【精品案例】建筑悬挑“怪咖”—曲靖市文化中心博物馆设计分析

位置：云南曲靖

建筑设计：厦门合道工程设计集团有限公司

方案设计顾问：时境建筑

建筑设计总负责人：黄琰

方案主创：张继元，卜骁骏

项目建筑师：林秋达, 林卫宁

建筑设计团队：郑章晗，阙正清，曾玲，丁俊峰

结构：杨玛莎、林盈盈

机电：张广宇、朱晓南、韩晓安

建造商：云南建工第四建设有限公司

造价：10999万元

面积：18800平方米

1 工程概况

曲靖市文化中心博物馆位于曲靖市东片区，是曲靖市五馆项目中最为核心的单体建筑。其建筑总面积17724. 73m2，建筑高度23. 3m。本工程地下一层，地上四层，由库房区和展厅区两部分组成，之间通过设置抗震缝分隔。库房区采用普通钢筋混凝土框架结构，结构体系规则; 展厅区建筑体型有两个特点: 

一是于 14. 5m标高的展厅采用双向悬挑、双向倾斜的造型，表现一种飞檐的动势; 

二是要求于 4. 5m标高入口平台与14. 5m 标高展厅之间，只允许单腿落地，以此表现博物馆雄壮的力量见( 图 1) 。

本工程属于扭转不规则、竖向构件不连续等多项指标不规则的复杂结构。

［1］

本工程抗震设防类别为重点设防类




，建筑结构安全等级为二级，设计使用年限




50


年，耐久年限


100


年


。


所在地区的抗震设防烈度为


7


度，设计基本地震加速度


0. 15g


，设计地震分组第三组，场地类别为


Ⅲ类; 阻尼比展厅区取


4%，框架抗震


等级一级


。

2 设计难点

由于建筑造型的独特新颖，如何在保证结构安全可靠的前提下实现建筑师的要求，是结构设计主要面临的问题


。


设计中主要存在如下难点


:

( 1) 主要构件如何确定合理的抗震性能目标。

( 2) 如何通过分析与构造保证钢结构悬挑体系与主体结

构的可靠连接


。

( 3) 如何提高不规则平面结构的抗扭性能。

 ( 4) 如何控制悬挑结构悬挑端的竖向变形。

 ( 5) 如何实现主要构件的抗连续倒塌。

基于上述问题，通过对结构体系的比选优化


、


大量的计算分析与复核，从总体概念设计到节点构造连接全面进行分析判断，最终找到较为合理的解决方案


。

3 结构体系

接成整体并形成双向倾斜的建筑造型。整个悬挑展厅的支撑结构为四根巨型钢管混凝土柱，柱最大截面为1100* 1100mm。由于造型需要，钢管柱沿X、Y向呈一定角度的双向倾斜，设计采用柱间加强斜撑的方式来保证钢管柱的刚度及稳定性。为减小悬挑结构自重及地震响应，屋面部分采用轻钢屋面，屋盖平面内通过设置水平支撑以增强其平面内刚度。在悬挑屋面的外周圈，设置一道截面较高的箱形钢圈梁以协调悬挑端的竖向变形。通过上述结构布置，结构悬挑最远点竖向变形各工况组合的最大

图2中Ha轴以南部分，结构体系为普通钢筋混凝土框架体系。该部分与悬挑钢构部分如何衔接，悬挑结构的内力如何向内传递，钢构部分与混凝土部分如何整体协作均是设计需要考虑的要点。为解决两种体系衔接问题，交接部位的Ha轴柱均设计为钢管混凝土柱，一方面利用该组合构件优异的受力性能，保证钢结构内力的有效传递，另一方面利用钢管混凝土柱

灵活的节点构造方式实现钢构件至混凝土构件的平滑过渡。在整体协作方面，由于建筑的总体造型及结构布置方式决定了结构的刚心偏向悬挑展厅一侧，质心与刚心无法重合，建筑最南侧在X向水平地震作用下扭转效应明显，个别楼层扭转位移比超过1. 5限值。

