某綜合體廣場裙樓鋼屋蓋大云頂結構的設計

上海建筑設計研究院有限公司 上海 200041

1 工程概況

某大型綜合體廣場，建造在上海市靜安區(qū)長壽路、萬航渡路路口。建筑效果圖見圖1。

圖1 建筑效果圖

基地南北長約200 m，東西寬約100 m，總用地面積為13 686 m2。建筑物地下3層；地上裙樓4層，總高度約19 m；主樓29層（包括設備/避難層），總高度約120 m。具體使用功能為5層的商業(yè)樓面（地上4層和地下1層），2層的停車場樓面（地下2層和3層），以及29層的主樓高層辦公綜合樓。建筑剖面見圖2。

地上部分建筑面積約為65 693 m2，地下部分建筑面積約為34 884 m2，合計約10 萬m2。

圖2 建筑剖面

主樓上部結構與裙樓之間設置抗震縫，將結構完全分開。由于建筑平面異常復雜，為了使得抗震縫的設置合理，主樓的底下5層帶有部分裙樓。主樓的結構形式為框架－核心筒結構；裙樓的結構形式為框架結構。3層地下室連成整體，設置施工后澆帶。

裙樓的屋蓋為自由曲線形鋼結構，稱之為“云頂”。該鋼結構頭部向上升高，另一端延伸到主樓內部7～8層之間。鋼屋蓋一端擱置在裙樓部分的混凝土屋頂上，延伸到主樓結構部分的鋼屋蓋，則設置于主樓結構挑空的2 個混凝土柱子的型鋼牛腿上，作為鋼屋蓋的支撐點。

2 “云頂”的建筑設計方案

“云頂”其建筑造型的幾何形狀可以概括為3 個直徑不同的部分球面組成，中間由2 個馬鞍形曲面相貫連接而形成整體。端部最大的部分球面投影約Φ40 m，且略帶傾斜并向上升高，一直延伸到主樓內部7～8層之間，其余部分的底部位于同一水平面。對于此球面部分，外方建筑師提出可參考意大利米蘭新貿易洽談會展中心（New Milan Trade Fair）玻璃頂棚的支撐點做法。

該建筑設計的創(chuàng)作靈感主要來源于傘的造型，即從支撐柱伸出若干斜桿作為分支點，如此可以有效減小支撐柱間的跨度，并達到輕盈美觀的建筑效果（圖3）。

圖3 米蘭新貿易洽淡會展中心柱支撐節(jié)點示意

3 風洞試驗及風荷載的取值

由于鋼結構“云頂”體形特殊，且大端部的球面部分之下為開放式空間，風荷載更成為整個鋼結構屋蓋設計的主要控制荷載，故委托了同濟大學土木工程防災國家重點實驗室對結構的剛性模型進行了風洞試驗，以測量主樓表面及“云頂”上的平均壓力及同步脈動壓力，并將試驗結果用于整體結構設計。

風洞試驗在同濟大學土木工程防災國家重點實驗室的TJ-3大氣邊界層風洞中進行，為保證試驗的效果，對于目標建筑周圍近400 m半徑范圍內的30 m以上高度的建筑環(huán)境均進行了同步模擬，整個試驗模型表面共布置了434 個測壓孔。

基于試驗得到的體形系數(shù)而計算的10 min平均風荷載（100年重現(xiàn)期）是結構設計的基本參數(shù)。在此基礎上，我們參照《建筑結構荷載規(guī)范》（GB50009-2012），考慮風振系數(shù)后的風荷載作為結構設計荷載。

風洞試驗報告提供了2 種不同形式的設計用風荷載，即陣風風荷載和極值風荷載供結構設計選用。通過對2 種數(shù)據(jù)最大最小值的差值比較，對于云頂?shù)脑O計，其設計風荷載以陣風風荷載為大，并以正壓為控制風荷載。上述結果同時與根據(jù)荷載規(guī)范計算的風荷載數(shù)據(jù)進行了比較，并確定以上述數(shù)據(jù)作為整個云頂結構設計的風荷載數(shù)值。

4 鋼屋蓋結構方案設計[1-7]

如前所述，建造師對于本項目“云頂”設計的最初構想是想以主樓5～8層挑空的2 個框架柱作為主支撐點，若參照米蘭項目的做法，須形成多點支撐以滿足結構的要求。但米蘭項目僅為單層鋼結構長廊，鋼柱承受的荷載很小，而本工程的挑空穿層柱是主樓的重要豎向受力構件，其上還有二十多層的樓層荷載，且由于挑空4 層，柱子本身的計算長度已很大，在中間再作用很大的水平力，會造成柱子的大偏心受壓，經(jīng)過計算比較，最后排除了該方案。

