联合国地理信息会址配套工程网壳结构设计研究*

胡 波, 周建炉, 吴震陵, 章嘉琛, 谢为时, 高博青, 李 智

(1 浙江大学建筑设计研究院有限公司，杭州 310028；2 浙江大学建筑工程学院，杭州 310028)

1 工程概况

联合国地理信息会址配套工程位于德清县中兴南路东侧、游子街南侧、曲园南路西侧,作为德清科技新城核心区块的商业中心,与联合国地理信息大会会址隔水相望。本项目包含大型购物中心、办公、酒店等,总用地面积125 423m2,总建筑面积约41万m2,其中本文重点介绍的大型购物中心建筑面积约11.3万m2。购物中心平面呈L形,建筑平面长度约243m、宽度约234m,通过设置结构防震缝,将其分为A、B、C三个独立结构区块,在减小温度影响的同时,也有利于结构性能指标的控制。建筑地上5层,结构高度25.00m,地上1层层高7m,2～5层层高均为5.7m;地下共2层,其中地下1层层高7.4m,地下2层层高5.4m。购物中心西北角主入口为五层通高中庭,屋盖采用类似椭球形单层网壳,网壳长轴67.428m、短轴52.795m,网壳节点最大高度35.65m。网壳前端与幕墙连为一体,其中前端幕墙支撑于跨度约53m的屋顶楼板上,玻璃屋面。建筑效果图见图1。

图1 建筑效果图

网壳结构的网格划分、风荷载确定、结构分析与设计是本项目的关键,本文重点介绍。

2 网壳结构网格划分

近年来,随着计算机辅助设计技术(参数化建模技术和BIM技术等)、制造技术和施工技术的发展,建筑曲面的复杂程度登上了一个新的台阶。造型独特的自由曲面空间结构越来越多地出现在世界各地,例如杭州奥体中心体育游泳馆(图2(a))、阿联酋阿布扎比Yas酒店［1-2］(图2(b))等。这些自由曲面网格结构凭借其新颖的造型,给人以强大的视觉冲击,往往成为一个地区的标志性建筑。

图2 自由曲面网格建筑

网格划分是将建筑造型和结构体系连接起来的桥梁。目前,可借用的网格划分算法包括Delaunay三角法［3］、波前法［4］、映射法［5］及其组合［6-7］。本项目结构为类椭球形曲面造型,一些常用的球面、柱面网格划分不再适用。根据建筑师的要求,结构网格需要有规律性、层次感、流畅度,网格大小控制在1.0～3.0m左右,为此,借用自由曲面网格划分软件ZD-mesher［8］,提供了如图3～8所示的网格形式。由于kewitt型网格(简称K型网格)缺少力量和流畅性,不为建筑师接受,故基本网格选择肋环型,同时考虑到肋环型网格在结构顶部网格过于密集,用葵花型、K型网格平缓过渡,给出了网壳顶部为4～7圈的K型加肋环型的网格。从宏观受力角度看,这五种网壳结构区别不大,但视觉上网格略显凌乱,如图3、5所示,中部网格尺寸明显大于周边肋环型网格尺寸,连接过渡不顺畅;又如图6、7所示网格,通过增加中心部位K型圈数,改善了网格尺寸突变的不足,但K型网格与肋环型网格直接相连,出现唐突不流畅的不足;图4网格尺寸尚可,但两种网格连接欠佳。为此,在肋环型与K型之间插入葵花型,使得网格过渡更自然、柔和,获得了建筑师的认可,如图8所示。

图3 中部正向K8型4圈及第3圈扩展+肋环型

图4 中部正向K8型5圈及第3圈扩展+肋环型

图5 中部斜向K8型6圈及第3圈扩展+肋环型

图6 中部正向K8型7圈及第3圈扩展+肋环型

图8 中部正向K8型7圈及第7圈扩展+肋环型

上述图3～8的网格划分,从几何、建筑角度略有区别,但从结构受力特性看,没有本质区别,只是网格杆件长度划分不同,单根杆件截面尺寸会有不同。最后,结合建筑装饰需求,采用如图8所示中部正向K8型7圈及第7圈扩展+肋环型网格,在网壳高度4.78、10.276、15.772m处设置三条光带,体现出皇冠的高贵、珍珠的灵性、建筑的震撼、结构的美感。同时符合安全、经济、适用的要求。

