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1、深圳市当代艺术馆与城市规划展览馆结构设计深圳市当代艺术馆与城市规划展览馆结构设计华森建筑与工程设计顾问有限公司总工程师张良平提纲的内容有11个部分，下面我分开一个一个介绍。第一，建筑与结构体系这个项目位于深圳市福田中心区市民中心的东北角，是中轴线里面的最后一个公共建筑项目。大家看到这个效果图，项目的外表皮特别的复杂，里面同样也很复杂。项目的面积不是特别大，占地3万平方米，总的建筑面积8.78万平方米。层数不多，地上是五层，一层和二层层高是5米，三层、四层、五层都是10米，总高度是40米。通过这个动画大家可以对这个项目从内到外有一个比较直观的了解。这是西面的入口，现在我们进到里面看一看效果图。这
2、是10米标高的平台，里面有个非常大的雕塑，里面还有一些垂直交通。这个是规划展览馆的部分，这个就是雕塑的背面。这是艺术馆。第二，结构体系和结构布置整个地上结构由三部分组成：表皮钢结构和表皮钢结构下面的两个馆：规划馆和艺术馆，规划馆在北侧，艺术馆在南侧。表皮钢结构会讲得多一点，因为它本身的曲面、斜面非常多。我们采用表皮钢结构的钢断面基本上采用的是箱型断面，最大的断面是1400，材料用的是390，水平构件一般都是300800，厚度是20，斜支撑都比较小，这也是建筑效果的要求。悬吊桁架基本上采用工字钢，悬挑部分钢板厚度已经用到了80。这是传力系统，两个馆之间和表皮钢结构之间的连接都非常复杂，有脱开的，
3、有连接的，相互独立又相互有关系。传力系统是框架剪力强和框架柱。10米以上所有的柱子不上去了，规划馆和艺术馆剩下四个筒体，每个馆是两个筒体，剩下的是悬挑，最大的悬挑是28米左右。屋顶和表皮钢结构连在一起，规划馆和艺术馆在主体里相互独立，外表皮、核心筒、框架柱共同组成水平传力系统。表皮钢结构的面很多，不同的面进行相交，这样的话增加了整个空间结构计算和节点的复杂性。外形上有倾斜面，北面有四十几度的倾斜，西面有一个扭曲。表皮下面承接两个独立的结构，一个是艺术馆，一个是展览馆，两边是相互独立的，之间有些连桥进行连接，屋顶又是通过表皮钢结构拉在一起。另外一个特点，这个楼是扭的，平面在扭转，这里是正的，到下
4、面大概扭转15度左右，和筒体不是垂直的，这个效果图比较清楚，这个用DP建模，绿色的是空调管，这个是扭曲的情况。表皮钢结构既作为屋盖的一部分包裹在整栋建筑物的外面，同时又跟内部建筑有不同程度、不同层次的连接。10米标高的时候和5米标高的时候外皮钢结构和主体是连接在一起，10米标高以上展览馆在这儿，和外皮的钢结构是脱开的。艺术馆三层20米标高的时候是连在一起，通过15米的悬挑和屋面的桁架连在一起。和外皮钢结构的连接也极其复杂。这个5米标高、10米标高也很复杂，我们采用了很多的型钢、混凝土柱、框架核心筒来满足要求。屋盖系统为杂交结构体系，在屋面上内部主体结构通过核心筒、悬挑钢桁架与其他区域的屋面钢结
5、构相连，共同传递竖向的水平荷载。空间倾斜、扭曲、旋转曲面造成的节点非常复杂。本建筑的结构的空间几何表达模式非常复杂，普通的CAD已经无法表达清楚，我们通过三维DP软件进行建模。三、结构的超限定位这个建筑很难用现成的规范套超限哪些内容，我们通过一些平面、竖向和规则性分析它的超限情况，认为它平面有一些不规则，主要是五层、十层标高楼板存在大的开洞。艺术馆的南侧楼板是开通的，两层通高。20米标高、30米标高相互独立，楼层之间基本上没有连接，这样对于计算、分析都会产生非常大的影响。空间形体指标竖向规则，表皮钢结构在规划馆北侧有43.3度的倾斜，南边20米标高有15米的悬挑并支撑连接屋盖的钢结构。表皮结构
6、的形式复杂，属于大型的展览馆，包含了一些扭曲、不规则、大跨、网壳而且是不同的网壳形式。表皮钢结构与内部楼层及屋盖的连接复杂，表皮钢结构在20米高在艺术馆东南侧有连接，其余部分脱开，有的时候整层有连接，有的时候局部有连接，屋面又连接为整体，定义为非常不规则的建筑。根据超限规定的文件，我们认为本工程主体分为相对独立的展览馆和艺术馆，主体与外表皮钢结构相连，联系方式多样，复杂，属于特殊形式的大型公众建筑。本工程屋盖高40米跨度最大63米，且为外表皮钢结构，其形式超出常用的空间结构形式。核心筒剪力墙中震保持弹性。规划馆20米、30米、40米的桁架最高有28米要求中震下保持弹性。结构弹性分析我们采用的程