在與建筑師協(xié)商后，最初采用的替代方案是鋁合金結構薄殼+環(huán)梁的設計方案。即選用鋁合金作為結構主構件，主要是因為其自重輕，構件尺寸小，也能滿足建筑設計輕盈美觀的要求，但由于其強度較普通鋼結構低，而“云頂”主入口又是主樓與裙房連接的部分，跨度相當大，僅靠鋁合金薄殼結構自身無法滿足要求，故只能采用鋼環(huán)梁作為薄殼的支承構件，具體布置可參見圖4。

這個方案基本能夠滿足結構支撐的要求，也適當兼顧了建筑美觀的要求。從圖中也可以看出有5 根柱作為環(huán)梁的豎向支承構件。其中左邊有2 根Φ1 800 mm勁性混凝土大柱，右方有3 根Φ1 300 mm的勁性混凝土大柱，采用從勁性柱中伸出懸挑梁的方式來支撐鋼環(huán)梁。

圖4 擬用方案的主入口薄殼環(huán)梁仰視

雖然該方案基本解決了“云頂”大跨度支撐的問題，但由于鋼環(huán)梁的存在，不可避免地會影響整個屋面建筑的通透感，該方案最終還是未能得到建造師的認可。

經(jīng)過與建筑師的反復商討，最后確定的實施方案是鋼結構單層網(wǎng)殼方案，并對建筑形體進行了調整，即保留端部的球狀造型，僅對后端的馬鞍形曲面進行了簡化，調整為接近單向的拱形曲面。整個結構方案以單層網(wǎng)殼為主，僅在主入口等大跨度無支撐點區(qū)域，將其局部調整為雙層網(wǎng)殼，以滿足結構強度及撓度的要求，主框架柱支撐方式則改為從柱中合適高度處兩側各伸出1 個鋼結構牛腿作為分支點，如圖5所示。

圖5 最后確定的“云頂”支撐點示意

我們對整體鋼結構網(wǎng)殼采用有限元程序分析，其基本荷載考慮了自重、活荷載、雪荷載、風荷載、地震荷載及溫度荷載，其中溫度荷載按±30 K考慮。在正常使用極限狀態(tài)下，共考慮了7 種荷載組合。同時進行了整體穩(wěn)定性分析，并考慮了P-Δ效應及結構的幾何缺陷（考慮節(jié)點的最大初始位移為50 mm），計算結果，滿足設計要求。

5 “云頂”設計與主體結構設計的聯(lián)系

就結構本身而言，“云頂”原為獨立的鋼結構，但由于其跨越主樓與裙房，本身結構也相當復雜，故其對于主體結構的影響不容忽視。該影響主要體現(xiàn)在2 個方面：

其一，由于利用主體結構作為其支撐點，為保證連接效果，主體結構的支撐柱改為型鋼混凝土柱，特別是主樓中的2 根框架柱，在設計時須考慮節(jié)點的美觀。

其二，由于“云頂”的存在，特別是其延伸入主樓區(qū)域，造成與“云頂”相接處主樓L5～L8層的樓板嚴重缺失，導致該2 根柱子在該段高度范圍內沒有水平向約束，造成該處的剛度突變，形成了結構的薄弱層；且由于該相接處的樓板嚴重缺失，從而造成該部位的樓層剛度中心較多地偏移質量中心，造成平面不規(guī)則。

針對上述影響，我們對于主體結構的塔樓部分，有針對性地采取了加強措施，具體如下：

（a）加強豎向結構出現(xiàn)突變的樓層樓板厚度，在L4和L9層因為中間的L5～L8層部分樓板缺失，故該2 層樓板的厚度取150 mm，并加強樓板配筋。

（b）對于底部樓層的外框柱的配筋加強：自L10層以下的柱子均采取全柱箍筋加密，以提高柱子的抗剪能力；其中的2 根大柱子，由于無水平約束的自由長度超長，超過4 個樓層的高度，除了加大柱子的直徑（Φ1 500 mm），以控制柱子的長細比，且在柱子L10層以下部分設置型鋼加強。

（c）與斜柱相交的各樓層框架梁，考慮斜柱引起的水平力，在梁的兩側均設置受拉鋼筋，并加強相應部位樓板的配筋。

6 結語

本工程裙樓鋼屋蓋大“云頂”設計經(jīng)歷了多次結構方案比選，并通過與建筑設計的緊密配合及協(xié)商，最后的實施方案基本達到了與建筑設計的和諧統(tǒng)一。從實踐的經(jīng)驗來看成，“云頂”結構的設計亦非單純的鋼結構設計，需要協(xié)同考慮與建筑主體結構的聯(lián)系和相互影響，以滿足規(guī)范要求。