南京大學大學生活動中心結構設計探討

陳佳

【摘要】對于仿生類建筑帶來的特別不規則結構，本文就抗震縫設置、不規則處理、抗震性能設計、空間斜板抗震及溫度應力計算、空間曲面設計建模等方面進行了一些設計探索，就如何把握該類建筑的抗震概念設計，加強其抗震性能，提出了一些措施。

【關鍵詞】分塊包絡；抗震骨架；單向翼墻；輪廓包線

一、工程概況

南京大學仙林國際化校區大學生活動中心位于新校區中心位置，方案由美國哈佛大學建筑系主任Preston Scott Cohen教授設計。部分建成后的建筑實景照片如下圖1所示。

主樓高度為37.59米（主樓室外地坪至屋面面層），地上層數為10層，局部11層，無地下室，使用功能用于行政辦公。裙樓造型為仿自然生態，圍繞主樓以順時鐘方向盤旋上升，屋面低點高度7.65米，高點高度25.43米，其中又有高低起伏，其下房屋層數依高度為一層至三層，其寓意為大海中的波濤，而主樓如直立的燈塔，屹立于波濤之中，為大海中航行的船舶指引方向，其象征意義與大學生活動中心在青年學子中的地位緊密相扣。

本工程主樓與裙樓間設抗震縫，主樓平面、立面規則，扭轉不規則，為不規則結構；裙樓作為仿生態建筑，其不規則程度較高，就平面不規則而言，其平面形狀復雜，存在樓面錯層，樓面開洞，凹凸等多項不規則，就豎向不規則而言，屋面為一斜板攀高，高點與低點高差約18m，其下樓層有單層，有多層，已無傳統結構的層概念（層剛度、層位移角、層剪力），因此裙樓屬于平面、立面特別不規則結構。

圖 1 建筑建成后現場照片

二、設計特點

1、結構綜述

地基基礎擬采用高強預應力混凝土管樁。樁徑400、500。樁基持力層為4層粘土夾碎石層，樁端進入持力層深度不小于3倍樁徑。

上部結構主樓部分，采用現澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結構體系。主樓有一外部樓梯圍繞外立面盤旋向上，經與建筑及設備專業協商，外部樓梯采用梁式樓梯，利用主樓各標準層樓層梁出挑以支承該外部樓梯，兩標準層間梯段跨度9～10m，標準樓層懸挑梁的出挑跨度為2m。

上部結構裙房部分體型復雜，建筑功能復雜，有大劇場、小劇場、大小多功能廳、視聽廳、報告廳等，同時為與房屋體型及功能適應，單個樓層的樓面標高眾多，樓板錯層不連續，錯層柱較多，局部劇場部分因建筑功能要求部分樓面缺失。根據裙樓體型特點，結構選型有設抗震縫及不設抗震縫兩種考慮。設縫的優點在于：可大致按建筑功能將裙樓劃分為幾個單體，各個單體房屋高度相差高度較原方案有改善。傳統結構層概念有所體現，缺點在于：因房屋平面復雜，各個單體平面不規則，樓板錯層不連續，每個單體均為特別不規則結構；單體房屋高差仍很大，傳統結構層概念仍不明顯，而較多的抗震縫對建筑型體有較大影響，對未來使用也帶來較大麻煩。通過與建筑師協商及院內部結構方案論證，最終確定裙樓不設抗震縫，結構類型采用框架-少量抗震墻結構，房屋高度較高及單層空曠部位設部分抗震墻，抗震墻為雙向布置長墻且盡量圍成筒體形成空間結構。加強房屋剛度較小部分的剛度，使房屋各個部分剛度接近均勻。

本工程裙樓大劇場區域二層樓座及其上屋面存在34m跨度的大跨度梁，該梁采用預應力大梁，在劇院南面大劇場出口部位，屋面有一塊出挑區域，出挑最大跨度約8m左右，由于建筑效果要求，出挑結構高度盡量薄，通過協商，采用預應力變截面梁出挑，梁端部高度600mm，從建成效果看，達到了建筑效果要求。

2.裙樓結構抗震設計

裙樓為特別不規則結構，根據抗震規范，需根據結構不規則性特點，進行研究論證，采取特別的加強措施。

（2.1）抗震平面分塊包絡設計

裙房各個分部的房屋高度相差較大，層數有單層，多層，為剛度相差較大的各個分部聯成一個整體，因此，將房屋劃分為若干個部分，分別進行計算，與整體模型一起，進行平面分塊與整體包絡配筋設計，模型分塊示意圖見附圖。

