江棹榮，呂偉文

廣東天元建筑設(shè)計(jì)有限公司，廣東 佛山 528300

1 工程概況

項(xiàng)目位于廣東省佛山市，是一家高爾夫主題會(huì)所與運(yùn)動(dòng)康體會(huì)所結(jié)合的綜合會(huì)所，總建筑面積為31897.53m2。主體結(jié)構(gòu)地下1層，地上4層，層高依次分別為4m、6m、5.8m、5.8m、5m。主體采用混凝土結(jié)構(gòu)，局部采用鋼結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)目建筑整體形態(tài)設(shè)計(jì)圍繞“幾何形體、豎向扭轉(zhuǎn)、橫向舒展、體塊穿插、局部架空”的設(shè)計(jì)概念展開。該項(xiàng)目集合了復(fù)雜的功能需求與交通流線，作為異形建筑，連續(xù)的雙曲面造型對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了很大的挑戰(zhàn)。作為雙曲面異形建筑，局部含大跨度鋼結(jié)構(gòu)，屋面鋼結(jié)構(gòu)桁架懸挑。屋頂立面四周的裝飾架均為空間扭曲網(wǎng)狀曲面，結(jié)構(gòu)采用T形鋼板拼接，結(jié)合BIM技術(shù)進(jìn)行弧形定位設(shè)計(jì)。中庭螺旋樓梯直徑達(dá)10m，采用鋼板組合結(jié)構(gòu)，一體成型。文章圍繞結(jié)構(gòu)大跨度結(jié)構(gòu)及曲面鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀裝飾架的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)展開詳細(xì)介紹，以期為往后類似項(xiàng)目提供工程參考。

2 結(jié)構(gòu)體系與布置

2.1 結(jié)構(gòu)布置

工程采用混凝土框架結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)組合的結(jié)構(gòu)體系，大跨度部分通過鋼梁來實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目2層結(jié)構(gòu)西側(cè)為33m跨度鋼梁，截面高度為1400mm。結(jié)構(gòu)東側(cè)為入口曲面雨棚，最大跨度為28m，鋼梁高度為800mm。3～4層結(jié)構(gòu)西側(cè)為33m跨度鋼梁，截面高度為1550mm；5層（屋面構(gòu)架）在結(jié)構(gòu)的南看臺(tái)、西看臺(tái)和北看臺(tái)設(shè)計(jì)了鋼結(jié)構(gòu)裝飾架，截面采用T形截面，梁高180mm，梁寬100mm，板厚10mm。

2.2 三維模型設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目采用BIM正向設(shè)計(jì)指導(dǎo)整個(gè)設(shè)計(jì)階段工作，以確保各結(jié)構(gòu)構(gòu)件與設(shè)備及建筑專業(yè)在空間上相互避讓，并確保各關(guān)鍵構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)受力合理，傳力途徑明確。該工程采用TEKLA軟件進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)建模，進(jìn)一步保證鋼結(jié)構(gòu)詳圖精準(zhǔn)度，為后期鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工準(zhǔn)確性提供保證。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為III。整體結(jié)構(gòu)體系為混凝土框架結(jié)構(gòu)（帶少量剪力墻），其中抗震等級(jí)為框架三級(jí)，剪力墻三級(jí)，大跨度框架二級(jí)。

地下室采用無梁板結(jié)構(gòu)，局部采用無梁樓蓋。梁板結(jié)構(gòu)區(qū)域板厚160mm，無梁樓蓋區(qū)域板厚250mm，框架抗震等級(jí)為三級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)為三級(jí)。地下室不設(shè)縫，通過伸縮后澆帶解決超長(zhǎng)混凝土收縮問題，以滿足伸縮、變形及抗震的要求。

3.2 結(jié)構(gòu)整體分析

工程采用YJK軟件（2.0.3版）進(jìn)行彈性分析，保證力學(xué)分析的準(zhǔn)確性與可靠性。周期比是控制結(jié)構(gòu)在大震時(shí)，扭轉(zhuǎn)振型不應(yīng)靠前，以減少震害。計(jì)算結(jié)果顯示，周期比值為0.82，滿足規(guī)范要求。

