【结构精品案例】“航空母舰”与“木棉花”结合体：广东科学中心复杂空间网格结构设计

远看如一艘正待起航的航空母舰

俯瞰如怒放的木棉花（广州市花）

近看如探索世界的眼睛

图1 建筑实景

2  下部主体结构布置

大屋盖下部A，B区主要是主入口门厅和中庭，主体结构采用现浇预应力钢筋混凝土框架-剪力墙结构，其结构平面布置图见图2~4。

图2  A，B区2层平面图

图3  A，B区3层平面图

图4 H区网壳支座平面图

3  H区屋盖结构选型与布置

广东科学中心H区屋盖为复杂空间网格结构，两个方向长度分别为208m和184m（没有分缝），水平投影面积为19017㎡，展开面积为22256㎡。网壳由建筑前部（A区及部分B区）上部的H1区和中庭采光屋盖（B区及部分A区）上部的H2区两部分组成，连为一个整体（图5）。

图5 H区屋盖网壳整体模型

H1区屋盖曲面为不规则平移曲面，其母线和导线均为变曲率不规则的样条曲线，曲面高差达41m（图6）。采用双层四角锥钢网壳（局部采用三角锥网格过渡），节点为空心焊接球节点。网壳支撑形式为下弦多点支撑（两侧翼的角部采用上弦支撑）。

图6  H1区屋盖曲面成形示意

H2区中庭屋盖为沿X轴对称的直纹曲面，曲率变化较大，中部与水平面夹角约为18°，逐渐过渡到两端与水平面垂直，最大横向跨度为70.3m（图7）。为满足建筑采光功能的要求，采用双向斜放斜交桁架构成双层网壳，上下弦曲面内设置斜撑以加强网壳的稳定性。其厚度为2.5～3.5m（变厚度）。H2区网壳上部布置有六道弧形遮阳板桁架，遮阳板桁架支撑在H2区网壳上弦节点上；为便于屋面系统的安装和防水处理，H2区网壳采用竖腹杆贯通的圆钢筒节点。

图7  H2区屋盖曲面成形示意

H1区网壳为H2区网壳提供了弹性水平支撑，同时H2区网壳为H1区网壳提供了弹性竖向支撑。H区复杂空间网格结构的整体空间轴测图、上弦布置图、平面投影图以及侧视图见图8~11。网壳杆件及焊接空心球均采用Q235B（部分无缝钢管改为20号钢），网壳支座采用Q345B。

图8  H区网壳的空间轴侧图

图9 H区网壳上弦布置图

图10  H区网壳水平投影图

图11  H区网壳竖向平面投影图

4  遮阳板的布置与构造

中庭网壳上部布置有六道巨型弧形遮阳板，横截面为梭形，遮阳板最大厚度为900mm，遮阳板宽度由中间的9m逐步过渡到端部3m左右；这是本工程网壳结构的一大特点。由于遮阳板过于巨大且无法与网壳之间实现浮动连接，因此，遮阳板结构与钢网壳构成整体共同受力，遮阳板实际上成为网壳的加强肋，不能作为普通装饰构件对待。遮阳板在整体网壳中的空间布置及位置见图12，13。

图12 遮阳板空间轴测图

图13 遮阳板侧视图

6层遮阳板的构造形式相同，以第6层遮阳板为例，其整体结构以及横截面的梭形桁架见图14，15，图16为遮阳板的施工图片。

遮阳板空间桁架由梭形主桁架、梭形次桁架和弧线形内外侧向桁架交叉连接组成，并通过连接于梭形主桁架中部的V形撑和连接梭形主桁架后座的变截面箱型撑杆支撑于中庭网壳的竖腹杆顶端上。梭形主桁架弦杆、腹杆均为方钢管，梭形次桁架和侧向桁架的弦杆、腹杆均为圆钢管。其桁架相交节点均为相贯焊节点。

图14 第6层遮阳板平面投影图

图15 遮阳板主桁架结构图

图16 遮阳板桁架施工照片

5  圆钢筒节点的设计与分析

H2区网壳为采光屋盖，且上部遮阳板桁架支撑在网壳上弦节点上。采用焊接空心球节点会导致屋面系统安装和防水处理困难，且难以平衡遮阳板主桁架尾部推力产生的弯矩。因此本工程采用竖腹杆（Ф299～Ф351）贯通的圆钢筒节点，圆钢筒节点壁厚为20~50mm，网壳上下弦杆件和斜腹杆与竖腹杆端部的圆钢筒节点通过相贯焊缝连接。节点处竖腹杆内部采用加劲隔板加强，加劲隔板的厚度有关规定确定。图17为一典型上弦圆钢筒节点，图18，19为下弦节点。

图17 圆钢筒上弦节点

图18 圆钢筒下弦节点

图19 圆钢筒下弦节点实景

本工程对这类圆钢筒节点进行了多个静力足尺试验和弹塑性有限元分析。其中H2区上弦2492号节点试验照片见图20，结果表明，试验数据与有限元计算结果吻合较好，节点的破坏模式为支管弹塑性屈曲破坏，且在要求的设计荷载作用下是安全的。

图20 圆钢筒节点试验

6  支座节点设计

屋盖网壳支座平面布置见图4。H1区网壳支撑形式为下弦多点钢筋混凝土柱支撑（两侧翼的角部采用上弦钢筋混凝土柱牛腿支撑）。由于网壳周边均为大跨度悬挑结构，在各风向风荷载作用下，支座上拔力较大，在支座上拔力较大处钢筋混凝土柱内设置竖向预应力筋并施加预应力以平衡风荷载产生的上拔力。图21为网壳抗拔支座照片，图22为网壳抗拔支座设计示意图。

图21 H区网壳支座

图22  H区网壳抗拔支座设计示意图

H2区网壳支撑在标高为28.000m的屋面环梁上。大部分为上弦周边支撑，其余为上弦和下弦周边支撑。为满足支座水平承载力的要求，用Φ245x12斜撑平衡支座垂直于网壳边沿弧线方向的水平力，而平行于网壳边沿弧线的水平力由支座间上翻混凝土梁平衡，支座形式详见图23，24。

图23  H区网壳支座平面布置

图24 H区网壳支座剖面图

本工程造型极其复杂且带有巨型遮阳板，给网格结构布置、抗风设计及节点设计带来很大挑战。新型圆钢管节点的试验分析研究和应用以及预应力抗拔支座的应用对同类工程具有较大的参考价值。