姚衛(wèi)寧

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西 南昌 330031）

場(chǎng)館類建筑的設(shè)計(jì)過(guò)程探析

姚衛(wèi)寧

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西 南昌 330031）

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們物質(zhì)生活水平得到了質(zhì)的飛躍，越來(lái)越多的人開(kāi)始重視健身，尤其是在奧運(yùn)與亞運(yùn)兩大賽事的影響下，人們參與體育活動(dòng)的熱情空前高漲。因此中小型體育館建設(shè)在這十年間得到了迅猛發(fā)展。文章以大型場(chǎng)館建設(shè)為研究對(duì)象，詳細(xì)闡述場(chǎng)館建設(shè)的設(shè)計(jì)流程，并將施工過(guò)程中的各項(xiàng)控制指標(biāo)進(jìn)行了逐一敘述，為相關(guān)的工程設(shè)計(jì)提供了理論參考。

場(chǎng)館類建筑；建筑設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)指標(biāo)

1 場(chǎng)館類建筑計(jì)算工具的選擇

場(chǎng)館類建筑設(shè)計(jì)涉及到的計(jì)算非常復(fù)雜。市面上相關(guān)的三維有限元計(jì)算軟件有很多，各有特色，可根據(jù)具體計(jì)算對(duì)象和個(gè)人習(xí)慣來(lái)選擇適合的計(jì)算工具。無(wú)論設(shè)計(jì)者選擇哪一種計(jì)算工具，一定要建立能夠真實(shí)的反應(yīng)客觀結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的模型。因此了解計(jì)算工具中的材料的力學(xué)屬性和單元類型至關(guān)重要。目前，應(yīng)用比較普遍的建筑設(shè)計(jì)計(jì)算工具大概有以下幾種：ETABS，3D3S，SAP2000，MIDAS，ABAQUS，Solidworks等。不同軟件工具可以說(shuō)各有優(yōu)勢(shì)，比如ETABS適合計(jì)算分析單獨(dú)的混凝土結(jié)構(gòu)；3D3S適合幾何模型的建立和加載，獲得初步計(jì)算結(jié)果和生成SAP2000模型；SAP2000則適合單獨(dú)鋼結(jié)構(gòu)和總裝結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析；MIDAS適合單獨(dú)混凝土結(jié)構(gòu)和總裝結(jié)構(gòu)分析；ABAQUS適合流體，非線性極限承載力分析；SW適合建立復(fù)雜節(jié)點(diǎn)模型等。

對(duì)于復(fù)雜的、異形的屋蓋剛結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)者往往需要在其節(jié)點(diǎn)定位，構(gòu)件間的空間關(guān)系上花費(fèi)較大精力。在三維設(shè)計(jì)平臺(tái)繪制空間線條模型時(shí)，難以保證節(jié)點(diǎn)間的重合，利用SAP2000中強(qiáng)制合并節(jié)點(diǎn)的功能，可以合并大多數(shù)看似重合的節(jié)點(diǎn)。3D3S軟件可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)編號(hào)查詢不同節(jié)點(diǎn)間的空間距離，從而有利于模型的建立?？傊鱾€(gè)計(jì)算工具各具特色互有優(yōu)勢(shì)，靈活運(yùn)用可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，做到使結(jié)構(gòu)模型與建筑數(shù)據(jù)向一致，將會(huì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

2 場(chǎng)館類建筑的設(shè)計(jì)過(guò)程

場(chǎng)館類建筑很多，如體育館，博物館，火車站等，而且形式多樣，各有特色，在設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)遇到多方面的問(wèn)題。目前這類建筑下部多采用鋼筋混凝土框架或鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，上部采用大跨度桁架屋蓋或大懸挑罩棚結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1、2）。一般場(chǎng)館類建筑的設(shè)計(jì)過(guò)程主要為：概念設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)的選型、布置；擬定設(shè)計(jì)參數(shù)和控制指標(biāo)；結(jié)構(gòu)分析計(jì)算；桿截面選擇與強(qiáng)度校核；反復(fù)計(jì)算與優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

圖1 鋼筋混凝土框架+大跨度桁架屋蓋

圖2 鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)+大懸挑罩棚結(jié)構(gòu)

概念設(shè)計(jì)是指不經(jīng)數(shù)值計(jì)算，從藝術(shù)和整體的角度來(lái)設(shè)計(jì)建筑的總體布局并能夠保證所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有良好抗震性能的一種設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)方法包含的內(nèi)容非常廣泛，所涉及到的內(nèi)容也相當(dāng)復(fù)雜，比如在場(chǎng)館設(shè)計(jì)時(shí)，需要比較選擇何種結(jié)構(gòu)和布局對(duì)抗震抗風(fēng)有利、所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的剛度整體上增加還是減小、釋放溫度應(yīng)力還是硬抗溫度應(yīng)力、為避免穩(wěn)定性問(wèn)題而盡量的使構(gòu)件處于受拉狀態(tài)、為充分發(fā)揮材料強(qiáng)度而盡量使構(gòu)件處于軸向受力狀態(tài)以及如何去選擇最優(yōu)構(gòu)件傳力路徑的問(wèn)題等。

