1 工程概況

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。

2 結(jié)構(gòu)方案

2.1 主體結(jié)構(gòu)與張拉索膜結(jié)構(gòu)關(guān)系的概念設(shè)計(jì)

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。

2.2 主體結(jié)構(gòu)豎向傳力體系

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。

2.3 主體結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系

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）。

3 舞臺(tái)剛性屋蓋初步選型

3.1 計(jì)算條件

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

3.2 雙層網(wǎng)殼形式比選

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。

3.3 整體計(jì)算

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。

4 結(jié)語

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。