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【结构精品案例】全球最大整体式曲面采光顶——苏州中心结构设计

发布于：2015-08-15 10:08:15 来自：建筑结构/混凝土结构 [复制转发]

工程简介：

苏州中心项目位于苏州工业园区湖西CBD，是苏州地区在建最大商业综合体项目，占地约21.1公顷。地上建筑面积130万㎡，地下建筑面积50万㎡。地块内东侧为在建东方之门，西侧为规划两栋600m超高层。地块中轴线有地铁一号线穿过，整个地块分为南北两部分。建筑效果图见图1。

该项目建筑设计单位：英国Benoy事务所；
结构设计单位：施莱希工程设计咨询（上海）有限公司（初步设计），苏州工业园区设计院(详细设计，计算校核，数值风洞，多点激励分析，三维节点设计，各专业施工图完成）

覆盖于南北两侧4个裙房单体上的大鸟形屋面为大型单层钢结构屋面（图2），屋面总投影面积约为35000㎡，外轮廓尺寸约为470m×100m，中部跨越55m大跨度中庭，最大展开长度南北向约630m，东西向约180m。为使屋盖结构要求尽可能轻盈，整个屋面中间无任何伸缩缝。屋面结构跨越四个单体，空间几何形状复杂，长度超长，属于超限大跨空间结构，需按相关技术要求报省级超限审查。

图2 　大型单层钢结构屋面２

结构体系　
　
大鸟形屋面钢结构由三部分组成：树形柱支撑屋面和V形柱支撑的悬挂屋面和侧立面（图3）。通过在对应下部裙房结构混凝土柱的位置上设置树形柱（图4）和V形柱（图5），将大鸟形屋面竖向荷载传递至下部裙房。跨越55m的中庭部分考虑在相邻两侧混凝土结构的边缘位置设置V形支撑，将中庭作为类似悬挂结构设计。屋面结构的水平荷载，通过刚接树状柱、悬挂结构两侧V形支撑、垂直幕墙内侧水平支撑及悬挑梁传递至下部楼层的结构上。

图3　大鸟形屋面平面划分示意

图4　结构传力体系

３约束形式　　

大鸟形屋面钢结构的支座约束形式主要分为三类：刚接支座、铰接支座及带单向滑动功能的铰接支座。树状柱柱脚大部分为刚接；部分为铰接或铰接+单向滑动。树形柱和V形柱主要支座约束形式布置如图7所示。悬挑幕墙主要支座约束形式布置如图8所示。图9为树形柱和V形柱典型支座的节点构造形式。

图7　树形柱及V形柱支座约束形式布置

图8　悬挑幕墙主要支座约束形式布置

图9　树形柱和V形柱典型支座的节点构造形式　　

悬挂屋面的杆件大部分为刚接连接，仅在两端设置了适量的铰接节点（不是支座），以适应地震作用下两边结构的错动变形，悬挂屋面横向铰接点设置范围见图10。

图10　悬挂屋面横向铰接点设置范围

４构件形式　　

大鸟形屋面杆件均采用矩形钢管截面，主要杆件截面尺寸如表1所示。根据构件的实际受力情况，翼缘和腹板的厚度范围为10～50mm。树形柱和V形柱等抗侧力构件截面尺寸如表2所示。

５节点形式　　

根据不同部位构件的受力特点，构件之间的连接主要分为三类：刚接连接、销轴连接及板铰连接，连接构造见图11～13。图11　刚接连接构造

６结构分析

6.1计算模型　

　根据超限审查要点，本项目需要进行整体模型及分拆模型分析对比。

6.2网格划分　　

不同于传统曲面网格的三角形，本工程采用了刚度较小的四边形网格，其优点包括：节点类型简单、综合造价低且刚度小、更适应下部结构之间的位移差。网格划分见图14~16。

图14　精细有限元模型

图15 　自由曲面四边形网格划分

图16 　四边形网格翘曲率分布

７排水设计　　

悬挂屋面存在双曲面，坡度分布复杂。挡堰及集水沟的设置见图17，有效地改变了水流形态，避免了雨水直接从屋面流向下面的苏州大道。挡堰构造示意如图18所示，一般幕墙连接节点如图19所示。

图17　屋面排水方案示意及模拟

８风洞试验及模拟
　　
结构体型独特，形式复杂，屋面风压分布和风致响应不同于常规结构，同济大学土木工程防灾国家重点实验室以1/350的几何缩尺比对其风致效应进行了刚体模型风洞试验研究，见图20。

　　另根据超限审查专项要求，考虑到风洞试验模型的尺寸效应，专家建议采用CFD模拟进行对比分析，见图21。

　图20　物理风洞试验

图21 　数值风洞模拟　　

本工程周边建筑风场示意见图22，风环境舒适度除部分区域影响坐之外都满足舒适性要求。

图22　周边建筑风场示意９

施工方案

9.1钢结构防腐　　
由于屋面钢结构构件为外露且兼做幕墙龙骨，防腐和美观要求非常高。苏州中心位于金鸡湖边，为轻度到中等腐蚀环境。通过选择除锈、涂装等特殊方案处理，屋面钢结构涂装的维护年限可提高到25年。

9.2屋面施工　　
由于屋面区域面积较大，按照施工分区可以分为7个区（图23）。