馬穩(wěn)，張博

（中信建筑設(shè)計研究總院有限公司，武漢 430000）

1 引言

近年， 隨著文旅產(chǎn)業(yè)的興起， 各種大型主題樂園不斷涌現(xiàn)。 樂園的建造，不再是簡單的游樂設(shè)施的匯總，慢慢發(fā)展成：從游樂設(shè)備、建筑物到環(huán)境設(shè)施、景觀都圍繞某一主題而進(jìn)行包裝，形成一個有特定主題統(tǒng)領(lǐng)的游樂園[1]。 包裝設(shè)計作為樂園主題效果的重要體現(xiàn)，是視覺效果的關(guān)鍵[2]，逐漸成為建筑設(shè)計領(lǐng)域的新名詞。 不同于常規(guī)建筑物的設(shè)計，樂園建筑物常常需要在滿足建筑功能的前提下，配合樂園主題風(fēng)格，將外表設(shè)計成特有的外部形態(tài)，呈現(xiàn)出特有的空間效果。 這類有特殊造型要求的建筑物的設(shè)計為結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了許多挑戰(zhàn)。 本文以國內(nèi)某兩大型水上樂園中的帶外包裝建筑物的設(shè)計工作為例，分析樂園類帶外包裝建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點。

2 工程概況

圖1 所示為襄陽某水公園假山造型的建筑物， 山體造型復(fù)雜，橫跨65.8 m，最大縱深66.6 m，山體總高度24 m，山頂設(shè)有一25 m 高飛船造型塔。 假山作為園區(qū)內(nèi)的主要建筑物，山體內(nèi)設(shè)有設(shè)備用房、工作人員辦公用房、游客內(nèi)部通道、觀景平臺等。 同時，假山融合了部分游樂項目，利用山體在不同高度上布置游樂項目， 山腳處懶人河與極限河兩條人工河貫穿其中，正前方設(shè)有舞臺及造浪池，山間還有空中激流河大型滑道“纏繞”其中，增強了樂園的趣味性和整體氛圍，但也為項目的設(shè)計工作帶來了難度。

圖1 假山造型建筑物效果圖

圖2 所示為衡陽某水公園的瑪雅金字塔造型的建筑物，橫跨54 m，最大縱深35.9 m，總高度34.8 m。正前方為舞臺及造浪池，兩側(cè)設(shè)有高22 m 構(gòu)筑物造型塔，內(nèi)部設(shè)有3 層建筑功能區(qū)，涵蓋設(shè)備用房、配電所、工作人員辦公用房、會議室、儲物間等。

圖2 瑪雅金字塔造型建筑物效果圖

3 設(shè)計策略及設(shè)計要點

樂園類帶外包裝建筑物的設(shè)計不僅僅是要考慮外部形態(tài)、表皮視覺效果的實現(xiàn)，還需要兼顧內(nèi)部功能、消防疏散、游樂設(shè)備安全等建筑需求。 可以將這類建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作拆分為3 部分：主體承載體系可設(shè)計為鋼筋混凝土框架，滿足內(nèi)部建筑功能的需求；基于主體框架，順著包裝造型在框架上靈活布置不規(guī)則的主鋼結(jié)構(gòu)； 次鋼結(jié)構(gòu)及包裝材料支撐于主鋼結(jié)構(gòu)上，完成表皮造型。

3.1 主體框架結(jié)構(gòu)

基于包裝設(shè)計公司提供的表皮， 建筑按照需要的層高對表皮進(jìn)行剖切，得到每層邊界線，與邊界線保持足夠的距離布置各層功能用房，保證建筑功能用房藏于表皮下。 根據(jù)建筑平面圖建立主體混凝土框架， 同時對于表皮內(nèi)部較大空間處也添加混凝土梁、板、柱作為主框架，減少鋼結(jié)構(gòu)的用量。 對于一些空間不規(guī)則表皮， 需借助三維軟件輔助建模， 如3DMAX、Rhino 軟件。

