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深圳市體育中心游泳訓(xùn)練館:三鉸剛架交叉結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)

作者:郭滿良 凌江    
時(shí)間:2013-01-24 15:06:19 [收藏]
本文秉承“復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化”的設(shè)計(jì)理念,結(jié)合“復(fù)雜建筑簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu),復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單加工”的工程實(shí)例,簡(jiǎn)要介紹了三鉸剛架交叉結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)。最后指出了案例體會(huì)以及這類結(jié)構(gòu)體系的探討研究方向。
    關(guān)鍵詞:

    摘  要:本文秉承“復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化”的設(shè)計(jì)理念,結(jié)合“復(fù)雜建筑簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu),復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單加工”的工程實(shí)例,簡(jiǎn)要介紹了三鉸剛架交叉結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)。最后指出了案例體會(huì)以及這類結(jié)構(gòu)體系的探討研究方向。
    關(guān)鍵詞:三鉸剛架 交叉結(jié)構(gòu)  屋脊落差鉸  平面鉸 彎扭 焊接節(jié)點(diǎn)

     1. 工程概況
          深圳市體育中心游泳訓(xùn)練館(圖1、圖2)屬于市中心高標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)館,設(shè)有一個(gè)室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)泳池,平時(shí)高階訓(xùn)練用,賽時(shí)與相鄰的原有游泳跳水館配套使用。
     

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    圖1  深圳游泳訓(xùn)練館效果圖

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    圖2  深圳游泳訓(xùn)練館照片

    該館由池廳單層空曠建筑及端部輔房三層建筑組成,建筑面積5,000m2。池廳為矩形平面(圖3),長(zhǎng)60m,柱距10m,跨度31.2m,檐高7.6m和8.4m,脊高12.9m,屋脊處有落差2.3 m(圖4)。
           該館建筑造型別致,池廳空間結(jié)構(gòu)裸露,宛如泳將組團(tuán),束腰并腳,躬背伸臂,或者拉手列姿(圖1、圖6),抑或反身躍池(圖2)。
          池廳采用帶有屋脊落差的三鉸剛架交叉結(jié)構(gòu)(圖6),輔房采用框架鋼結(jié)構(gòu)??傆娩摿考s400t,單位用鋼約80kg/m2。
          該館2006年設(shè)計(jì),在2011深圳世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)新建場(chǎng)館項(xiàng)目中,首個(gè)建成,于2009年投入使用,榮獲“中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)(國(guó)家優(yōu)質(zhì)工程)”,成為該獎(jiǎng)項(xiàng)設(shè)立以來(lái)“最小”規(guī)模鋼結(jié)構(gòu)。
          2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    2.1 結(jié)構(gòu)體系與傳力路線
          本工程建筑效果要求采用三鉸剛架交叉結(jié)構(gòu)(圖1)。除兩個(gè)端榀可以正放布置外,所有相鄰中榀斜放斜交(圖3),三次交叉,且屋脊落差(圖4)。
          將平面門(mén)式剛架交叉,形成門(mén)式剛架交叉結(jié)構(gòu),很容易理解。但將三鉸剛架交叉后,又在跨中鉸處形成屋脊落差,使得三鉸剛架有些抽象,其結(jié)構(gòu)可行性在競(jìng)標(biāo)之初受到質(zhì)疑是正常的。
          建筑同時(shí)要求不設(shè)置縱向柱間支撐,又遭質(zhì)疑,主要在于縱向傳力路線打破了常規(guī)。實(shí)際上,這種結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定性良好,縱橫空間傳力路線順暢。對(duì)此,有三種設(shè)計(jì)理念。
          理念一,由于剛架梁交叉,梁柱剛接,加上屋面縱向系桿,屋蓋不僅是一個(gè)穩(wěn)定體系,交叉剛架的雙向 “剛接”性,也就是說(shuō),屋蓋交叉梁在縱向形成了抽象的縱向鋼梁,與縱向列柱“剛接”,實(shí)際形成了連續(xù)多跨縱向承重框架體系。
          理念二,縱向荷載,通過(guò)斜放剛架斜向直接傳力,即空間傳力。既然縱橫,任何方向的水平力均可傳遞。“空間結(jié)構(gòu)”體系成立,不必再執(zhí)意按縱橫平面承重體系去理解。
          理念三,盡管如此,柱頂增設(shè)縱向貫通連梁,與剛架柱剛接,使得縱向剛度加強(qiáng),結(jié)構(gòu)空間穩(wěn)定性增強(qiáng),且縱向傳力更為直接??v向可以理解為“縱向連續(xù)多跨固支單層框架”。
          2.2 技術(shù)難點(diǎn)與設(shè)計(jì)目標(biāo)
          本工程三鉸門(mén)式剛架,除屋脊跨中鉸落差外,門(mén)式剛架兩兩交叉,剛架梁兩端及跨中共三次交叉,兩端交叉后自剛架節(jié)點(diǎn)起雙柱匯交至一個(gè)柱腳,造成三鉸剛架空間彎扭,使設(shè)計(jì)和加工,尤其是加工難度更大。
    因此,“無(wú)柱間支撐、彎扭型、跨中鉸落差”三方面的特點(diǎn),使得三鉸平面剛架交叉結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
          本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念的最高境界,則是采用最簡(jiǎn)單的平面剛架交叉(圖3),焊接節(jié)點(diǎn),平面鉸,組成三鉸門(mén)式剛架(圖4)交叉結(jié)構(gòu)。
          參考深圳會(huì)展中心的兩鉸門(mén)式剛架,些許突破,實(shí)現(xiàn)新穎別致的建筑造型。設(shè)計(jì)突破點(diǎn)在于“剛架交叉”、“屋脊落差鉸”、“無(wú)柱間支撐”,經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在采用“簡(jiǎn)約式平面鉸”及“焊接節(jié)點(diǎn)”,規(guī)避了“鑄鋼節(jié)點(diǎn)”和“球鉸”。對(duì)于類似于鳥(niǎo)巢的彎扭焊接節(jié)點(diǎn)的加工難點(diǎn),密切配合建造商,優(yōu)化深化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)突破:“一次下料一次彎扭成形組裝焊接”。
     

