某演藝中心項(xiàng)目用地面積3.1萬m2,主體建筑為旅游性質(zhì)的演藝劇場(chǎng),為滿足特定劇目的演出使用??偨ㄖ娣e1.8萬m2,其中地上建筑面積1.34萬m2,地下建筑面積0.46萬m2,演出座位2000個(gè),總平面如圖1所示。本方案最大特點(diǎn)在于建筑整體由膜材張拉覆蓋,平面功能如圖2所示,主要包括舞臺(tái)、觀眾廳及其他輔助區(qū)域。建筑南北方向最大跨度約85m,東西方向最大跨度約78m。
地上結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)條件:抗震設(shè)防烈度6度(0.05g);設(shè)計(jì)地震分組為第一組,場(chǎng)地類別為Ⅱ類;重點(diǎn)設(shè)防類(乙類);結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)(結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1);基本風(fēng)壓0.4kN/m2(取重現(xiàn)期100年風(fēng)壓);地面粗糙度類別為B類。
本文針對(duì)項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)階段的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)區(qū)域展開可行性論證及初步方案比選,主要工作包括主體結(jié)構(gòu)及張拉索膜結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)、主體結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成、舞臺(tái)剛性屋蓋系統(tǒng)的初步比選。
圖1 總平面
圖2 1層平面
圖3 建筑立面
本方案建筑立面如圖3所示,建筑創(chuàng)作與周邊環(huán)境融合,形成云霧繚繞山峰的立意。透明膜材營(yíng)造云霧質(zhì)感,凸曲率造型與周圍丘陵類比。傳統(tǒng)張拉式索膜結(jié)構(gòu)自然力學(xué)形態(tài)為凹曲率,而本方案整體視覺采用凸曲率造型,因此需剛性結(jié)構(gòu)輔助形成。
本方案為定制劇場(chǎng),屋蓋需吊掛很多機(jī)械裝置,且對(duì)振動(dòng)控制要求較高。演藝劇場(chǎng)有聲學(xué)控制的因素,傳統(tǒng)膜結(jié)構(gòu)多用于對(duì)聲學(xué)要求不高的建筑,若將膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用于演藝劇場(chǎng),需克服很多難題,經(jīng)聲學(xué)建筑師綜合評(píng)判,單層膜材不能滿足要求,需雙層膜結(jié)構(gòu),且下層索膜之下應(yīng)吊掛較多隔聲吊頂;本劇場(chǎng)演藝節(jié)目需借用室外風(fēng)景作為布景,因此在后場(chǎng)采用豎向單索幕墻增強(qiáng)效果,拉索結(jié)構(gòu)需以剛性屋蓋為支撐。
結(jié)合以上建筑創(chuàng)意、建筑特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)概念,主體結(jié)構(gòu)采用巨型鋼拱骨架+索膜結(jié)構(gòu)體系,分為主體結(jié)構(gòu)和外層索膜結(jié)構(gòu)2部分進(jìn)行概念方案設(shè)計(jì),主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分主要包括剛性結(jié)構(gòu)、體系選型及分析,外層索膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分主要包括索網(wǎng)方案布置、找形及受力分析,本方案采用力密度法進(jìn)行初始找型,確定主索及分布索的內(nèi)力分布關(guān)系。本文主要對(duì)主體結(jié)構(gòu)的可行性進(jìn)行分析,外層索網(wǎng)對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響采用外加節(jié)點(diǎn)力的方式施加于主體結(jié)構(gòu)上。
舞臺(tái)鋼拱與觀眾廳周邊外墻及框架柱共同形成豎向傳力體系。舞臺(tái)區(qū)域的吊掛舞臺(tái)機(jī)械荷載較大,在主舞臺(tái)區(qū)域采用2道巨型鋼拱結(jié)構(gòu)支撐,巨型鋼拱之間設(shè)置次結(jié)構(gòu)連接,加強(qiáng)了整體工作性能;觀眾廳區(qū)域周邊的墻柱可作為外表皮膜結(jié)構(gòu)的豎向支點(diǎn),膜結(jié)構(gòu)傳遞豎向力至拉索、豎向結(jié)構(gòu),為保證索網(wǎng)平衡及鋼拱穩(wěn)定,在建筑周邊設(shè)置邊緣固定纜索或索網(wǎng)直接固定于地面基礎(chǔ)。剛性結(jié)構(gòu)主要包括:框架-剪力墻主體結(jié)構(gòu)、舞臺(tái)拱桁架、舞臺(tái)雙層網(wǎng)殼、幕墻拉索、觀眾廳桁架。剛性結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。
