王东将 邢桂久 刘倩
(中国建筑第七工程局有限公司,河南郑州 450000)
大跨空间结构在建筑中应用所展现的优势与造型魅力,是其他类型建筑结构无法代替的,在深入建筑行业建设工程项目的研究中发现,市场内大部分大型公共建筑都是参照大跨空间结构开发设计的[1]。随着现代化建筑设计技术的不断优化,多种以此为基础的建筑成了市场内的标志性建筑[2]。此类建筑具有造型独特、外观优美,但整体外形不规则的特点,因此,在此类建筑结构设计时,需要从多个角度,全面考虑结构设计的合理性[3]。为进一步实现对此项工作的创新与优化,本文将以某大跨空间结构为支撑的建筑项目为例,展开深入的探讨与研究。
本次研究的大跨空间结构建筑项目为某地区的大型公共娱乐建筑,此建筑依附环境中的深基坑建设,基坑整体呈现“U”型开口[4]。其中,自由边界最大横跨长度可以达到200m以上,预期此项目建成后,地上建筑的最大高度约为37m,建筑总面积可以达到120570m2。此建筑建成后将成为该地区的地标性建筑,为社会群体生活、娱乐、休闲、购物提供一个一体化的空间场所。设计项目的深基坑现状见图1。
图1 项目所在地深基坑现状
通过与工程方设计师的交涉,绘制此项目建成后的预期效果图与三维结构模型图,见图2。
图2 项目建成后的预期效果图与三维结构模型图
为满足项目建成后具有更加良好的视觉效果需求,此建筑预设采用自由流线造型设计,整体结构由上、下两个主要部分构成(见图2中的右侧三维结构模型),建筑上部结构属于一个具有大跨特征的空间钢壳网,下部结构为一个直径约为70m的开洞平板,由平板承载建筑的全部荷载。考虑到建筑上部结构具有外形不规则的特点,因此,在下部开洞平板受到由上部结构传递的荷载,存在分布不均的特点,为实现对此建筑空间结构技术的全面优化,下述将开展与此方面相关的进一步设计研究。
大跨空间结构凭借其在空间上的优势,结构类型和形式更加丰富,当前大跨空间结构体系包括杂交、张拉整体、张弦等多种类型[5]。从其空间结构角度出发,将现有大跨空间结构体系划分为四大类,分别为空间网格体系结构、钢筋混凝土薄壳结构、张拉整体结构和杂交组合结构。在建筑结构设计时,根据其不同需要,可针对性选择上述四种体系结构中的一种[6]。在组成结构体系时,需要按照一定的规律对杆件、构件等各个节点进行连接,并形成一个完整的空间结构。同时,在结构体系设计时,需要确定结构初始设计域,其相关体积可用下述公式表示:
式中,V0为大跨空间初始设计域的结构体积;C0为大跨空间初始设计结构总应变能;C为大跨空间结构的极限应变能。
在对其设计域进行迭代优化的过程中,假设在某一次迭代i中结构相关体积可用下述公式表示:
式中,Vi为第i次迭代时大跨空间结构体系的总体积;Ci为第i次迭代时大跨空间结构的总应变能。在结构体系优化设计时,可结合性能指标对其结构体系优化设计效率进行评价。同时,利用性能指标也可更直观反映出体系的设计域体积与应变能之间的关系[7]。性能指标为无量纲量,并且随着迭代次数的不断增加,利用性能指标评价结果可以更明确需要删除的体系结构,以此改变原有大跨空间结构的拓扑形态。
当前传统大跨空间结构常使用的材料包括钢材、混凝土等,随着新材料的不断创新和推广,高强钢拉索、铝合金等材料在大跨空间结构上也十分常见。其中,铝合金材料具备自重轻、耐腐蚀性强的优势,通常被应用于游泳馆等水蒸气含量较高的建筑空间当中。同时,在大跨空间结构设计时,若采用这一类型材料,则能够对空间中产生的水蒸气侵蚀进行更好抵御,以此也能够进一步降低后期建筑在运营时产生的维修费用,从经济角度上也具备更大优势[8]。木材是一种可再生材料,同时具备环保、节能和造型美观的优势,在大跨空间结构当中也十分常见。在部分建筑当中,采用了将木构件直接作为支撑结构的方式,将其内部结构外露,并不对其进行吊顶装饰设计,以此能够充分展现出木结构的亲和力,为人们带来更温馨的感受。在具体对结构材料进行选择时,还需要具备更可靠的数据依据。在对大跨空间结构材料进行选择时,需要考虑到相同属性材料之间的二维平面问题,结合VonMises应力定义,得到下述计算公式:
式中σ为同属性材料的正应力;σx为材料在横向上的正应力;σy为材料在纵向上的正应力;t为材料剪应力。
根据上述计算公式,结合结构最大应力约束条件,确定结构材料的优化模型为:式中A为优化结果;β1,β2,…,n均为结构材料设计变量,其取值为0或1。
定义足够大的结构初始设计区域,将设计区域离散为有限元网格结构,并确定施加荷载以及相应的边界条件,对初始设置的参数数值进行删除并重新赋值。再对结构进行有限元计算分析,得出各个结构每个单元的应力数值,在对结构的材料进行选择时,将其对应的应力数值代入到上述优化模型当中,在确保得出的结果为最优解后,确定该材料即为最适合的材料。
为提高大跨空间结构的稳定性,对其进行稳定性找形设计。在找形过程中,确定力传导的最佳几何结构。在遵循用最少材料实现最大功能结构的原则下,确保使用的材料能够充分发挥其力学性能。材料的力学效率可通过其力流优化的方式实现。通常情况下,针对结构较为简单的体系而言,在找形设计时,应当尽可能避免受到弯矩作用的影响,结构构件本身应当能够承受住来自建筑的拉力和压力。针对上述需要,采用动力松弛法实现找形设计,将结构的合理受力作为找形的优化目标,针对空间结构的几何形态与内力分布关系,从而寻找更加合理且有效的结构形态拓扑结构。
对于面内以受压为主的大跨空间结构,其结构的稳定性十分关键,一旦出现失稳情况,则会造成结构出现大范围的凹陷或凸起,进而使得结构表面平整度降低,影响结构的外观,同时,对于建筑结构的安全性也会造成极大影响。因此,在大跨空间结构找形时,需要将稳定性作为重要前提。找形时,应当结合下述公式,将其作为结构承载力的约束条件,设计出符合稳定性要求的结构:
式中Nmin为大跨空间结构应当具备的最小承载力;f为结构抗压强度;δ为结构换算面积;δk为结构受压面积;δkk为结构核心截面面积。
为确保设计的大跨空间结构建筑满足或符合其实际运营管理需求,应在设计前,对建筑的设计条件与业主方提出的设计要求进行集中整理。相关内容见表1。
表1中的相关数值均由《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)中记录的数据获取。
设计时考虑到建筑楼面的荷载分布呈现不均匀状态,空间结构屋顶中间位置呈现漏斗状下凹椎体,因此,需要全面考虑建筑不同位置的荷载分布情况,具体内容见表2。
表1 大跨空间结构建筑设计条件
表2 大跨空间建筑下部结构荷载分布
表2中的X、Y、Z对应此建筑在横向、竖向与纵向方向上受到的恒载作用力,表2中对应的①~⑦区域见图3。
图3 大跨空间建筑下部结构荷载分布对照区域
按照上述方式,完成对大跨空间结构建筑的综合受力分析,在此基础上,按照本文设计的步骤,进行建筑结构的计。完成设计后,在①~⑦区域中随机选择测试点,检测承载力。对比检测结果与设计承载力数值,分析按照本文设计方法进行大跨空间结构建筑设计,是否能确保建筑结构满足设计需求。整理测试结果见表3。
表3 大跨空间结构建筑测点承载力检测结果与设计承载力对比结果
根据表3所示的实验结果可以看出,测点承载力检测结果>设计承载力,说明设计的大跨空间结构建筑整体结构承载力符合设计需求,即结构整体具有足够的安全性与稳定性。总而言之,按照上文提出的方法进行大跨空间结构建筑的创新设计,可以在满足外观美化、造型独特的基础上,提高建筑结构的承载力,确保设计的建筑在投入使用后具有较高的可靠性。
通过本文此次的研究,明确了大跨空间结构建筑在我国未来建筑行业具有发展势头较猛的趋势,在这一背景下,多元化形式的建筑结构空间、全新的建筑结构体系、现代化建筑工程设计材料、高新技术开始涌现。目前,中国在相关大跨空间结构建筑方面的研究已经位于世界前列,但相关此方面的创新性成果仍存在缺陷。因此,在后续的研究中,还应进行此方面研究成果的进一步深化,通过此种方式,进一步实现对大跨空间结构建筑研究的深化,为我国建筑与相关领域的快速发展提供全面的指导与帮助。