從計(jì)算的角度來(lái)看，場(chǎng)館類建筑設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題是：模擬分析建筑整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)屬性，邊界條件；不同載荷（如溫度，風(fēng)，地震等）作用下建筑結(jié)構(gòu)的變化；確定最優(yōu)的構(gòu)件傳力路徑；構(gòu)件長(zhǎng)度計(jì)算；整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析以及各種形式的鋼連接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分析等。

場(chǎng)館類建筑的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程大致可以分為三個(gè)步驟：建立計(jì)算模型；分析模型；設(shè)計(jì)構(gòu)件結(jié)構(gòu)。其中建立正確的計(jì)算模型是關(guān)鍵，該步驟主要內(nèi)容是從幾何結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能上計(jì)算模擬出對(duì)象在受載情況下的各種工況。具體的包括模型建立，邊界條件定義，約束定義，載荷定義等。模型建立后，通過(guò)計(jì)算并結(jié)合各種工況、載荷等進(jìn)入分析模型階段。分析結(jié)果可以獲得有關(guān)振型，位移，周期，結(jié)構(gòu)應(yīng)力，支座反力等信息。并據(jù)此來(lái)設(shè)計(jì)構(gòu)件結(jié)構(gòu)，該階段主要是構(gòu)件截面驗(yàn)算，具體的包括混凝土配筋計(jì)算和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析與控制。該部分涉及具體的設(shè)計(jì)施工參數(shù)，往往要投入大量精力。

3 各項(xiàng)指標(biāo)的控制

3.1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)

主要指標(biāo)有：①變形指標(biāo)：網(wǎng)、立體桁架屋蓋結(jié)構(gòu)控制為L(zhǎng)/250（L為屋蓋短向跨度）；大懸挑罩棚前端變形撓度控制為L(zhǎng)/125（L為大懸挑罩棚長(zhǎng)度）；②動(dòng)力特性指標(biāo)：鋼結(jié)構(gòu)屋蓋與大懸挑罩棚豎向自振頻率≥1.0Hz；③構(gòu)件應(yīng)力控制指標(biāo)：主要受力構(gòu)件的最大應(yīng)力不大于0.90f（f為鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度）；④穩(wěn)定性指標(biāo)：結(jié)構(gòu)線性極限屈曲荷載/（恒+活）荷載的屈曲系數(shù)K≥10；結(jié)構(gòu)非線性極限屈曲荷載/（恒+活）荷載的屈曲系數(shù)K≥4.5。

3.2 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)

剛度比，質(zhì)量比等各項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)按照結(jié)構(gòu)類型、抗震等級(jí)等相關(guān)規(guī)范進(jìn)行控制。

（1）結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)。周期比的概念在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010中第3.4.5條進(jìn)行了定義。周期比是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標(biāo)。大型場(chǎng)館類建筑結(jié)構(gòu)因其空曠，跨度大，開(kāi)口復(fù)雜，往往會(huì)產(chǎn)生較多的局部振動(dòng)。周期比并不是要求結(jié)構(gòu)足夠結(jié)實(shí)，而是要求結(jié)構(gòu)布局合理。如果不能滿足規(guī)范要求，則需要設(shè)計(jì)者優(yōu)化機(jī)構(gòu)剛度以增大結(jié)構(gòu)的整體抗扭能力。

（2）抗震性能化設(shè)計(jì)指標(biāo)建筑的抗震性能化設(shè)計(jì)，應(yīng)立足于承載能力和變形能力的綜合考慮，具有很強(qiáng)的針對(duì)性，靈活性。針對(duì)具體工程需要和可能，可對(duì)整體機(jī)構(gòu)，也可以對(duì)某些部位和關(guān)鍵構(gòu)件運(yùn)用各種措施達(dá)到高于基本抗震目標(biāo)：小震不壞，中震可修，大震不倒的水準(zhǔn)。

4 場(chǎng)館類建筑設(shè)計(jì)考慮因素

4.1 風(fēng)載作用

場(chǎng)館類建筑結(jié)構(gòu)因其自身跨度大、立面與屋面樣式復(fù)雜且造型多變。鋼結(jié)構(gòu)部分具備自重輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，對(duì)風(fēng)載作用比較敏感。此類建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載的體型系數(shù)的確定往往比較困難。對(duì)于常規(guī)場(chǎng)館類屋蓋，一般按照荷載規(guī)范對(duì)風(fēng)載體型系數(shù)的規(guī)定取值；對(duì)于大懸挑罩棚類場(chǎng)館結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的初步計(jì)算所需風(fēng)荷載體型系數(shù)取值見(jiàn)圖3。

