漂流瓶公共艺术品结构设计分析

王书伟

[1.上海外服（集团）有限公司,上海 200040；2.尤艾普（上海）艺术设计咨询有限公司,上海 200040]

0 引言

随着现代社会经济水平的发展，人们的生活水平不断提升，生活质量也得到了显著提高，人们对生活水平的要求变得越来越高，所以城市发展过程中加强生活环境的改善以及整体形象的提升才能保证其更加符合人们的居住需求。公共艺术作为我国文化建设过程中形成的一种新型艺术，其在社会发展中的应用对改善城市整体面貌、提升城市活力以及凸显城市个性文化有着重要作用。现在越来越多的公共艺术品出现在大众的视野里，公共艺术品结构的复杂性引起了诸多学者的注意，他们结合具体工程实际开展了有针对性的研究[1-6]。

1 公共艺术品

公共艺术品具有在城市中以人的交往需求为核心而展开的对空间的体验、对审美的获取、包括对形态、意象的亲历和审美活动之意。无论在东方还是在西方，历史学家在描述古代艺术的时候，往往是公共空间的艺术，艺术在公共空间中形成各异艺术语言，他们互相联系又互相区别，共同形成时代的物化标志。公共艺术品主要由三部分组成，第一部分是艺术品内在价值，第二部分是支撑艺术品的骨架，第三部分是艺术品与主体结构的连接方式。

2 设计参数

公共艺术品设计参数包括三大部分，第一部分为结构重要性系数γo；第二部分为荷载的分类和参数的选取；第三部分为荷载的组合。

第一部分结构重要性系数γo，公共艺术品结构重要性系数γo的取值同其它结构重要性系数取值一样，首先根据结构破坏可能产生后果的严重性采用不同的安全等级，安全等级划分为三个等级：一级破坏后果很严重；二级破坏后果严重；三级破坏后果不严重。其次根据工程的使用功能、建造和使用维护成本及环境影响等因素规定设计工作年限将安全等级划分为三个等级：一级临时性建筑结构，设计工作年限5 年；二级普通房屋和构筑物，设计工作年限50 年；三级特别重要的建筑结构，设计工作年限100 年。结构重要性系数根据安全等级，一级1.1；二级1.0；三级0.9，对偶然设计状况和地震设计状况下的重要性系数取1.0[7]。

第二部分为荷载的分类和参数的选取，公共艺术品样式千变万化，不像普通建筑那样规规矩矩，荷载参数取值可以直接套用现有规范条文。现在的公共艺术品没有专业的规范和条文来直接解释相关参数的取值，因此对于公共艺术品荷载参数的取值成了一道难题，但是公共艺术品的荷载同样是按照建筑结构荷载规范荷载给分为了三大类。

第一类为永久荷载，包括结构自重、土压力、预应力等。公共艺术品的永久荷载大部分只包括结构自重和预应力等[8]。公共艺术品材料多种多样，其中以不锈钢，铜，铝，玻璃钢作为结构表皮居多，预应力基本上只有钢索和膜结构材料才需要添加预应力荷载，只有添加了预应力结构本身才能发挥材料的结构性能。根据《工程结构通用规范》3.1.13 条分项系数的取值：1、永久作用：当对结构不利时，不应小于1.3；当对结构有利时，不应大于1.2、预应力：当对结构不利时，不应小于1.3；当对结构有利时，不应大于1.0[9]。

第二类为可变荷载，包括楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、温度作用等。

公共艺术品的可变荷载大部分只包括结构楼面活荷载、屋面活荷载、风荷载、雪荷载、温度作用等。现在公共艺术品有一部分是建造在大型公共建筑的楼面和屋面，其目的是以吸引顾客为主，为了公共建筑的安全考虑，设计公共艺术品就必须考虑楼面活荷载和屋面活荷载，公共建筑的楼面活荷载取值范围一般在2～12KN/m2,公共建筑的屋面活荷载取值范围一般在2～3KN/m2，公共建筑在考虑内部公共艺术品时，需要考虑每种工况下艺术品产生的荷载，在计算公共建筑结构添加活荷载时需要同时考虑上公共艺术品产生的荷载。以保证在增加公共艺术品后公共建筑的结构安全。其次设计楼面和屋面公共艺术品时，艺术品的定位最好考虑在结构柱的位置，以免因公共艺术品自身重量过大，对结构楼板产生过大的变形形成裂缝。