建议网壳结构(中部正向K8型7圈及第7圈扩展+肋环型)的多角度视图如图9所示。具体网格划分过程为,首先将球壳的最高点设为结构中心点,高度31.922～31.342m区域划分为K8型,其中第三圈因杆件长度变化限制,作为K型网格的过渡区,形成形如皇冠的网格;高度31.129～31.342m之间作为K型网格与肋环型网格的过渡区,采用葵花型网格,高度31.129m以下划分为肋环型网格,设置斜杆,体现出流畅灵动感。通过中心点给出长轴和短轴曲线,同时考虑到按弦长等分或按弧长等分环向椭圆曲线,都不能适应杆件间夹角尽量大的加工要求。因为水平切割形成的环向椭圆曲线,如按平面等分角度,也将导致杆长的不均匀性,经试算,将平面分成4个49.375°、4个40.625°,间隔布置,从而保证杆件长度、杆件夹角之间的平衡取舍。肋环型网格径向杆件长度从顶端的1.178m变化到水平面内的1.364m,环向杆件长度从顶端的0.939m至水平面内的3.055m,杆件间夹角在23.99°～54.01°之间,基本可满足构件加工的要求。

图9 建议网壳结构的多角度视图

3 风洞试验

3.1 试验概况

本项目网壳结构本身比较复杂,并非是一个完整的球体,而且与其相连结构关系复杂,外形与《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)［9］(简称荷载规范)中的体型吻合度差。为保证结构设计的安全、经济、合理,进行了类椭球形购物中心屋面、墙面及附近建筑物的风洞试验。按相似原理的要求,在模拟大气边界层流场的风洞中进行模型测压试验,测定建筑物表面风压和体型系数等参数,得到主体结构的设计风荷载。根据工程所处的地貌特点,以1∶170缩尺比模拟了B类地貌的大气边界层风场,采用同步测压技术测得刚性建筑模型表面的压力时程,试验风向角根据建筑物和地貌特征,以垂直网壳正面为0°角,在0°～360°范围内,按逆时针每隔15°取一个风向角,共24个风向角。由于网壳结构形状复杂,将测点布置在结构的前后左右四个区域,共布置测点458个。

3.2 试验结果分析

采用100年一遇的风压0.50N/m2,考虑体型系数和风压高度变化系数后的风压值,在所有工况的测点中,屋面测点的最大平均正风压为0.581kN/m2,相应风向角为345°;屋面测点的最大平均负风压为-1.096kN/m2,相应风向角为240°。墙面测点最大平均正风压为0.534kN/m2,相应风向角为0°;墙面测点最大平均负风压为-0.507kN/m2,相应风向角为255°。综合24个风向角,结构各区域受风荷载影响较大的角度有0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°共计8个风向角,用于结构整体分析的风荷载体型系数。

典型风向角下的风荷载体型系数分布如图10、11所示。在0°风向角下,结构底部风荷载体型系数达到1.0,左右两侧局部风荷载体型系数甚至超过1.0,结构顶部局部区域风荷载体型系数也接近1.0,而背面的风荷载体型系数很小,接近0,这些均与荷载规范有较大区别。而180°风向角下,整个结构均出现了负风压,这种情况也较少发生,在设计中需特别注意。从测得的数据可见,结构的风压分布极其复杂,风压差值大,需要进行多工况下的荷载组合,对结构进行分析验算。具体风荷载的计算按文献[9]执行。

图10 0°风向角下结构风荷载体型系数

4 结构分析

本项目的网壳与幕墙、屋顶楼板相连,其中前端幕墙支撑在跨度约53m的屋顶楼板上,如何较好地实现网壳结构与楼板结构的相互支撑作用,是设计的关键点。考虑到借助于幕墙,将网壳结构杆件作为上弦、幕墙龙骨作为腹杆、楼面梁作为下弦,形成“巨型桁架结构”,由此既解决大跨楼板问题又解决网壳的支承问题。