圖3 風(fēng)載體型系數(shù)取值

而對(duì)于造型復(fù)雜、規(guī)范中未明確給出體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)的取值計(jì)算方法的結(jié)構(gòu)，則需要通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)以確定建筑表面的實(shí)際風(fēng)壓分布情況與結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)，從而為確定主體鋼結(jié)構(gòu)的風(fēng)載提供依據(jù)。另外，對(duì)于體型系數(shù)的研究，采用CFD流體分析軟件與風(fēng)洞模型試驗(yàn)相結(jié)合，可以得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

4.2 溫度變化

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009—2012（簡(jiǎn)稱荷載規(guī)范）要求對(duì)溫度問(wèn)題進(jìn)行專門的結(jié)構(gòu)分析。溫度作用簡(jiǎn)要來(lái)說(shuō)即結(jié)構(gòu)之間在規(guī)定時(shí)段內(nèi)由于溫度場(chǎng)的變化所引起的相互作用，為可變荷載，一般情況下可變載荷的分項(xiàng)系數(shù)取1.4，組合值系數(shù)取0.6。溫度變化會(huì)引起混凝土結(jié)構(gòu)剛度退化以及混凝土材料發(fā)生徐變、收縮等。在設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中考慮溫度變化的作用，對(duì)設(shè)計(jì)的可靠性至關(guān)重要。據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在考慮溫度荷載與地震荷載進(jìn)行組合時(shí)，溫度荷載組合值系數(shù)取0.3。

場(chǎng)館類建筑結(jié)構(gòu)往往存在超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，最容易受到溫度變化帶來(lái)的影響，溫度作用效應(yīng)不能忽視。為減小溫度應(yīng)力及混凝土收縮的影響，可以通過(guò)設(shè)置適宜的后澆帶、采用低水化熱的普通硅酸鹽水泥和碎石骨料配制混凝土、低溫合攏、加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)、采用高效減水劑降低水泥用量、配置適當(dāng)?shù)臉?gòu)造鋼筋等措施。場(chǎng)館類建筑結(jié)構(gòu)中有多種方式可以有效釋放處于工作狀態(tài)的結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力，如滑動(dòng)支座、彈性支座等方案。

4.3 地震作用

多遇地震（小震）地震作用時(shí)，計(jì)算可根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011—2010（簡(jiǎn)稱抗規(guī)）和安評(píng)報(bào)告的要求進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，設(shè)防地震（中震）和罕遇地震（大震）可按抗規(guī)的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)大型場(chǎng)館類結(jié)構(gòu)還須考慮豎向地震作的作用，對(duì)于體型復(fù)雜或跨度較大的結(jié)構(gòu)，還需要進(jìn)行多維地震作用下的組合效應(yīng)分析。場(chǎng)館類建筑結(jié)構(gòu)阻尼比的取值如下：

當(dāng)控制上部鋼結(jié)構(gòu)（鋼結(jié)構(gòu)單體模型）時(shí)，取ξ＝0.02；當(dāng)控制下部混凝土結(jié)構(gòu)（混凝土單體模型）時(shí)，取ξ＝0.05；當(dāng)控制下部混凝土結(jié)構(gòu)（總裝模型）時(shí)，取ξ＝0.035。

5 場(chǎng)館類建筑設(shè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)方法

包絡(luò)設(shè)計(jì)法是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中解決復(fù)雜問(wèn)題的基本方法，具體定義是指針對(duì)工程中可能出現(xiàn)的情況，分別計(jì)算，按不利值進(jìn)行設(shè)計(jì)。“可能出現(xiàn)”的情況需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際構(gòu)造、受力特性以及相關(guān)規(guī)范進(jìn)行必要的分析和判斷。包絡(luò)設(shè)計(jì)重視經(jīng)驗(yàn)的積累，既可以是對(duì)構(gòu)件，局部區(qū)域的包絡(luò)設(shè)計(jì)也可以是針對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的包絡(luò)設(shè)計(jì)。

