案例赏析 | 一条200米长钢结构“大鲸鱼”的诞生

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来源:建筑结构 作者:路江龙 如有侵权请联系删除 庄子有云:北冥有鱼,其名为鲲,鲲之大,一锅炖不下 业方粑粑和建筑师听闻,心向往之,日夜思之,于是决定在太湖边上“养”一条200米长的“大鲸鱼”。 而对于结构工程师来讲,如何将这条漂浮水面、体量巨大、奇思妙想的自由曲面钢结构“鲸鱼”稳稳滴“绑”在岸边,是件极具挑战和尝试的任务,那么这条钢结构鲸鱼是如何诞生的?

来源:建筑结构

作者:路江龙

如有侵权请联系删除

庄子有云:北冥有鱼,其名为鲲,鲲之大,一锅炖不下


业方粑粑和建筑师听闻,心向往之,日夜思之,于是决定在太湖边上“养”一条200米长的“大鲸鱼”。

而对于结构工程师来讲,如何将这条漂浮水面、体量巨大、奇思妙想的自由曲面钢结构“鲸鱼”稳稳滴“绑”在岸边,是件极具挑战和尝试的任务,那么这条钢结构鲸鱼是如何诞生的?


1 项目概况


亨通水乐园位于苏州市吴江区西北部,东太湖沿岸。项目致力于打造集温泉养生、生态休闲、文化娱乐、艺术交流、健康运动及水上互动等功能于一体的室内主题水乐园,并成为东太湖新地标。

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造型灵感源自“浮在水面的鲸鱼”。项目地下1层,主要为车库及设备用房,建筑面积约为1.25万m2。地上左侧为康养区共4层,中间为大空间室内游乐区,右侧为接待办公区。地上建筑面积约为2.22万m2。

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自然界中的鲸鱼最长可达33.5米,这条“浮在水面的鲸鱼”体量可大多了,从“头”到“脚”投影长度约为200米(≈7条最大鲸鱼长),宽约80米,高约24米,由自由曲面屋盖结构将左右两个区容纳其中,并为中间室内水世界游乐区提供了无柱大空间。

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自然界中鲸鱼靠着巨口来觅食,对于这条钢结构“鲸鱼”,“巨口”放在了“鱼肚”和“鱼尾”连接处,同时入口区域需要跨街,跨度为30m,并需要保证10m的净高要求。

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鲸鱼靠着内外水压平衡来撑起自己庞大的躯壳,而对于“浮在水面的鲸鱼”——亨通水乐园,(特别是屋盖部分)需要建立“坚硬”的“躯壳”来漂浮在太湖边上,在形体上为不规则大跨空间结构,矢高比约1/4,表面积约12,000m2,所以结构有如下特点:

1)为了模拟鲸鱼形态,屋盖外表皮必须光滑连续,为异形空间曲面;

2)鱼腹需要提供大空间,即屋盖跨度大,中间需要形成76m的无柱大空间;

3)屋盖形体复杂,需要进行形态优化分析;

4)跨街入口区域面积大,跨度大,需要设置空间转换桁架;

5)屋盖边界条件复杂,不仅与两侧混凝土结构连接,同时部分区域需要支撑在转换桁架上。

6)设计中为充分考虑下部和上部结构的相互影响,计算采用总装模型计算。

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2  结构体系


选择屋盖整体结构主要由屋盖部分(鱼头和鱼腹),跨街桁架部分(入口)和支承部分组成。支承部分由落地钢柱、落地V型柱和树杈撑杆(支承于混凝土结构)组成。为实现建筑整体性和美观性,整个屋盖不设伸缩缝。

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2.1  结构难点:形态优化


如何将建造师天(hu)马(xie)行(luan)空(hua)的建筑想象图,转变为实实在在的钢结构“鲸鱼”,是结构工程师的重(tou)大(teng)挑(zhi)战(chu)。可以用四个模型来讲明如何将建筑屋盖转变为受力合理的结构屋盖。


模型一:原建筑外形(建筑师心中的屋盖)。

模型二:结构初步找形(结构师心中的屋盖)。采用Rhino、Grasshopper和结构工程师自己开发的代码,基于应变能,找出结构受力更为合理的曲面形态,该模型外形与原建筑外形改动较为明显。