7、序很多，基本上有四、五个程序来针对不同的目标进行分析。这是弹性模态的情况，这个结构的一些周期我们用Midas Gen和ABAQUS分析，模型还是相对准确的。这是自重荷载下的位移。这个项目存在大悬挑，我们考虑竖向地震。这是反应谱和时程对比。另外我们对一些大悬挑部分端部的节点进行了时程波作用下的位移研究。从计算可以看到时程结果与反应谱还是比较接近的。另外我们提取了规划馆的单体模型，就是扭转的模型，有一些扭转位移比，型钢、混凝土在核心筒内部的内力情况分析。这是规划馆单体的模型，扭转位移比还是控制得比较好。这个悬挑很大，基本上贯穿了整个核心筒。四、楼板竖向振动舒适度分析我们选了A、B、C、D去对楼板竖
8、向振动分析。分析结果表明楼板的振动舒适度满足设定的目标，我们也在反思是不是以后存在加震动位移的分析。五、稳定性分析钢结构、网壳结构的稳定性是非常重要的，我们也进行了大量的稳定性分析。我们的稳定性分析比较困难，它不是一个独立的壳体，和内部结构发生关系，所以我们后来把外皮钢结构独立出来以后进行了分析，这块也得到了董石麟老师空间结构研究所的支持。我们开始做特征值的屈曲分析，发现最低界的荷载系数为23-24，外皮钢结构具有很好的整体性。进一步考虑初始缺陷的几何非线性稳定分析，结果荷载的屈曲屈曲系数也是大于20。我们对荷载工况对结构稳定性的影响进行研究，不同荷载工况对结构的影响比较小。通过这些屈曲分析以
9、后我们找到构件计算的长度，工程对构件和顶部主要受力构件计算长度1.5，对水平和环向构件和斜支撑计算长度是1.2。我们委托哈尔滨工业大学做了风洞实验，设计也采用了风洞实验的结果。六、整体结构抗连续倒塌的分析我们做了偶然荷载作用下的抗倒塌分析，通过计算发现，结构还是有非常好的抗倒塌能力，关键构件不会失效。对连续倒塌进行分析，抽取了一些关键构件，之后对整个结构的稳定性和受力进行分析，也发现关键构件失效以后，结构空间作用明显，有良好的抗临时倒塌能力。罕遇地震抗倒塌分析结论是顶点位移比较小，因为也不高，属于弹性到弹塑性，结构具有良好的性能，大震下能保持良好的工作状态，可以实现大震不倒的工作目标。通过分析
10、发现安全度还是比较大的，因此我们施工阶段也觉得有些部位、有些构件还可以进一步优化，减少项目的用钢量。七、复杂节点的设计这个项目很重要的设计是节点设计，因为相交面太多，而且是不同的面相交，我们刚才也提到整个建模采用了DP软件，所有的节点分析的几何模型都是从DP上截取的。荷载我们采用MIDAS整体模型。这是典型的节点，楼层转桁架的节点，因为最多是七根杆相交，节点是非常复杂的，焊缝都需要考虑，为避免焊缝重合采用了连接件，把焊缝相对分散。这是这个节点的有效分析结果。这是钢桁架核心筒墙连接节点的有限元分析。还做了核心筒内置型钢框架的有限元分析。下面是表皮钢结构面与面相交的节点，这是两个直面的节点，建筑师
11、没有要求上下杆是对齐的，它是错位。这是三面相交的节点分析。这条勾就是曲面的勾相交，要包进两条杆，这个杆有两米多高，我们也在研究这个杆是采用圆钢管还是方钢管，还是调整这个面，减少构件的尺度，我们做施工图的时候正在研究过程中。这是另一个面的两个面相交的典型节点。八、柱脚的分析节点在不利工况下是安全的，能满足构件先于节点破坏的要求，连接可靠。节点绝大部分区域的应力保持在弹性范围内，仅有局部会产生应力集中，设计可以通过采用倒角的设计方法消除。另外一个大曲梁，我刚才说的凹槽大曲梁的节点还需进一步的优化和研究。九、整体结构的抗火分析我们选了三个不利的场景，比如说楼层悬挑端的根部、外皮钢结构的角部发生火灾时
12、的受力情况进行了分析，这是火灾情况的应力情况。通过分析我们觉得对悬挑端，特别是悬挑20多米的楼层，分析两个小时没问题，因为悬挑构件还是比较重要，所以还是要提高防火时间。表皮钢结构的耐火时间可以提高到3小时。十、施工可行性研究外皮和内部结构连在一起，按照正常的施工顺序从下到上没问题。我们关心第二阶段，主体钢结构和表皮钢结构怎么安装。上表皮分成4个片区，侧表皮分为16个片区，最后连成一个整体。悬挑楼层的施工有两种，一种是整体提升，一种是分片吊装拼接。我们做了两个方案的比较，认为还是后者比较经济，先施工核心筒之间的楼层，然后再四边延伸，就是要采用一些胎膜支撑。这是一个铸钢节点和焊接节点的分析，这个项目的相交节点非常多，而且节点是错开的，又有不同的面，所以这个节点非常的复杂，我们也考虑了一些铸钢节点，严格来说尽量少使用铸钢节点，这个在施工图要优化的。铸钢节点造价大概2-3万元/吨，焊接节点大概1万元/吨，差别还是相当大的，能用焊接节点就用焊接节点。直线构件和弯曲构件，直线构件简单一些，所以我们跟建筑师极力要求配合，因为建筑设计师是奥地利蓝天组，我们配合还是有些困难，因为他有他自己的想法，还是希望能实现一些扭曲面的效果，但是我们还是争取尽量采用直线构件，不要有弯曲构件，这是我们的施工图的设计基本指导思想。我的介绍在这里，这里面有一篇文章，其他六篇文章在论文集上。有问题探讨可以跟我们联系。