在場(chǎng)館類建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用包絡(luò)設(shè)計(jì)方法，可以解決工程設(shè)計(jì)中的疑難問(wèn)題或者一些不確定性的問(wèn)題。場(chǎng)館類建筑結(jié)構(gòu)中以下情況可以利用包絡(luò)方法進(jìn)行分析：①在管桁架設(shè)計(jì)中，當(dāng)腹桿與弦桿固接和鉸接時(shí)，可以進(jìn)行雙控包絡(luò)設(shè)計(jì)，特別是在腹桿節(jié)間長(zhǎng)度與截面高度較小的情況下，節(jié)點(diǎn)剛度的影響不容忽略；②在上部鋼結(jié)構(gòu)與混凝土部分的連接界面剛接和固接時(shí)，可以進(jìn)行雙控包絡(luò)設(shè)計(jì)，特別是在支座通過(guò)預(yù)埋型鋼與混凝土部分連接的情況下，必須考慮支座的彎矩承載力；③在地震作用時(shí)，需對(duì)規(guī)范與安評(píng)報(bào)告進(jìn)行包絡(luò)雙控；④風(fēng)載作用時(shí)，需對(duì)規(guī)范與風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行雙控；⑤針對(duì)單獨(dú)模型與整體模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

6 場(chǎng)館類建筑模型總裝分析

場(chǎng)館類建筑結(jié)構(gòu)一般采用上部大跨空間鋼結(jié)構(gòu)屋蓋支承于下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。上下部結(jié)構(gòu)應(yīng)作為一個(gè)整體看待，上部結(jié)構(gòu)對(duì)下部結(jié)構(gòu)既有作用又有剛度約束，下部結(jié)構(gòu)對(duì)上部結(jié)構(gòu)既有支承又有效應(yīng)放大。模型總裝分析即是將上部大跨空間屋蓋結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)來(lái)分析。

傳統(tǒng)的大跨空間屋蓋結(jié)構(gòu)采用將其上部鋼結(jié)構(gòu)和下部混凝土分開(kāi)單獨(dú)設(shè)計(jì)的方法，該方法所獲得的結(jié)果既不能反映上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)整體結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)，也不能反映下部結(jié)構(gòu)的有限剛度對(duì)上部結(jié)構(gòu)的效應(yīng)放大。而模型總裝分析則能夠得到上下部結(jié)構(gòu)在各類載荷如重力、風(fēng)、地震、溫度作用下較為合理可靠的效應(yīng)。

6.1 總裝分析的重要性

主要是：①溫度作用下，鋼、混凝土結(jié)構(gòu)材料特性差異以及上部鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)體系的差異，必然帶來(lái)整體結(jié)構(gòu)在溫度載荷作用下的變形受力性能差異；②單獨(dú)鋼結(jié)構(gòu)分析是假定鋼結(jié)構(gòu)置于地面，其支座按理想不動(dòng)鉸或固定端處理，而實(shí)際結(jié)構(gòu)中連接界面下部的混凝土結(jié)構(gòu)剛度有限，且混凝土材料本身存在收縮、徐變。單獨(dú)混凝土結(jié)構(gòu)分析無(wú)法準(zhǔn)確反映下部混凝土結(jié)構(gòu)的彈性支持對(duì)上部鋼結(jié)構(gòu)的影響；③地震作用下，實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)高位并且彈性支承于下部混凝土結(jié)構(gòu)，這將帶來(lái)地震作用的放大，同時(shí)下部混凝土結(jié)構(gòu)的約束作用也必須通過(guò)總裝分析才能反映。

6.2 總裝分析的目的

主要是：①為了求得鋼結(jié)構(gòu)和混凝土連接界面各構(gòu)件在各種工況組合下的內(nèi)力，并與單獨(dú)鋼結(jié)構(gòu)以及單獨(dú)混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算分析得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確保連接界面各構(gòu)件的承載力滿足規(guī)范要求，確保整體結(jié)構(gòu)的安全性；②為了揭示混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的彈性支承以及混凝土結(jié)構(gòu)收縮、徐變帶來(lái)的長(zhǎng)期剛度退化對(duì)上部鋼結(jié)構(gòu)的影響，校核上部鋼結(jié)構(gòu)，確保整體結(jié)構(gòu)的安全；③為了揭示上部鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度對(duì)下部混凝土結(jié)構(gòu)的影響，由此復(fù)核下部混凝土結(jié)構(gòu)，同時(shí)揭示上部鋼結(jié)構(gòu)高位、彈性支承于下部混凝土結(jié)構(gòu)帶來(lái)的地震作用放大等不利效應(yīng)。

7 結(jié)束語(yǔ)

文章介紹場(chǎng)館類建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括計(jì)算工具的介紹和控制指標(biāo)的選取，為此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提供一些參考。隨著社會(huì)的發(fā)展，場(chǎng)館類建筑項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加新穎，奇特，同時(shí)也會(huì)有越來(lái)越多的問(wèn)題呈現(xiàn)在我們面前，如何利用好現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)，工具和方法來(lái)設(shè)計(jì)出一副好的建筑結(jié)構(gòu)，將是建筑設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。

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