为了减小扭转效应的不利影响，在建筑最南侧采用型钢混凝土柱－单向型钢混凝土斜撑的组合桁架布置方式，以提高该部位的结构抗侧刚度，扭转效应因此得到有效降低，扭转位移比控制小于1. 4。

4 计算与分析

依据结构体系的布置方式及特点，本工程展厅区设定如下抗震性能设计目标: ( 1) 在多遇地震作用下，结构处于弹性状态。( 2) 设防烈度地震作用下，悬臂桁架支撑结构处于弹性状态。( 3) 在罕遇地震作用下，结构的弹塑性变形满足规范要求，悬挑结构不屈服。为实现结构、构件的性能设计目标，将所有构件区分为普通构件、关键构件，依据所设定的性能目标进行相应的计算分析与设计，保证结构、构件的安全可靠。同时针对可能产生的应力集中部位进行有限元计算分析，找出其中的薄弱环节，加强相应区域的构造措施。针对大跨度及长悬挑结构部位采用规范静力法进行竖向地震作用复核，竖向地震


用标准值取结构、构件重力荷载代表值的10% 。

4. 1 多遇地震作用计算分析

4. 1. 1 整体计算分析

采用PMSAP及MIDAS /GEN两种不同软件进行整体计算对比分析，结构周期、层间位移角、扭转位移比计算结果见表1、表 2。从计算结果来看，两种程序总体计算结果较为相近，结构第一平动周期、第一扭转周期以及以竖向振动为主的自振周期( 第 4 振型) 基本吻合，大跨度楼盖处竖向自振频率大于3Hz，满足舒适度的要求，结构层间位移角及扭转位移比等指

［2］ 

标也均满足规范 要求。通过对结构振动模态的分析发现前1 ～ 18振型基本呈现整体振动模态，仅个别高阶振型出现局部振动模态，说明屋盖体系空间刚度较强，结构布置较为合理。

4.5节点应力分析

展厅区悬挑桁架呈双向倾斜状，节点构造复杂，为了确保节点设计的安全可靠，避免局部部位出现应力集中，设计采用MIDAS( GEN) 软件进行关键节点有限元分析，选用的节点部位见( 图 8) ，分析结果见( 图 9) 。

节点一为桁架上弦梁柱节点，节点最大应力出现在节点域

圆弧倒角位置


( 图


9


(


a


) ) ，该部位最大应力达到


400N /mm


2


 ; 节点二为桁架下弦梁柱节点，节点最大应力出现在斜柱转角部位


。


通过上述节点应力分析可见，在圆弧过渡位置以及构件折角处易产生应力集中，设计通过在相应部位设置加劲肋，有效降低节点应力集中部位的应力水平，控制其计算值小于钢材强度值，从而避免了结构构件在极限状态下出现局部破坏


。

↑从广场入口看建筑

博物馆的入口设置在建筑体量的中心，参观者被抬升到一个实体的平台上，在空间中的一个至关重要的位置开始他们的路线。这个垂直广场是被一系列逐渐散开的台阶和与它成镜像关系的屋顶所定义的，这个逐渐悬挑出去的屋檐呈现了一个反重力的建筑宣言，带给了观者极大的惊讶感受。在此，观者体验到了巨大的空间以及变迁中的曲靖城市。强烈呈现的虚空间再一次强化了建筑主题的重量感——四万亿年厚重的历史。

↑广场

建筑并没有被同化为地段内涵的一种比喻：梯田、化石或是书法，而是用自身的形式表达在实体与抽象之间、日常的与不熟悉之间形成了一种对话。

↑西南立面

↑内凹的空间

↑细节

↑立面细部

↑花园

↑北入口

↑垂直广场

图纸与模型

↑总平面图

↑-1层平面图

↑1层平面图

↑2层平面图

↑3层平面图

↑4层平面图

↑剖面图

↑图解

↑模型

↑模型