模型三:结构工程师和建筑工程师和(ji)睦(lie)讨论过程。权衡原建筑曲面(模型一)与结构优化曲面(模型二),拟合出中间形态曲面。

模型四:结构工程师自我优化过程。考虑与下部结构关系及结构受力更优形式,在模型三基础上迭代调整。形成最终的结构形态。


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2.2 形态优化详细过程


首先对模型快速试算。选用三角形网格(边长为3m左右),统一采用方钢管口400×200×12截面,加必要约束及恒荷载,对不同模型的位移、轴力、弯矩和屈曲模态等特性进行了分析对比。

模型二位移和杆件受力均较小,形态优化效果显著;模型三与模型四在兼顾建筑造型的同时,受力优化效果明显。

最终以模型四对原方案和现方案曲面进行剖面线对比,最大处相差2m,统一性保持较好,最终修改方案满足建筑师要求。通过适当的优化,结构位移最大可减少60%,杆件受力最大可减小约50%。


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2.3 屋盖结构形式选择


大跨网壳实现形式有单层铝合金网壳结构、单层钢网壳结构、双层钢网壳结构等方案,初步设计中对三种方案进行了综合比较和定量分析。

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通过与抗震专家、建设方和建筑师反复沟通研究,最终采用单双层混合网格钢结构,既满足建筑功能和效果要求,同时达到经济性能最优。

康养区上空距离屋盖较近,结合树状柱,采用单层四边形网壳钢结构,建筑效果和结构经济性优;

游乐区上空采用双层四边形网壳钢结构,双层壳高度为2m(跨度的1/38) ,杆件截面小,四边形玻璃通透性好,同时结构经济性更优;检修马道设置在壳体厚度以内。

入口区上空采用考虑净空要求,采用单层四边形网壳钢结构。


2.4  屋盖网格形式与具体构造


屋盖采用四边形网格形式,划分时综合考虑建筑美学要求和结构受力特点,并兼顾与下部结构关系;上覆玻璃幕墙,在网格划分时充分考虑翘曲率对玻璃造价的影响,最终控制最大翘曲率为1.4%。防止玻璃安装时候产生热弯。

为了让单层网壳和双层网壳共同工作,单层网壳周圈设置方钢管封边梁,双层网壳两侧设置三角形封边桁架,封边梁与封边桁架形成闭环;对单双层交接处的边榀双层网壳杆件截面进行加强,有利于单双层过渡区变形协调。


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跨街桁架(入口处)结构形式

跨街桁架区域共有6榀主桁架。中间榀采用平面桁架,跨度30m左右,桁架高度3.2m;两侧由于与上部单层网壳距离较近,桁架高度受限,故边榀采用正放四角锥立体桁架,跨度36m左右,桁架高度2.2m。

另外,由于幕墙造型需要,边榀桁架两侧设置一些挑出桁架,形成幕墙曲面。

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支撑条件

1)中部双层网壳两侧通过封边桁架过渡,采用落地V型柱铰接于地面,V型柱柱高在4.5~8米不等。

2)鱼头单层网壳采用树杈撑杆支承于下部混凝土结构。3)鱼尾单层网壳采用树杈撑杆支承于跨街桁架上弦杆和落地钢柱。4)单双层交界处树杈撑杆支于双层下弦,并通过过渡撑杆支撑单层网壳。采用橡胶支座,可以释放温度应力,和不同刚度带来的不同位移。5)跨街转换桁架左侧支承于落地钢柱,刚接于地面;右侧采用有水平刚度的橡胶支座支撑于下部混凝土结构。

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3 结构分析


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3.1  荷载取值


根据荷载规范,恒荷载:屋盖部分取1.0kN/m2,跨街桁架区域为2.0kN/m2,考虑节点重量,将自重放大1.1倍;活荷载取0.5 kN/m2;雪荷载:屋盖部分取0.45kN/m2,跨街桁架区域为0.9kN/m2(跨街桁架区域与钢屋盖壳体存在高差,积雪荷载较大);


温度荷载:升温最终温度46℃,降温最终温度-10℃;