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     圖3  交叉剛架結(jié)構(gòu)平面圖             圖4  屋脊落差鉸門(mén)式剛架圖

    2.2  剛架交叉與屋脊落差平面鉸
          本工程三鉸門(mén)式平面剛架雖然斜放交叉,組成了空間結(jié)構(gòu),但可以虛構(gòu)理解為類似于“合并排架[1]”的各榀正放“合并剛架”平面結(jié)構(gòu),滿足平面鉸的基本“受力”條件。
          一跨中鉸為界,將剛架分為兩個(gè)半跨的兩側(cè)。設(shè)計(jì)利用兩榀斜放剛架梁的同側(cè)交匯,在水平面內(nèi)相應(yīng)合并為兩個(gè)同位正放節(jié)點(diǎn)“板”,同處一個(gè)重力落差鉛垂面,滿足平面鉸的基本“構(gòu)造”條件。
          設(shè)計(jì)又應(yīng)用“剛域”概念,將上位正放節(jié)點(diǎn)板設(shè)計(jì)為三角剛架“剛域板”,實(shí)現(xiàn)屋脊落差鉸(圖5),消除了結(jié)構(gòu)可行性的疑惑。
          設(shè)計(jì)還巧妙的將箱形截面下位節(jié)點(diǎn)“板”的兩塊腹板作為平面鉸的下夾板,使整寬箱形截面上位節(jié)點(diǎn)“剛域板”作為上插板,直插銷接,避免了通常的縮寬轉(zhuǎn)換,使得傳力更為直接,加工安裝更為簡(jiǎn)便。
      

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     圖6  深圳市體育中心游泳訓(xùn)練館 屋脊落差鉸剛架交叉結(jié)構(gòu)軸側(cè)圖

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     圖7 深圳市體育中心游泳訓(xùn)練館束腰并腳雙柱

    2.3 合并柱與平面鉸支座
          設(shè)計(jì)按照建筑效果要求,相鄰兩榀剛架斜放交叉。
          兩榀上位半跨變截面梁在端部“交匯”,合并下彎為變截面柱。對(duì)此合并柱,設(shè)計(jì)采用矩形箱型截面,本想方便加工,但由于剛架節(jié)點(diǎn)圓潤(rùn)美觀要求,實(shí)際上又派生了剛架梁柱翼緣的彎扭,設(shè)計(jì)與建造商配合,改為梯形箱形截面,雖然截面較為復(fù)雜,但規(guī)避了彎扭難度,截面形狀和梁柱節(jié)點(diǎn)也同為美觀。
          兩榀下位半跨變截面梁在端部“交叉”,分別通過(guò)剛架節(jié)點(diǎn)向下彎扭成雙柱,以小角度相向交匯于同一柱腳,形成變截面“束腰并腳雙柱”(圖7)。
          設(shè)計(jì)將合并柱腳正放,滿足橫向平面鉸支座的基本條件。支座鉸同樣采用跨中鉸的箱形截面構(gòu)造。設(shè)計(jì)時(shí),采取一定的措施,按照縱向固定支座構(gòu)造,符合設(shè)計(jì)分析計(jì)算假定條件,保證縱向框架柱腳剪力彎矩傳遞便捷可靠。
      

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     a下位半跨                        b 上位半跨及跨中
    圖8  深圳市體育中心游泳訓(xùn)練館屋脊落差鉸剛架交叉結(jié)構(gòu)

    2.4 梁柱截面
          設(shè)計(jì)采用鋼材Q345B。梁柱均為500mm寬箱形截面。上位半跨梁截面高500—1200mm,下位500—1784mm。單柱截面高500—1200mm,雙柱500—1724mm。三鉸銷軸均為d150mm。