公共艺术品结构设计中风荷载是最重要的控制荷载，风荷载计算：计算主要受力结构和维护结构两种，公共艺术品主要以计算主要受力结构为主。根据《建筑结构荷载规范》GB500092012 式（8.1.1）

式中：wk—风荷载标准值（kN/m2），βz—高度z 处的风振系数，μs—风载体型系数，μz—风压高度变化系数，wo—基本风压（kN/m2），具体参数取值参照规范确定。

公共艺术品风荷载标准值计算中风振系数参数的取值对于风荷载标准值计算准确性尤为重要，根据《建筑结构荷载规范》8.4.3 条对于一般竖向悬臂型结构，例如高层建筑和构架、塔架、烟囱等高耸结构，均可仅考虑结构第一振型的影响，结构的顺风向风荷载可按公式（8.1.1-1）计算。Z高度处的风振系数βz可按下式计算：

式中：g—峰值因子，可取2.5；I10～ 10m 高度名义湍流强度，对应A、B、C 和D 类地面粗糙度，可分别取0.12、0.14、0.23 和0.39；R—脉动风荷载的共振分量因子；Bz—脉动风荷载的背景分量因子，具体参数取值参照规范确定。

《建筑结构荷载规范》8.4.2 条对于风敏感的或跨度大于36m 的柔性屋盖结构，应考虑风压脉动对结构产生的风振的影响。屋盖结构的风振响应，宜依据风洞试验结果按随机振动理论计算确定。根据《建筑结构荷载规范》上述叙述对于一般竖向悬臂型结构可采用8.4.3 公式计算，对于风敏感的或跨度大于36m 的柔性屋盖结构宜依据风洞试验结果取值。其次对于山区的公共艺术品风压高度变化系数的取值应考虑地形条件的修正，修正系数η具体参照《建筑结构荷载规范》8.2.2条计算确定。风载体型系数；基本风压具体参数的取值参照规范确定。公共艺术品的风荷载组合值系数、频遇值系数和准永久值系数可分别取0.6、0.4、和 0.0。

第三类为偶然荷载，包括炮炸力，撞击力等。作用于公共艺术品结构的第三类荷载比较少，基本可以忽略不计。

公共艺术品结构荷载组合基本只考虑两种组合，一种计算承载力极限状态采用的基本组合，另一种计算变形和裂缝采用的标准组合。具体计算详见《建筑结构可靠性设计统一标准》8.2.4～8.2.5 条。

3 结构设计

公共艺术品结构设计和一般建筑结构；大跨度空间结构结构设计如出一辙，首先设计承载建筑结构的主体结构，其次再设计承载建筑结构的次要结构。艺术品结构设计主要包括三大部分：主体结构设计；表皮结构设计；连接节点设计。

3.1 主体结构设计

公共艺术品主体结构设计主要包括结构概念设计；截面和材料的选择；荷载参数的取值；荷载组合定义等。具体以苏州仁恒仓街项目漂流瓶公共艺术品为例，漂流瓶由14 片不同方案元素的不锈钢表皮组成，艺术品内部灯光折射出精美的光影图案，活跃着场地间的夜间氛围（如图1所示）。