4.1 荷载取值

根据幕墙专业提供的屋顶玻璃做法详图,计算考虑恒荷载取值为1.2kN/m2,结构自重由程序自动生成。活荷载按照不上人屋面取0.50kN/m2,水平面以上屋面活荷载考虑下列五种情况:均布荷载,左、右半跨荷载,前、后半跨荷载。此外,根据室内装修需求,需考虑悬挂吊点及遮阳布产生的活荷载,共8个悬挂点,包含3个2kN、5个5kN,遮阳布产生的荷载为0.1kN/m2。初步设计时,风荷载按照荷载规范,正向风荷载体型系数0.8,背向风荷载体型系数-0.5,顶部风荷载体型系数-0.5,取0°、90°、180°、270°四个方向角及风洞试验取值分别计算。在获得风洞试验数据后,对结构各区域受风荷载影响较大的8个角度风向角荷载,进行了补充计算。温度作用按±25℃考虑。

4.2 截面尺寸

为保证建筑美观,屋顶网壳构件截面采用箱形截面,截面分别为□250×150×10×10、□250×150 ×20×20、□350×200×12×12、□350×200×20×20、□350× 250×14×14、□400×400×20×20、□700×400×22×22、□700×400×35×35,桁架下弦对应的楼面钢梁采用H1 200×400×16×28。各构件钢材强度等级为Q390GJB。结构构件连接形式为:结构内部杆件为刚接,支座处三向不动铰。采用MIDAS Gen软件进行计算分析。

4.3 计算结果分析

网壳前端悬挑,两侧支承条件差,故在计算时网壳前端设置1榀桁架,如图12所示,桁架两端支承于主体结构型钢混凝土柱上,图13为桁架端部支座做法详图。

图13 桁架端部支座做法示意图

图14、15分别给出了风荷载按荷载规范和风洞试验取值时,最不利荷载组合(恒荷载+全跨活荷载+正面风荷载+升温工况)下结构(1榀桁架)的应力及位移结果。由图可见,风荷载按荷载规范取值时结构最大应力为311MPa,风荷载按风洞试验取值时结构最大应力明显增大,达700MPa,结构强度不能满足要求。

图14 风荷载按荷载规范取值时最不利荷载组合下结构响应

图15 风荷载按风洞试验取值时最不利荷载组合下结构响应

为解决这一问题,经与建筑师协商,在网壳前端增设1榀巨型桁架(2榀巨型桁架结构的位置见图12)得到网壳结构的计算结果如图16所示,此时结构的应力和变形均能满足安全使用要求。

图16 风荷载按风洞试验取值时最不利荷载组合下结构(2榀桁架)响应

经弹性屈曲分析计算,最不利的荷载工况为恒荷载+全跨活荷载,以图17所示的网壳结构一阶屈曲模态,计算网壳结构最不利缺陷分布。按结构跨度的1/300作为缺陷最大值更新结构模型,进行了几何非线性的稳定验算,以及考虑几何及材料非线性的双非线性分析,得到网壳结构稳定性分析计算结果,见表1。从表中可以看出,稳定极限荷载系数4.38,大于《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)［10］中2.0的最小限值,结构稳定性满足要求。

表1 网壳结构稳定性分析结果

图17 网壳结构一阶弹性屈曲模态(屈曲因子24.53)

5 结论

(1)针对单层类椭球形非规则网壳,采用kewitt型、葵花型、肋环型网格相结合的方式,实现了网格尺寸的均匀性、网格走向的流畅性,结构受力性能的合理性目标。

(2)风荷载取值对网壳结构的安全性影响较大,按照风洞试验得出的风荷载值比荷载规范风荷载值大;如只设置1榀巨型桁架,构件应力超限严重,结构强度不能满足要求,为此设置了2榀巨型桁架,经计算,结构的应力和变形均能满足安全使用要求。

(3)由网壳杆件、幕墙构件、楼面梁形成的空间巨型桁架,不仅极大地改善了网壳结构的强度和刚度,而且还解决了跨度达53m楼面的设计难题。