保证楼板应力可靠传递。

4.2.3 上部结构次内力影响分析

展览区转换桁架上部先装的钢构件，在卸载工况作为空腹桁架的一部分参与整体受力与变形。施工模拟分析中，重点关注了上部构件的次内力水平，上部先装钢柱在主要施工阶段的柱底弯矩变化如图21所示。

图21 各施工阶段展览厅转换桁架上部钢柱柱底弯矩图

柱底弯矩分布趋势与桁架整体变形趋势一致，调整后施工方案由于中部钢柱随桁架整体卸载，参与整体变形，在卸载完成时，初始内力较大，最终受力状态柱底弯矩较原顺序施工方案增大约20%～30%，整体卸载产生的初始弯矩占正常使用阶段总荷载效应的30%左右。由上述分析可见，施工方案调整后，转换层上部构件内的次内力效应不容忽视。

对于桁架根部对应构件次内力效应显著的位置，采用局部杆件后装、不参与整体卸载的方式，最大限度地消除桁架整体卸载过程中产生的次内力。由图21可见，桁架根部③轴及⑩轴对应上部结构钢柱柱底弯矩在卸载工况不参与受力，在后续施工阶段及最终受力状态下弯矩效应与原非整体卸载方案相比，③轴柱底弯矩由9 540 kN·m增至9 961 kN·m,⑩轴柱底弯矩略有降低，总体变化量均不超过5%，有效地控制了构件次内力效应。

对于空腹桁架中部结构构件，根据施工模拟分析结果，在不影响建筑功能及净高要求、不显著增加工程量的前提下，通过调整上部结构构件截面及规格等方式，在保证施工方案可行的同时，控制构件次内力水平，确保正常使用阶段结构的整体安全。

5 超长结构分区段合拢温度作用评估

本工程地上平面尺寸约为456m×144m，地上钢结构工程、外幕墙及屋面系统总施工周期接近2年。施工期间季节温度变化对钢构件，尤其是转换结构构件内力影响很大。为合理控制施工及正常使用的温度作用，对钢结构合拢温度提出了明确要求，即10～20℃。但考虑到现场实际安装情况，桁架需在2020年3月底、4月初进行整体卸载，转换桁架合拢温度很难满足原设计要求。

为保证工程进度，基于分区安装、分区分阶段合拢的施工方案及实际的构件安装进度，对转换桁架提前合拢方案进行了对比分析，主体结构分区示意如图10，11所示。主要温度荷载取值如下：由于转换桁架合拢(2020年3月中下旬)期间遭遇了寒潮天气，会议区及展览区各自区段内合拢温度取为5℃(图12)；握手厅施工完毕(2020年5月)，两区段间合拢温度为20℃(图13)；屋面施工完毕(2020年8月)，主体结构合拢温度为20℃(图14)。整体合拢后最高季节温度为36℃，施工阶段转换结构累积升温为31℃。

考虑分区施工、累积升温的施工模拟计算结果显示：分区安装、分区分阶段合拢方案各施工阶段结构刚度、累积升温等均与原设计整体合拢方案有差异，因此两种施工模拟计算所得的整体变形及构件内力趋势不明显；但在结构整体合拢后的最终受力阶段，在重力荷载及累积升温作用下，转换结构整体变形与原设计整体合拢后一次性施加升温荷载(26℃)差异在5%以内；结构边柱、转换桁架关键构件部分内力变幅达到10%左右，对这些内力增幅较大的构件进行了重新校核，并根据计算结果采取了加强措施。经论证分析，采用分区施工、分区段合拢方案，会议区及展览区桁架合拢温度可以比原设计合拢温度适当放松，转换桁架各自区段内提前合拢方案成立，不会对施工及结构正常使用阶段的安全性产生影响。

6 结语

国家会议中心二期项目结构设计的重点和难点在于解决多层重载作用下的大跨转换问题，本文重点介绍了转换结构选型、关键构件及复杂节点设计，转换层楼板提前参与整体受力及上部构件次内力水平的分析，以及考虑了真实温度变化的设计和施工过程中的施工模拟分析。以上模拟计算结果与施工监测数值符合程度较好。

大量的分析工作不仅为此高难度转换结构的设计提供支持，同时很好地配合和指导了现场施工，保证了施工的可行性和安全性，为主体结构如期竣工奠定了坚实的基础。