奥意建筑：TCL某产业总部四面月牙拱造型结构设计难点、重点及要点等剖析

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项目名称：TCL先进半导体显示产业总部

建设单位：TCL华星光电技术有限公司

方案设计联合体： 肃木丁/奥意建筑

施工图设计：奥意建筑

PART 0 1      

     

项目概述    

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TCL先进半导体显示产业总部项目位于深圳湾超级总部基地北门户，地上1栋塔楼，塔楼建筑高度99.65米，地上20层，地下3层，埋深16.55米。塔楼功能为企业办公、员工食堂、商业、文化设施。项目总建筑面积为7.0万平米，地上4.9万平米，地下2.1万平米。建筑方案特点主要有1~7层四面月牙拱造型，中庭布置以及屋面阶梯型的景观造型。

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PART 0 2      

     

结构赋能建筑方案

优化前拱结构方案  

优化后拱结构方案  

本项目结构的重难点在于四周拱结构的设计。方案初期，月牙拱采用了拱桁架结构体系，即上下拱直接采用斜腹杆协调整体受力。随着奥意建筑结构团队深度介入，充分利用上拱的矢跨比大的优势，对原拱桁架结构进行了优化：取消上下拱之间的斜腹杆，上部外框柱荷载仅由上拱承担，下拱仅承担四层楼面荷载，减小下拱尺寸，并且能够扩展月牙拱之间的视野空间。考虑到上下拱不在同一平面内，采用单拱转换受力直接清晰，节点做法设计更为简洁。拱结构形式的优化，带来了结构与建筑的完美融合。  

  

月牙拱楼面布置  

取消上下拱之间的斜腹杆带来了月牙拱区域跨度大的问题，其中五层跨度约23米，六层跨度约17米，并且板边线内凹，无法布置外框梁。结构布置上转换思路，通过设置主钢梁与上拱、核心筒两端刚接，两侧主梁之间设置垂直方向的大跨度次钢梁，解决了月牙拱区域大跨度问题。并且结构上既提高了上拱的面外稳定性，也提高了外框拱与核心筒之间的协同工作能力。最终实现月牙拱的简洁立面造型和开阔的视野空间。  

PART 0 3      

     

结构体系构成    

  

项目结构为钢管混凝土柱+底部拱结构框架（钢梁）—钢筋混凝土核心筒，结构高度为99.1米。外框柱采用钢管混凝土柱，10根框架柱落地，15根框架柱由上拱转换。底部四榀拱结构由上下拱和拉梁组成，其中上、下拱不在同一平面内，相差15度。上下拱结构与落地的外框柱共同汇交成“巨柱”落下去，共计8根，截面为1300x2000x50“日”字型钢管混凝土。设置水平拉梁来平衡上下拱水平力，其截面为方钢管口1300x1300x50。核心筒为双筒布置，筒内采用钢筋混凝土结构，核心筒外楼盖采用钢梁+钢筋桁架楼承板。标准层钢梁与外框柱刚接，与核心筒铰接。
 

  

核心筒分为双筒布置，两个核心筒通过15.3米跨度的混凝土梁相连，双筒之间的楼板开洞形成11x17米的采光天井。  

PART 0 4      

     

结构设计要点分析    

底部拱结构对结构整体的影响  

从框架、拱结构及核心筒在地震作用下的倾覆弯矩和剪力分配可知，在1~6层的拱结构承担了大部分的倾覆弯矩及剪力，特别是拱结构和外框柱共同组成的外围抗侧竖向构件（外框拱）在首层X向承担了62.5%的倾覆弯矩，Y向承担74.8%；在首层X向承担了49.6%的剪力，Y向承担62.6%。说明外框拱是底部楼层的主要抗侧力构件，并且考虑转换上部外框柱，因此其抗震等级提高为一级。塔楼七层以上，核心筒承担了大部分地震作用下的倾覆弯矩以及剪力，并且七层剪力墙分担的层剪力突增，因此约束边缘构件伸到八层楼面进行构造加强。

竖向荷载下拱结构受力

    1.3D+1.5L作用下楼板轴力

在竖向荷载作用下，上拱的内力以轴力为主，最大出现在拱脚，除外框柱相连位置弯矩较大外，其余部位弯矩较小，说明上拱形状趋向于合理拱轴线，也验证了本工程采用单拱转换形式的合理性。下拱由于只承担2~4层楼面荷载，内力相对较小。位于地下室顶板的拉梁起到平衡水平推力的作用，其最大轴拉力达到9153kN，2~7层的与拱结构相连的外框梁均出现了明显的轴力，分担一部分拱结构的水平推力。