图1 工程效果图

漂流瓶公共艺术品地处苏州古城，位于苏州市姑苏区，场地设防烈度7 度，设计基本地震加速度0.1g，设计地震分组第一组。漂流瓶公共艺术品建筑高度7m，中间部位最大直径4.6m。结构设计工作年限50 年，结构重要性系数根据《建筑结构可靠性设计统一标准》二级安全等级取1.0。漂流瓶半径2Km 范围内建筑物的平均高度大于9m 小于18m，根据地面粗糙度类别划分为C 类。漂流瓶公共艺术品根据前期艺术家提供的结构截面，竖向龙骨和环形龙骨均采用宽50mm×6mm 的S30408不锈钢钢板组成，为了完美地复制艺术品的效果，漂流瓶艺术品结构采用原来艺术家提供的结构截面，经过结构复核艺术家提供的艺术品结构截面，远远不能满足现有场地艺术品结构截面，经过与艺术家沟通，才知道原来艺术家提供的艺术品是室内艺术品不是室外艺术品。后经与工厂和艺术家的双面沟通及以往艺术品安装经验，艺术品结构还是采用原有结构形式，艺术品安装采用每片艺术品形成一个结构总体，竖向和底部全部采用不锈钢螺栓连接形式。结构截面考虑了是室外艺术品结构受力比较大，螺栓一般采用在16～20mm 之间，螺栓孔中心至构件边缘距离垂直内力方向最小容许间距在1.5do，结构材质考虑了后期维护成本，决定采用S30408 不锈钢以减少后期因材料生锈产生的维护费用。结构截面初步采用宽65mm×16mm不锈钢钢板，漂流瓶公共艺术品因独特的造型，结构荷载只考虑恒载；风载和地震荷载。恒载为2mm S30408 不锈钢表皮，表皮重量为0.16KN/m2,风载根据《建筑结构荷载规范》GB500092012 式（8.1.1）计算，风载计算中风振系数的取值对于风荷载标准值计算准确性尤为重要，根据《建筑结构荷载规范》GB500092012 式（8.4.3）。

其中要计算R-脉动风荷载的共振分量因子；Bz-脉动风荷载的背景分量因子。Bz计算需要先计算ρx-脉动风荷载水平方向相关系数；ρz-脉动风荷载竖直方向相关系数。

《建筑结构荷载规范》GB500092012 式（8.4.5）代入参数ρx；ρz

计算R-脉动风荷载的共振分量因子首先需要计算

根据《建筑结构荷载规范》GB500092012 式（8.4.4-1）代入参数

根据《建筑结构荷载规范》GB500092012 式（8.4.3）代入参数R 和Bz

根据《建筑结构荷载规范》表8.3.1 项次37（b）整体计算时的体型系数取μs=0.73

μz根据《建筑结构荷载规范》表8.2.1 μz=0.65

地震荷载根据《建筑抗震设计规范》5.1.1-1 条，一般情况下，应至少在建筑结构的两个主轴方向分别计算地震作用[10]。荷载组合应考虑承载能力极限状态组合和正常使用极限状态标准组合，分别用于计算结构的强度和刚度，其中承载能力极限状态基本组合：组合1：1.3 恒+1.5 风；组合2：1.3 恒+1.4 水平地震；组合3：1.0 恒+1.5 风；组合4：1.0 恒+1.4 水平地震；正常使用极限状态标准组合：组合5：1.0 恒+1.0 风。主体结构考虑到结构是个竖向悬臂型结构，为了减少结构的顶点位移，结构柱脚决定采用刚接柱脚。根据正常使用极限状态标准组合结构顶部最大位移为23.224mm＜7000/250=28mm，满足《钢结构设计标准》表B.2.2规范要求[11]（如图2 所示）。