地震作用:抗震设防烈度:7度,水平地震影响系数设计基本地震加速度值为0.1g;设计地震分组为第一组;场地类别Ⅳ类;特征周期0.65s。

风荷载:考虑不同方向风荷载进行整体计算,地面粗糙度:A类;基本风压:0.50kN/m²(100年);风振系数:2;体型系数:迎风面风压0.6,背风面风吸-0.5,顶面风吸-0.8;风压高度变化系数:顶点最不利点1.6。


3.2  设计目标


本工程计算分析采用MIDASGEN、SAP2000和ABAQUS等软件。

1)构件在各工况荷载及多遇地震效应组合下保持弹性工作状态;

2)关键构件(封边桁架+落地钢柱及V型柱)在中震效应组合下保持弹性;

3)落地钢柱及V型柱的设计应力值不超过能力值的0.8;

4)其他钢构件的设计应力值不超过能力值的0.85;

5)钢屋盖无明显的“层”概念,采用横向作用下绝对变形值≤H/500=49.4 mm;

6)跨街桁架、单层网壳最大竖向变形值≤L/400;双层网壳最大竖向变形值≤L/250;

7)1.0恒载+1.0活载作用下弹性屈曲因子≥10;

8)对整体钢屋盖进行二阶P-?弹性分析及双非线性整体稳定分析,保证结构正常使用及承载能力安全要求;


3.3      主要截面尺寸


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3.4   阻尼比取值


钢屋盖部分支撑在下部混凝土结构之上,部分支撑于钢柱上,阻尼比取值采用《抗规》“振型阻尼比方法”。因为采用的是应变能法来进行结构优化,所以结构的阻尼比提取是在一个范围,结构前五阶振型以钢屋盖振动为主,对应的周期在0.7~1.0s,振型阻尼比约在0.022~0.035之间,设计时偏安全采用0.025阻尼比。



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3.5  屋盖结构屈曲模态


钢屋盖整体结构屈曲因子,1.0恒载+1.0活载作用下大于15,1.2恒载+1.4活载作用下大于10,冗余度良好。作为单双层网壳,屈曲模态还是较好的。

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3.6  争议点:什么样的大跨钢结构做直接分析?


新钢标中5.1.9中规定“以整体受压或受拉为主的大跨度钢结构的稳定性分析应采用二阶P-?弹性分析或直接分析”。本工程没有根据新钢标采用直接分析法来进行分析,因为结构工程师认为双层网壳中杆件缺陷对整体稳定性分析影响效果不大,因此只进行了二阶P-?弹性分析,引入整体缺陷,考虑双非线性进行整体稳定分析,结构安全系数大于2.0。

荷载荷载系数2.0时,对应整体结构变形约为140mm。

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3.7  连续倒塌分析


根据承载力计算结果,选取最不利V柱,拆除此杆件模拟杆件完全破坏,进行连续倒塌分析;参考美国规范,选用2.0(D+0.25L)的静力分析工况,钢材强度取屈服强度;拆除最不利V型柱后,仅部分杆件承载力不足(多为斜腹杆),最大应力比1.313,破坏面积很小,判定结构抗连续倒塌能力较好。

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3.8  支座变形


跨街桁架通过橡胶支座连接与混凝土结构上,橡胶支座为关键构件,罕遇地震作用下橡胶支座的最大允许变形为Min(0.55D,3H)。经比较最不利工况为1.35恒+0.98活+升温作用和1.20恒+0.60活+1.30EX+0.50EZ。结果表明地震工况不起控制作用,结构位移符合支座限值要求。

罕遇时程下,可得橡胶支座处最大水平位移为34.2mm,变形较小,满足支座使用及安全要求。


3.9  连接方式


双层网壳钢件。双层网壳部分杆件轴力设计值小于300kN时,使用螺栓球节点;超过300kN时,采用焊接球节点。单层网壳连接。层网壳杆件均为方钢管,避免焊缝堆积,杆件之间采用圆管节点过度。

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树杈撑杆与单层网壳杆件连接。采用销轴节点,销轴连接于网壳圆管节点上。

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树杈斜撑杆与树杈竖柱连接。树杈竖柱与树杈斜撑杆均为圆管截面。由于钢屋盖尺度大,为释放温度应力,部分树杈撑杆柱脚可滑动,释放水平位移;其余支座采用刚接形式。

