浅析带外包装建筑物结构设计要点

马稳，张博

（中信建筑设计研究总院有限公司，武汉 430000）

1 引言

近年， 随着文旅产业的兴起， 各种大型主题乐园不断涌现。 乐园的建造，不再是简单的游乐设施的汇总，慢慢发展成：从游乐设备、建筑物到环境设施、景观都围绕某一主题而进行包装，形成一个有特定主题统领的游乐园[1]。 包装设计作为乐园主题效果的重要体现，是视觉效果的关键[2]，逐渐成为建筑设计领域的新名词。 不同于常规建筑物的设计，乐园建筑物常常需要在满足建筑功能的前提下，配合乐园主题风格，将外表设计成特有的外部形态，呈现出特有的空间效果。 这类有特殊造型要求的建筑物的设计为结构设计带来了许多挑战。 本文以国内某两大型水上乐园中的带外包装建筑物的设计工作为例，分析乐园类带外包装建筑物的结构设计要点。

2 工程概况

图1 所示为襄阳某水公园假山造型的建筑物， 山体造型复杂，横跨65.8 m，最大纵深66.6 m，山体总高度24 m，山顶设有一25 m 高飞船造型塔。 假山作为园区内的主要建筑物，山体内设有设备用房、工作人员办公用房、游客内部通道、观景平台等。 同时，假山融合了部分游乐项目，利用山体在不同高度上布置游乐项目， 山脚处懒人河与极限河两条人工河贯穿其中，正前方设有舞台及造浪池，山间还有空中激流河大型滑道“缠绕”其中，增强了乐园的趣味性和整体氛围，但也为项目的设计工作带来了难度。

图1 假山造型建筑物效果图

图2 所示为衡阳某水公园的玛雅金字塔造型的建筑物，横跨54 m，最大纵深35.9 m，总高度34.8 m。正前方为舞台及造浪池，两侧设有高22 m 构筑物造型塔，内部设有3 层建筑功能区，涵盖设备用房、配电所、工作人员办公用房、会议室、储物间等。

图2 玛雅金字塔造型建筑物效果图

3 设计策略及设计要点

乐园类带外包装建筑物的设计不仅仅是要考虑外部形态、表皮视觉效果的实现，还需要兼顾内部功能、消防疏散、游乐设备安全等建筑需求。 可以将这类建筑物的结构设计工作拆分为3 部分：主体承载体系可设计为钢筋混凝土框架，满足内部建筑功能的需求；基于主体框架，顺着包装造型在框架上灵活布置不规则的主钢结构； 次钢结构及包装材料支撑于主钢结构上，完成表皮造型。

3.1 主体框架结构

基于包装设计公司提供的表皮， 建筑按照需要的层高对表皮进行剖切，得到每层边界线，与边界线保持足够的距离布置各层功能用房，保证建筑功能用房藏于表皮下。 根据建筑平面图建立主体混凝土框架， 同时对于表皮内部较大空间处也添加混凝土梁、板、柱作为主框架，减少钢结构的用量。 对于一些空间不规则表皮， 需借助三维软件辅助建模， 如3DMAX、Rhino 软件。

在设计混凝土主体时， 对于作用在主体上的包装荷载如何考虑是设计关键。 一般可以采取两步走来设计钢筋混凝土主体结构：第一步，通过包装造型展开面积投影到作用范围来等效计算出作用于混凝土主体对应位置的荷载（面荷载或线荷载），计算出钢筋混凝土主体结构的构件尺寸及配筋；第二步，是待与混凝土主体相连的主钢结构计算完成后，提取主钢结构与混凝土主体相连处的支座反力， 加载于混凝土主体实际作用处，完成钢筋混凝土主体的复核计算。 通常对基础、梁、柱的设计，第一步计算已经能完成设计；对于板的设计，需取两次设计的包络值设计。 但对于特别高耸及重要钢结构，应将其与钢筋混凝土主体整体建模计算。

3.2 主钢结构

根据前述第一步计算得到的钢筋混凝土主体结构的构件尺寸建立实体模型，利用3DMax（或Rhino）软件导入包装表皮下， 下一步需在规则的混凝土主体与异形扭曲的造型外表皮之间架建立主钢结构体系。 采用在混凝土主体上立钢竖杆的方式进行Z 向找形，钢竖杆横纵间距控制在3～4 m，各钢竖杆高端按照顶端与表皮的距离按照包装设计单位的要求放样（一般离外表皮400～800 mm 范围由包装设计单位搭次钢结构体系完成）。 针对异形结构建模的复杂性，在项目中引入参数化建模技术， 利用Rhino+Grasshopper 平台对包装模型进行参数化处理，考虑包装内退距后建立结构控制面，调整参数控制平面X、Y 方向的竖向构件水平间距， 通过内部点阵投影，得到结构控制面上的控制点，与底部连线后得到各层所有的竖向构件轴线；调整参数控制Z 向的水平构件垂直间距，得到水平构件轴线。 之后将得到的主钢结构线模与混凝土主体结合在一起， 对局部进行调整， 并根据计算需要设置斜向支撑。 图3 为假山造型建筑物内部主体混凝土框架及主钢结构示意， 图4 为玛雅金字塔造型建筑物内部主体混凝土框架及主钢结构示意。