图2 主体结构正常使用极限状态标准组合结构顶部位移图

不锈钢龙骨经过非线性分析验算，漂流瓶不锈钢结构在承载能力极限状态组合下，钢结构的最大应力比为0.675＜1 满足《钢结构设计标准》要求（如图3 所示）。

图3 竖向龙骨极限承载力状态下应力分布图

3.2 表皮结构设计

公共艺术品表皮作为结构的重要组成部分，表皮安全至关重要。漂流瓶由14 片相同尺寸的2mm S30408 不锈钢表皮组成，每片艺术品表皮与竖向龙骨和环向龙骨采用焊接连接，每片表皮形成一个单一的结构体。艺术品表皮结构复核可以只计算一片不锈钢表皮在承载能力极限状态组合下艺术品表皮结构应力和正常使用极限状态标准组合艺术品表皮的结构位移。根据图4漂流瓶标准片表皮在承载能力极限状态组合1：1.3 恒+1.5 风；组合2：1.0 恒+1.5 风；结构的最大应力为0.315kN/m2＜178 kN/m2，满足S30408 不锈钢标表皮抗拉强度设计值，满足《建筑幕墙工程技术规范》表3.2.7 规范要求[13]（如图4 所示）。

图4 艺术品表皮极限承载力状态下应力分布图

漂流瓶标准片表皮在正常使用极限状态标准组合3：1.0 恒+1.0 风，结构最大位移为8.4mm＜822/90=9.13mm，满足《建筑幕墙工程 技术规范》表10.1.6 规范要求[12]（如图5 所示）。

图5 艺术品表皮正常使用极限状态标准组合下位移图

3.3 连接节点设计

公共艺术品连接节点比较考究，不像钢结构连接节点那样比较随意，节点设计上不仅要求节点要精致还要施工方便。对漂流瓶公共艺术品连接节点设计是个极大挑战。

漂流瓶公共艺术品竖向和环向龙骨结构经计算采用宽65mm×16mm S30408 不锈钢钢板满足设计要求，结构安装每片艺术品形成一个结构总体，竖向和底部全部采用不锈钢螺栓连接方式。这时竖向龙骨采用两片宽65mm×8mm S30408 利用不锈钢螺栓连接在一起，环向龙骨还是采用宽65mm×16mm S30408 不锈钢钢板。外表皮采用2mm S30408 不锈钢表皮与竖向龙骨；顶部和底部环向龙骨焊接在一起，底部连接采用底部宽100mm×16mm 环向龙骨与柱脚顶宽140mm×16mm 环向连接板采用M16@140不锈钢螺栓采用等强连接，具体连接方式（如图6 所示）。

图6 竖向龙骨与底部环向连接板连接节点

柱脚连接一般可采用两种方法，一种是预埋，一种是后锚固。传统的预埋方法容易给设计、施工带来极大的不便，甚至不容易出差错，致使影响设计、施工进度；而后锚固技术恰好为这一难题提供了简便而又有效的解决方法。考虑了前期水池混凝土基础需要，先施工和现场预埋锚栓施工的偏差影响柱脚底板的定位，决定采用特殊倒锥型化学锚栓施工，特殊倒锥型化学锚栓一方面通过化学粘结剂保证锚栓与混凝土体的粘结强度，另一方面又通过倒锥体与混凝土机械锁键保证螺栓与混凝土体的连接强度，具有较好抗震性能。根据《混凝土结构加固设计规范》16.1.5 条当在抗震设防区承重结构中使用锚栓时，应采用后扩底锚栓或特殊倒锥形胶粘型锚栓，且仅允许用于设防烈度不高于8 度并建于Ⅰ、Ⅱ类场地的建筑物。经计算漂流瓶14 个柱脚每个柱脚采用4 个M16 特殊倒锥型化学锚栓满足刚接柱脚连接要求。

4 总结

从公共艺术品的定义到结构设计，发现影响公共艺术品结构设计和安装的三大要素，风振系数；体型系数和节点设计。风振系数和体型系数取值的大小直接影响艺术品的整个艺术品的效果及造价，其次节点设计的好坏直接影响施工安装的进度，通过漂流瓶公共艺术品项目对从事公共艺术品结构设计者有一个浅显的认识，以此促进公共艺术品行业健康有序地发展。