树杈竖柱与混凝土结构连接。刚接:竖柱直接埋入混凝土柱内。铰接(沿X向滑动):采用抗震球形钢支座,水平X向滑动,释放水平位移。

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树杈斜撑杆与混凝土结构连接。刚接:使用插板节点,用预埋钢骨刚接于混凝土柱顶。铰接(沿X向滑动):采用抗震球形钢支座,水平X向滑动,释放水平位移。

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3.10 竖向变形


网壳部分跨中最大竖向位移值约为63.7mm,跨度约为76m,经计算63.7/76000=1/1193,满足竖向变形指标要求。

跨街桁架最大位移值约为76.9mm,出现在边榀桁架,此榀桁架跨度约为36m,经计算76.9/36000=1/468<1/400,满足竖向变形指标要求。

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3.11 水平变形


钢屋盖无明显的“层”概念,设计中定义绝对水平变形限值≤H/500=49.4 mm;钢屋盖在风荷载工况作用下横向变形值最大,为49.1mm,满足横向变形指标要求。

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3.12 应力计算结果


落地钢柱及V型柱的设计应力比不超过0.8,其他钢构件的设计应力比不超过0.85,符合本工程设计目标,符合规范要求,结构安全。

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4  项目总结


本大跨钢屋盖在实现建筑效果及使用功能的基础上,保证了整体结构的安全性,设计总结及措施如下:


1) 通过对原建筑方案找形优化,得到结构性能更优的结构形态,并对网格分布优化,满足玻璃翘曲率要求;

2) 采用单双层网壳结合的形式,在形成76m无柱大空间的基础上,保证经济性及使用功能;

3) 所有构件在各工况荷载及多遇地震效应组合下保持弹性工作状态;

4) 落地钢柱及V型柱的设计应力值不超过能力值的0.8;其他钢构件的设计应力值不超过能力值的0.85;

5) 结构变形符合规范要求;

6) 关键构件(封边桁架+落地钢柱及V型柱)在中震效应组合下保持弹性工作状态;

7) 对结构进行二阶P-?弹性分析及双非线性整体稳定分析,保证整体结构正常使用及承载能力要求;

8) 进行抗连续倒塌设计,保证结构有足够抗连续倒塌能力;

9) 罕遇地震时程分析下,支座位移满足限值要求;

10)1.0恒载+1.0活载作用下弹性屈曲因子≥10;

11)本结构杆件众多,复杂节点较多,后续需进行深化设计。


项目名称:亨通水乐园

建筑设计单位:中衡设计集团股份有限公司

结构设计单位:中衡设计集团股份有限公司

总占地面积约为11200m2

总建筑面积约为34600m2


作者简介   

路江龙,中衡设计集团股份有限公司精筑技术设计研究院院长、总工程师,研究员级高级工程师,一级注册结构工程师,(英联邦)结构工程师学会(IStructE)会员及特许结构工程师,近年来完成大量复杂钢结构工程项目设计工作,包括苏州中心“未来之翼”大跨钢屋面、苏州现代传媒广场、苏州湾文化中心、绵竹体育中心、宿迁文体中心、苏州圆融时代广场和苏州相城第二文化宫等。

项目设计团队由中衡设计复杂结构技术研究中心、建筑信息化技术研究中心和精筑技术设计研究院钢结构设计部门组成,参与人员包括杨律磊、沈晓明、龚敏锋和王晨旭等。

复杂结构技术研究中心和建筑信息化技术研究中心隶属于江苏省生态建筑与复杂结构工程技术研究中心,是江苏省科技厅批准的科技基础实施项目,为集绿色生态建筑与复杂结构工程技术的研究应用于一体的省级工程技术研究中心,中心由中衡设计集团股份有限公司与国内外多个重点院校、科研机构和专家顾问团队密切合作建立。

精筑技术研究院钢结构设计部门是国内建筑设计院中较早成立的专业钢结构设计部门,开展从方案比选、优化、分析,直至深化图纸设计等一系列工作,部门拥有专业的技术团队,在超高层建筑、商业综合体、文化体育建筑、工业建筑和市政景观等领域积累了丰富的设计经验和科研技术。

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