图3 假山主体混凝土框架+主钢结构示意

图4 玛雅金字塔主体混凝土框架+主钢结构示意

3.3 次钢结构及包装

前述主钢结构与包装外表皮的距离控制在400～800 mm，包装单位根据表皮做法搭建次钢结构体系（钢龙骨+钢丝网等）来支撑包装材料，以完成表皮造型。 按照包装造型特点，常用的包装材质有：FRP （玻璃钢）、TCP （玻璃纤维增强混凝土）、GRC（水泥直塑）等。 各包装材质特点、重量及主要运用场景如下。

1）FRP 俗称玻璃钢，质量轻、强度高、耐腐蚀、可设计性好等， 一般用于制作各种复杂的造型。 玻璃钢造型厚度一般为6～10 mm，荷载标准值折算约0.35 kN/m2。

2）GRC 即玻璃纤维增强混凝土， 一般用作造型的外挂预制件、屋面瓦及大样线条等。 GRC 预制件厚度一般35～45 mm，荷载标准值折算约1.2 kN/m2。

3）TCP 亦称作水泥直塑，一般用来制作仿真木材、石材等造型。 TCP 造型厚度一般50～120 mm， 荷载标准值折算约1.5～2.5 kN/m2。

以上荷载为包装材质自身重量， 设计时还需考虑次钢结构的重量，次钢结构荷载通常可考虑0.5 kN/m2；计算包装荷载时需按照包装造型的展开面积来计算，造型复杂、凹凸不规则等无法统计的情况应适当考虑1.2～1.5 的荷载放大系数。 此外，设计时还需注意考虑凹凸造型处冰冻积雪的不利影响；出屋面造型塔等高耸包装造型需在一定范围内预留施工荷载。

3.4 关键节点

主钢结构焊接于混凝土主体上的预埋板，预埋板可以采用预埋或者后锚固措施固定于混凝土主体结构上。 钢竖杆底端焊接于混凝土主体板面、梁面设置的预埋板上，并设有400 mm高混凝土保护墩， 图5 所示为典型的钢竖杆与板面预埋板连接处剖面示意；钢竖杆侧边或钢斜杆上端与梁侧、柱侧设置的预埋板连接，连接处设置长圆孔构造，释放竖向位移，避免钢构件在温度变化下伸缩而引起主体构件的二次受力破坏，图6 所示为典型的钢斜杆与梁侧预埋板连接处剖面示意图。

图5 钢竖杆与板面预埋板连接处剖面示意图（单位：mm）

图6 钢斜杆与梁侧预埋板连接处剖面示意图（单位：mm）

3.5 防腐及防火要求

考虑到包装钢结构的使用环境， 根据JGJ/T 251—2011《建筑钢结构防腐技术规程》[3]，包装钢结构腐蚀性等级定为Ⅳ级（中腐蚀），耐久年限为15 年以上。 同时，考虑到包装钢结构隐藏于包装表皮下，不便于检修与维护，故对于包装钢结构防腐及防火涂装的设计不同于普通钢结构工程。 表1 所示为本工程项目设计说明中对于包装钢结构防腐及防火涂装要求，从表1 中可以看出防腐涂料中间漆远高于JGJ/T 251—2011《建筑钢结构防腐技术规程》附录B 给定的参考值，同时不设面漆层。

表1 包装钢结构防腐及防火涂装要求

4 结语

包装设计逐渐成为建筑设计领域的新名词， 不同于常规的设计，包装通常是造型各异、异形扭曲，这为整体的建筑效果带来了许多灵动和特色，同时也为结构设计带来许多挑战。当前随着参数化建模技术的发展， 为结构设计工作提供了便利，如利用Rhino+Grasshopper 平台对不规则的非线性建筑造型进行处理，能自动生成网格线用于结构建模，大大提高了结构工程师的建模效率。 但对于像假山一类还需融合其他设备的乐园建筑物， 外包装表皮下结构模型的建立还需结合建筑功能，依靠软件参数化自动建模还不足以完全自动化，需根据建筑功能对参数化建模成果进行局部调整， 特别是对于一些复杂功能区域，人为判断尤为重要。 本文以两个带外包装建筑物的设计工作为例， 对带外包装建筑物结构设计要点进行了阐述，相关设计思路可为类似项目提供参考。