鋼拱與幕墻拉索及局部斜撐構(gòu)件共同構(gòu)成抗側(cè)力體系。拉索作為幕墻結(jié)構(gòu)的同時(shí),還與另一側(cè)觀眾廳區(qū)域索膜結(jié)構(gòu)及局部斜撐構(gòu)件的拉力平衡,舞臺(tái)鋼拱與兩側(cè)的拉索結(jié)構(gòu)及局部斜撐構(gòu)件形成主要抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系(見圖5)。
舞臺(tái)剛性屋蓋采用鋼拱桁架及屋面網(wǎng)殼,網(wǎng)格布置結(jié)合建筑表皮所要表現(xiàn)的竹簍編織線條肌理,采用雙向斜交布置形成四邊形。
1)剛性屋蓋結(jié)構(gòu)荷載條件 屋面網(wǎng)殼承載吊掛荷載,傳遞至兩側(cè)巨型鋼拱,舞臺(tái)外側(cè)鋼拱同時(shí)承擔(dān)拉索幕墻荷載,內(nèi)側(cè)鋼拱同時(shí)承載觀眾廳外層索網(wǎng)荷載。
2)剛性屋蓋結(jié)構(gòu)約束條件 外側(cè)、內(nèi)側(cè)2個(gè)拱交于一點(diǎn),形成鉸接支座固定于巖石墩基礎(chǔ)上,外側(cè)拉索下端錨固于地下室結(jié)構(gòu)頂板,內(nèi)側(cè)拱由2個(gè)V形支撐支于觀眾廳的剪力墻上。
根據(jù)單索幕墻在風(fēng)荷載作用下各拉索的相對(duì)變形確定拉索初始預(yù)張力,確保各拉索的變形量為1/50L(L為拉索長(zhǎng)度)。各拉索上端均固定于外側(cè)鋼拱,各索間的張力具有相關(guān)性,在整體模型中經(jīng)過數(shù)次迭代,得到初始預(yù)張后的各拉索內(nèi)力分布,如圖6所示。
內(nèi)側(cè)鋼拱還承擔(dān)了外層索網(wǎng)荷載,根據(jù)初步估算,外層索網(wǎng)的初始預(yù)張力為170kN/m,按水平夾角30°方向施加于內(nèi)側(cè)鋼拱上。
圖4 主體結(jié)構(gòu)組成
圖5 抗側(cè)力體系
內(nèi)外側(cè)鋼拱間采用雙層網(wǎng)殼,共比選3種形式(見圖7),方案1為抽空雙向桁架;方案2為棋盤式四角錐雙層網(wǎng)殼;方案3為抽空四角錐雙層網(wǎng)殼。
各方案在恒荷載下的基本受力如圖8所示。方案1上弦中間區(qū)域受壓較大,約為800kN,下弦雙向受拉,典型拉力約1250kN;方案2上弦中間區(qū)域典型受壓,壓力約為400kN,下弦雙向受力性質(zhì)顯著不同,長(zhǎng)向受壓,典型壓力約700kN,短向受拉,典型拉力約500kN;方案3上弦中間區(qū)域典型受壓,約700kN,下弦雙向受拉,典型拉力約1000kN。
圖6 索幕墻初始預(yù)張后內(nèi)力分布(單位:kN)
圖7 雙層網(wǎng)殼形式
圖8 雙層網(wǎng)殼恒荷載受力分析
各方案在截面及用鋼量相似的情況下,恒荷載作用下網(wǎng)架中心點(diǎn)短向撓度分別為:方案1為1/445,方案2為1/823,方案3為1/564。
方案1與方案3形式類似,均為抽空形式的雙層網(wǎng)架,方案1為平面桁架的雙向編織,方案3為空間桁架的雙向編織,均為雙向斜交傳力,受力大小及剛度類似,整體而言,方案3較方案1整體性更好。方案2呈現(xiàn)出有別于方案1和方案3的傳力路徑,上弦受力較小,下弦在長(zhǎng)向成為典型的拱效應(yīng)傳遞壓力,短向受拉,各相似桿件受力較均勻,整體性最好,但荷載傳遞相對(duì)復(fù)雜。
經(jīng)過比選,最終選定方案2作為深化方向。該方案不但受力特點(diǎn)鮮明,且能更好地滿足建筑要求,上弦斜交編織,與外表皮索網(wǎng)紋理相呼應(yīng),下弦正交,與舞臺(tái)角度一致,方便舞臺(tái)吊掛布置及安裝。
舞臺(tái)剛性屋蓋受力如圖9所示,以鋼拱支座和V形支撐為支座,除承受剛性屋蓋自身恒荷載與活荷載外,在外側(cè)鋼拱承受豎向拉索拉力,在內(nèi)側(cè)鋼拱上承擔(dān)外層索網(wǎng)拉力。
幕墻拉索使用索單元,采用非線性并考慮大變形對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析:①恒荷載作用下預(yù)張豎向拉索;②恒荷載作用下施加外層索網(wǎng)拉力;③恒荷載作用下預(yù)張豎向拉索及施加外層索網(wǎng)拉力;④在③的基礎(chǔ)上施加幕墻風(fēng)荷載。計(jì)算結(jié)果如表1所示。
表1 舞臺(tái)剛性屋蓋整體計(jì)算結(jié)果
圖9 剛性屋蓋受力簡(jiǎn)圖
幕墻豎向拉索拉力與外層索網(wǎng)拉力相互平衡,幕墻豎向拉索拉力對(duì)整體屋蓋的位移起控制作用。外層索網(wǎng)拉力作用點(diǎn)距V形支撐較近,對(duì)其受力起控制作用。在幕墻水平風(fēng)荷載作用下,幕墻拉索拉力變化較小,對(duì)舞臺(tái)剛性屋蓋整體位移及V形支撐影響較小。
1)本結(jié)構(gòu)采用巨型鋼拱骨架的索膜結(jié)構(gòu)體系,共分為外層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)2部分。本文主要對(duì)主體結(jié)構(gòu)的豎向及抗側(cè)力體系進(jìn)行概念分析。
2)對(duì)舞臺(tái)剛性屋蓋的雙層網(wǎng)殼進(jìn)行多方案比選,最終選擇棋盤式四角錐雙層網(wǎng)殼形式,其受力特點(diǎn)鮮明,整體性強(qiáng),符合建筑要求,充分體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)成就建筑之美。
3)對(duì)剛性屋蓋進(jìn)行整體分析,證明本結(jié)構(gòu)體系成立,受力合理,可深入進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。