拱结构底部的楼板与拉梁共同协调变形，由于平衡拱结构的水平推力，楼板沿拉梁方向出现较大的拉力，针对此问题采取“抗放结合”的措施。“抗”的措施为：在沿着拉梁方向两侧5m范围内设置16@150的抗拉钢筋。“放”的措施为：拉梁与拱脚相交处楼板待主体结构封顶后再浇筑，释放大部分竖向荷载下产生的楼板拉应力。

外框拱与核心筒内力重分配

    中震作用下七层楼板轴拉应力分布

水平荷载作用下，底部1~6层的外框拱（拱结构+外框架）承担了大部分的楼层剪力，而7层仅有外框柱，导致7层核心筒分担的剪力增大，需要通过7层楼盖协调外框和核心筒的水平剪力重分配，从而导致楼板产生较大的剪切应力。通过6层和7层核心筒所分配剪力的差值，得出七层楼板协调外框拱和核心筒所传递承担的剪力值，需要核心筒与外框之间的楼板和连接钢梁抵抗此部分的剪力。7层楼板板厚取180mm，配筋双向双向12@150，为保证核心筒外四周楼板剪力的有效传递，在剪力墙上预留埋件焊接抗剪键。7层楼面斜交筒框梁与核心筒刚接处理，按照压弯构件验算其应力比。

关键节点分析

针对拱结构转换外框柱，选取以下三个关键节点进行分析：

1）节点A：上下拱底部与落地外框柱、拉梁汇交的节点；利用外框柱的壁板下插把巨柱分为两个腔，巨柱的截面为“日”字型，此截面可以减小内灌混凝土的体积收缩，并且增加了钢管与混凝土的接触面积。拉梁宽度同上拱和外框柱的宽度，均为1300mm，汇交的钢管内每隔1.5m设置横隔板，横隔板开洞以便内灌混凝土的连续性，并且横隔板也能协调钢管与混凝土的竖向受力。由于下拱受力较小，并且与上拱斜交，故采用相贯节点连接。

2）节点B：外框柱落于上拱中部的节点，采用加腋处理外框柱与上拱斜面相交，并且在上拱内设置与外框柱侧壁对应的水平隔板和竖向隔板，外框柱与上拱保持同宽。

3）节点C：外框柱落为上拱顶部的节点。在两根框架柱间距范围内的拱面设置侧壁和盖板使其平至七层钢梁顶面，并且可以拉结两根框架柱，以平衡两根外框柱与上拱斜交产生的水平力。

节点A钢材最大应力为249MPa，出现在巨柱左端，其余大部分应力为145MPa以下；节点B钢材最大应力为216MPa，出现在外框柱与上拱相交处，其余大部分应力处于140MPa以下；节点C钢材最大应力为133MPa，出现在外框柱与上拱相交处，其余大部分应力处于88MPa以下，整体钢构件应力分布较为均匀。三个节点混凝土最大压应力值32.1MPa，与钢材应力分布相似，其余部分压应力基本处于20MPa以下；混凝土最大拉应力为1.39MPa。节点的承载力满足大震不屈服的性能目标，并且构造合理受力均匀。

大量工程实践表明，钢管混凝土拱桥存在着较为普遍的脱粘现象，脱粘处的空隙厚度一般较为均匀且不大，多为1~3mm左右，脱粘部位以拱顶上部最为严重，1/4拱肋也存在一定程度的脱粘，但拱脚截面极少。考虑到本项目上拱的矢跨比远大于常规钢管混凝土拱桥，并且在主要节点区的钢管内壁设置加劲肋和栓钉来协调混凝土的受力，因此偏保守地对节点A中混凝土所承担的轴力按照50%进行折减，所折减的轴力由钢管承担；对于节点B和节点C，偏保守不考虑混凝土的作用，所受外部荷载全部由钢管承担。计算结果表明，节点A钢材最大应力348MPa，节点B为318MPa，节点C为272MPa，考虑脱粘效应后的节点均能保证不屈服。

拱结构稳定性分析

用Midas Gen针对拱结构进行非线性屈曲分析，考虑了初设缺陷和几何非线性，得出拱结构在重力荷载下的极限稳定承载力与重力荷载的比值约为11.5，有较大的富裕度，也说明拱结构在各楼层设置的面内外联系钢梁有效提高了其稳定性。此外还进行了施工模拟分析和楼盖舒适度等专项分析。

    现场施工照片

拱结构封顶

核心筒封顶

锯齿形钢模板

TCL先进半导体显示产业总部项目正如火如荼建设中。项目建成后，将有助于构建半导体自主协同全产业链，带动整个半导体行业的进步与发展。

来源：奥意建筑。