    2.5 工程類比與簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)
           “鳥(niǎo)巢”其實(shí)是桁架交叉編織結(jié)構(gòu),由建筑師模仿自然界創(chuàng)作,結(jié)構(gòu)越亂越自然,越符合建筑設(shè)計(jì)理念。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師從雜亂無(wú)序中找出規(guī)律,由24榀桁架沿平面橢圓線放射形陣列交叉布置[2 ],編織成“鳥(niǎo)巢結(jié)構(gòu)”,實(shí)現(xiàn)了突破性的簡(jiǎn)化。在追求鳥(niǎo)巢自然效果的同時(shí),又要馬鞍形體育建筑造型,致使桁架式剛架節(jié)點(diǎn)不在一個(gè)水平面,而沿馬鞍形空間曲線分布。不僅使鄰榀桁架不等高,而且每榀桁架本身并非鉛垂平面桁架,而是通過(guò)立體桁架外柱節(jié)點(diǎn)彎扭形成的彎扭形桁架族不等高的空間編織結(jié)構(gòu)。可歸納稱之“彎扭桁架輪轂交叉式馬鞍面編織結(jié)構(gòu)”。
          深圳市體育中心游泳訓(xùn)練館取鳥(niǎo)巢交叉剛架之精華,編織結(jié)構(gòu)的極端化,編織點(diǎn)數(shù)最少。設(shè)計(jì)將剛架沿平面矩形長(zhǎng)邊斜向陣列交叉布置(圖3),形成簡(jiǎn)約的“帶有屋脊落差鉸的等高彎扭剛架交叉結(jié)構(gòu)”。本工程秉承“復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化”的設(shè)計(jì)理念,實(shí)現(xiàn)“復(fù)雜建筑簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu),復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單加工”,整個(gè)工程無(wú)一鑄鋼節(jié)點(diǎn),全部采用焊接工藝實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的經(jīng)典建筑造型。
          3. 小結(jié)

    深圳市體育中心游泳訓(xùn)練館建成使用兩年多來(lái),除重力荷載外,經(jīng)歷了多次沿海臺(tái)風(fēng)侵襲和氣溫變化的考驗(yàn),其設(shè)計(jì)、加工、安裝的工程實(shí)踐體會(huì)表明:
          1) 帶有屋脊落差的三鉸門(mén)式剛架是成立的。
          2) 矩形平面布置等柱距彎扭剛架空間交叉結(jié)構(gòu),采用平面鉸是可行的。
          3) 彎扭剛架空間交叉結(jié)構(gòu),無(wú)需柱間支撐(圖6、圖2),在一定的支座構(gòu)造技術(shù)措施保證下,縱向是幾何穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系。
          4)  “復(fù)雜建筑簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu),復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單加工”之設(shè)計(jì)理念的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益顯著,宜弘揚(yáng)秉承。
          5) 本文案例矩形平面布置等柱距彎扭剛架交叉結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算分析結(jié)果,具有一定實(shí)用參考價(jià)值,需要系統(tǒng)總結(jié)與探討研究。
          6) 無(wú)柱間支撐的剛架交叉結(jié)構(gòu)體系,屬于空間結(jié)構(gòu)體系,簡(jiǎn)潔美觀,深受建筑師推崇和社會(huì)鑒賞,具有推廣應(yīng)用價(jià)值。建議建立這類結(jié)構(gòu)體系的系列概念、分類、力學(xué)分析、桿件選型、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、加工、安裝等課題,深入研究。

    參考文獻(xiàn)
          [1] 天津大學(xué) 同濟(jì)大學(xué) 南京工學(xué)院  鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(下冊(cè),p94) 中國(guó)建筑工業(yè)出版社 1980年12月
          [2] 范重等 國(guó)家體育場(chǎng)大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]  中國(guó)大型建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)與施工  中國(guó)建筑工業(yè)出版社  2007
          [3] 周永明,蔣良君,廖功華等. 國(guó)家體育場(chǎng)大型空間箱形截面扭曲構(gòu)件的加工技術(shù)[J]  中國(guó)大型建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)與施工  中國(guó)建筑工業(yè)出版社  2007
          [4] 虎秉銀 郭滿良等 交叉彎扭剛架的深化設(shè)計(jì)與加工  深圳土木建筑  2011.09
    作者簡(jiǎn)介
          郭滿良,深圳大運(yùn)中心建筑方案國(guó)際征集競(jìng)賽代理主持人、結(jié)構(gòu)專業(yè)負(fù)責(zé)人、第一階段技術(shù)方案評(píng)審結(jié)構(gòu)專家,體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)負(fù)責(zé)人,大運(yùn)中心建筑結(jié)構(gòu)研究課題組負(fù)責(zé)人,大運(yùn)中心鋼結(jié)構(gòu)加工安裝競(jìng)標(biāo)技術(shù)評(píng)審專家,中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)專家委員會(huì)專家,中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)專家委員會(huì)專家,結(jié)構(gòu)工程師學(xué)會(huì)資深會(huì)員(英國(guó)),深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院副總工程師、深圳大運(yùn)中心體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)專業(yè)負(fù)責(zé)人、華優(yōu)建筑設(shè)計(jì)顧問(wèn)部負(fù)責(zé)人
     


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