在設(shè)計混凝土主體時， 對于作用在主體上的包裝荷載如何考慮是設(shè)計關(guān)鍵。 一般可以采取兩步走來設(shè)計鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)：第一步，通過包裝造型展開面積投影到作用范圍來等效計算出作用于混凝土主體對應(yīng)位置的荷載（面荷載或線荷載），計算出鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸及配筋；第二步，是待與混凝土主體相連的主鋼結(jié)構(gòu)計算完成后，提取主鋼結(jié)構(gòu)與混凝土主體相連處的支座反力， 加載于混凝土主體實際作用處，完成鋼筋混凝土主體的復(fù)核計算。 通常對基礎(chǔ)、梁、柱的設(shè)計，第一步計算已經(jīng)能完成設(shè)計；對于板的設(shè)計，需取兩次設(shè)計的包絡(luò)值設(shè)計。 但對于特別高聳及重要鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)將其與鋼筋混凝土主體整體建模計算。

3.2 主鋼結(jié)構(gòu)

根據(jù)前述第一步計算得到的鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸建立實體模型，利用3DMax（或Rhino）軟件導(dǎo)入包裝表皮下， 下一步需在規(guī)則的混凝土主體與異形扭曲的造型外表皮之間架建立主鋼結(jié)構(gòu)體系。 采用在混凝土主體上立鋼豎桿的方式進(jìn)行Z 向找形，鋼豎桿橫縱間距控制在3～4 m，各鋼豎桿高端按照頂端與表皮的距離按照包裝設(shè)計單位的要求放樣（一般離外表皮400～800 mm 范圍由包裝設(shè)計單位搭次鋼結(jié)構(gòu)體系完成）。 針對異形結(jié)構(gòu)建模的復(fù)雜性，在項目中引入?yún)?shù)化建模技術(shù)， 利用Rhino+Grasshopper 平臺對包裝模型進(jìn)行參數(shù)化處理，考慮包裝內(nèi)退距后建立結(jié)構(gòu)控制面，調(diào)整參數(shù)控制平面X、Y 方向的豎向構(gòu)件水平間距， 通過內(nèi)部點陣投影，得到結(jié)構(gòu)控制面上的控制點，與底部連線后得到各層所有的豎向構(gòu)件軸線；調(diào)整參數(shù)控制Z 向的水平構(gòu)件垂直間距，得到水平構(gòu)件軸線。 之后將得到的主鋼結(jié)構(gòu)線模與混凝土主體結(jié)合在一起， 對局部進(jìn)行調(diào)整， 并根據(jù)計算需要設(shè)置斜向支撐。 圖3 為假山造型建筑物內(nèi)部主體混凝土框架及主鋼結(jié)構(gòu)示意， 圖4 為瑪雅金字塔造型建筑物內(nèi)部主體混凝土框架及主鋼結(jié)構(gòu)示意。

圖3 假山主體混凝土框架+主鋼結(jié)構(gòu)示意

圖4 瑪雅金字塔主體混凝土框架+主鋼結(jié)構(gòu)示意

3.3 次鋼結(jié)構(gòu)及包裝

前述主鋼結(jié)構(gòu)與包裝外表皮的距離控制在400～800 mm，包裝單位根據(jù)表皮做法搭建次鋼結(jié)構(gòu)體系（鋼龍骨+鋼絲網(wǎng)等）來支撐包裝材料，以完成表皮造型。 按照包裝造型特點，常用的包裝材質(zhì)有：FRP （玻璃鋼）、TCP （玻璃纖維增強混凝土）、GRC（水泥直塑）等。 各包裝材質(zhì)特點、重量及主要運用場景如下。

1）FRP 俗稱玻璃鋼，質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕、可設(shè)計性好等， 一般用于制作各種復(fù)雜的造型。 玻璃鋼造型厚度一般為6～10 mm，荷載標(biāo)準(zhǔn)值折算約0.35 kN/m2。

2）GRC 即玻璃纖維增強混凝土， 一般用作造型的外掛預(yù)制件、屋面瓦及大樣線條等。 GRC 預(yù)制件厚度一般35～45 mm，荷載標(biāo)準(zhǔn)值折算約1.2 kN/m2。

3）TCP 亦稱作水泥直塑，一般用來制作仿真木材、石材等造型。 TCP 造型厚度一般50～120 mm， 荷載標(biāo)準(zhǔn)值折算約1.5～2.5 kN/m2。