位移比是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的關(guān)鍵指標(biāo)，如表1所示，列出在風(fēng)荷載和地震荷載作用下結(jié)構(gòu)整體在X和Y方向的位移情況，取樓層最大水平位移與樓層平均水平位移的比值。在風(fēng)荷載和地震荷載作用下結(jié)構(gòu)整體在X和Y方向的位移情況結(jié)果顯示：結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向上的層間位移比和位移角均滿足規(guī)范要求，說明結(jié)構(gòu)整體剛度具有足夠的富余度。

表1 結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和地震作用下的位移比值

剛重比主要控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生滑移和傾覆。YJK計(jì)算結(jié)果顯示：該結(jié)構(gòu)剛重比EJd/GH2大于10，能夠通過《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）中的整體穩(wěn)定驗(yàn)算；而且結(jié)構(gòu)剛重比小于20，可以不考慮重力二階效應(yīng)。該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)計(jì)算振型數(shù)大于15，有效質(zhì)量系數(shù)X向?yàn)?9.99%，Y向?yàn)?9.66%，均滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)整體最小地震剪力系數(shù)在X和Y方向均為1.000，滿足剪重比要求。

4 大跨度鋼梁

該項(xiàng)目游泳池上空鋼梁跨度達(dá)33m，鋼梁平面布置如圖1所示。鋼梁截面選用工字梁，梁高1400mm，梁寬550mm，板厚25～36mm。為了保證樓板的連續(xù)性，鋼梁與框架柱連接時(shí)采用剛接設(shè)計(jì)，鋼次梁與混凝土框架梁連接時(shí)采用鉸接設(shè)計(jì)。大跨度鋼梁現(xiàn)場(chǎng)吊裝采用分段吊裝組合施工，以確保實(shí)現(xiàn)大跨度安全施工。

圖1 大跨度鋼梁平面布置

對(duì)大跨度鋼梁分別在小震、中震和大震組合工況下的變形進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果表明，構(gòu)件的變形和承載能力均可滿足規(guī)范要求并能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)既定的性能目標(biāo)。

5 曲面鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀裝飾架

為了塑造建筑特有的生生不息運(yùn)動(dòng)氣質(zhì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮將連續(xù)曲面和大跨度等元素有機(jī)結(jié)合，建筑物在連續(xù)扭轉(zhuǎn)的復(fù)雜曲面中誕生，將結(jié)構(gòu)動(dòng)感韻律與剛?cè)嵯酀?jì)表現(xiàn)得淋漓盡致。主體結(jié)構(gòu)四周環(huán)繞著曲率各異的曲面鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀裝飾架，鋼構(gòu)件的定位與節(jié)點(diǎn)連接是整個(gè)曲面網(wǎng)架的關(guān)鍵所在，該項(xiàng)目結(jié)合BIM模型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件精準(zhǔn)定位。曲面鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀裝飾架平立面示意圖如圖2所示。

圖2 曲面鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀裝飾架平立面示意圖（單位：m）

復(fù)雜結(jié)構(gòu)與連續(xù)曲面的運(yùn)用勢(shì)必會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和自身剛度提出更高要求，為此通過對(duì)建筑平面和立面曲線的弧度精確設(shè)計(jì)，結(jié)合氣動(dòng)分析的結(jié)果，采用通用有限元分析軟件對(duì)曲面鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析。計(jì)算結(jié)果表明：最大應(yīng)力出現(xiàn)在桿件交匯區(qū)域，節(jié)點(diǎn)整體處于彈性范圍，可以滿足承載能力的設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

該項(xiàng)目主體采用混凝土框架結(jié)構(gòu)作為豎向抗側(cè)力體系。由于該項(xiàng)目包含較多大跨度以及曲面異型結(jié)構(gòu)，為提高整體結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，對(duì)關(guān)鍵部位和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了專項(xiàng)研究分析，得到以下主要結(jié)論。

（1）在大跨度鋼梁和鋼骨柱組合受力下的混凝土框架結(jié)構(gòu)，整體具有較高的承載能力，主體結(jié)構(gòu)剛度有較高富余儲(chǔ)備。計(jì)算結(jié)果表明：在風(fēng)荷載和地震作用下，結(jié)構(gòu)周期比和位移比等關(guān)鍵指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

（2）曲面鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀裝飾架通過與BIM結(jié)合實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目在突破技術(shù)壁壘的同時(shí)追求技術(shù)創(chuàng)新，通過多維度分析與設(shè)計(jì)取得了較好的工程效果，對(duì)后續(xù)工程具有指導(dǎo)意義。