以上荷載為包裝材質(zhì)自身重量， 設(shè)計時還需考慮次鋼結(jié)構(gòu)的重量，次鋼結(jié)構(gòu)荷載通?？煽紤]0.5 kN/m2；計算包裝荷載時需按照包裝造型的展開面積來計算，造型復(fù)雜、凹凸不規(guī)則等無法統(tǒng)計的情況應(yīng)適當(dāng)考慮1.2～1.5 的荷載放大系數(shù)。 此外，設(shè)計時還需注意考慮凹凸造型處冰凍積雪的不利影響；出屋面造型塔等高聳包裝造型需在一定范圍內(nèi)預(yù)留施工荷載。

3.4 關(guān)鍵節(jié)點

主鋼結(jié)構(gòu)焊接于混凝土主體上的預(yù)埋板，預(yù)埋板可以采用預(yù)埋或者后錨固措施固定于混凝土主體結(jié)構(gòu)上。 鋼豎桿底端焊接于混凝土主體板面、梁面設(shè)置的預(yù)埋板上，并設(shè)有400 mm高混凝土保護(hù)墩， 圖5 所示為典型的鋼豎桿與板面預(yù)埋板連接處剖面示意；鋼豎桿側(cè)邊或鋼斜桿上端與梁側(cè)、柱側(cè)設(shè)置的預(yù)埋板連接，連接處設(shè)置長圓孔構(gòu)造，釋放豎向位移，避免鋼構(gòu)件在溫度變化下伸縮而引起主體構(gòu)件的二次受力破壞，圖6 所示為典型的鋼斜桿與梁側(cè)預(yù)埋板連接處剖面示意圖。

圖5 鋼豎桿與板面預(yù)埋板連接處剖面示意圖（單位：mm）

圖6 鋼斜桿與梁側(cè)預(yù)埋板連接處剖面示意圖（單位：mm）

3.5 防腐及防火要求

考慮到包裝鋼結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境， 根據(jù)JGJ/T 251—2011《建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)規(guī)程》[3]，包裝鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性等級定為Ⅳ級（中腐蝕），耐久年限為15 年以上。 同時，考慮到包裝鋼結(jié)構(gòu)隱藏于包裝表皮下，不便于檢修與維護(hù)，故對于包裝鋼結(jié)構(gòu)防腐及防火涂裝的設(shè)計不同于普通鋼結(jié)構(gòu)工程。 表1 所示為本工程項目設(shè)計說明中對于包裝鋼結(jié)構(gòu)防腐及防火涂裝要求，從表1 中可以看出防腐涂料中間漆遠(yuǎn)高于JGJ/T 251—2011《建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)規(guī)程》附錄B 給定的參考值，同時不設(shè)面漆層。

表1 包裝鋼結(jié)構(gòu)防腐及防火涂裝要求

4 結(jié)語

包裝設(shè)計逐漸成為建筑設(shè)計領(lǐng)域的新名詞， 不同于常規(guī)的設(shè)計，包裝通常是造型各異、異形扭曲，這為整體的建筑效果帶來了許多靈動和特色，同時也為結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來許多挑戰(zhàn)。當(dāng)前隨著參數(shù)化建模技術(shù)的發(fā)展， 為結(jié)構(gòu)設(shè)計工作提供了便利，如利用Rhino+Grasshopper 平臺對不規(guī)則的非線性建筑造型進(jìn)行處理，能自動生成網(wǎng)格線用于結(jié)構(gòu)建模，大大提高了結(jié)構(gòu)工程師的建模效率。 但對于像假山一類還需融合其他設(shè)備的樂園建筑物， 外包裝表皮下結(jié)構(gòu)模型的建立還需結(jié)合建筑功能，依靠軟件參數(shù)化自動建模還不足以完全自動化，需根據(jù)建筑功能對參數(shù)化建模成果進(jìn)行局部調(diào)整， 特別是對于一些復(fù)雜功能區(qū)域，人為判斷尤為重要。 本文以兩個帶外包裝建筑物的設(shè)計工作為例， 對帶外包裝建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計要點進(jìn)行了闡述，相關(guān)設(shè)計思路可為類似項目提供參考。