圖2 計算模型的三維軸測圖

分塊1的屋面高度約25m，分塊1～5房屋高度依次降低，分塊5房屋高度約7m左右。各分塊結構及整體結構的x、y向第一周期如下表所示：

整體模型周期為0.736s（x向）、0.908s（y向），分塊模型的各向剛度剛柔不一，有周期大于整體模型周期的分塊，也有周期小于整體模型周期的分塊。大致隨房屋高度的降低，分塊剛度從小到大（周期從大到小），整體模型的剛度為其間的中間值。

通過表1可知，各分部聯結成整體抵抗地震作用，地震作用在各分部中進行了重新分配，剛度較小的分部的側向變形相較獨立結構將變小，而剛度較好的分部的側向變形增大，承擔了更大的地震作用，相當于整體模型中的弱骨架。根據抗震規范3.5.3條，結構體系宜有多道防線，結構設計時按整體模型計算結果及分塊模型計算結果進行配筋包絡設計，保證地震作用時骨架的承載能力，同時又保證骨架屈服時附屬結構獨立的承載能力，類似于在結構體系中建立弱形式的二道防線，避免因局部結構屈服導致整體結構喪失承載能力。

（2.2）中震彈性性能設計

根據抗震審查專家意見：因結構平面不規則，屋面高度相差較大，需保證中震作用下豎向構件抗彎及抗剪彈性，屋面構件部分屈服。該目標相比目前2010年版抗震規范規定的C級抗震性能目標略強。對結構進行中震彈性計算。分析結果有以下特點：

●高度較低區域加大柱截面可滿足中震彈性要求。

●劇場部分柱原截面較大，同時設置了鋼筋砼筒體抗震墻，加強截面配筋即可滿足要求。

●其他區域框架柱截面需加大較多才能滿足要求，進一步分析表明，框架柱均為單向而非雙向不滿足抗震要求。

根據上述特點，經與建筑師協調，房屋高度較低區域柱截面加大，房屋高度較高區域：單層空曠區域柱截面不變，加大配筋；其他區域柱截面加大至建筑師許可的最大程度，在中震彈性不夠的方向單向加剪力墻翼墻，翼墻同建筑師協商盡量為長肢墻，局部無法避免短肢處短肢墻的截面高度與墻厚之比不小于6。

截面、配筋按中震彈性分析調整后，根據抗震規范，進行pushover靜力彈塑性分析，附圖中給出了結構的能力曲線與需求曲線，能力曲線與需求曲線的交點性能點處結構的最大層間位移角約為1/260左右，滿足規范要求。

3.裙樓屋面斜板的設計

（3.1）屋面斜板地震作用下的應力分析

屋面斜板斜度較大，根據方案階段的計算結果，若將屋面板按坡屋頂用平屋頂方式建模模擬，結構的第一周期為1.4s，而將屋面板按真實斜度建模，結構的第一周期為0.9s，這表明，屋面斜板對抗側剛度的貢獻不容忽視，同時，各個分區域剛度相差較大，中間樓層樓面標高眾多，區部樓板缺失，完整的屋面板是將各個分區域連接成一個整體，有效空間協同工作的重要抗震構件。屋面板在地震作用下應具備一定延性，這對確保整個結構的抗震延性，實現抗震性能設計目標有重要意義。為確保抗震性能目標的實現，對屋面斜板進行中震彈性計算，經反復計算，調整板厚，對局部薄弱部位進行加強，最終屋面斜板中震地震作用下各向應力計算結果的最大值如下表2，詳細的圖形計算結果見附圖。

從計算圖形結果可以看出中震地震產生的樓板拉應力峰值出現在屋面板端角、轉折角部、屋面板縮頸部兩端，方向與屋面板長向方向大致相同，最大拉應力峰值未超砼拉應力設計值ft。

（3.2）屋面斜板溫度作用下的應力分析

屋面板x向長度約123m左右，y向長度約80m左右。屋面板呈盤旋上升之勢，為一側放U型板帶，U型板帶總長約280m，結構未設溫度縫，且屋面高度相差較大，其下豎向構件抗側剛度差異較大，且U型板帶形狀不規則，存在縮頸、轉折區域，使得屋面在溫度作用下呈現復雜應力狀態，有必要進行溫度應力分析。

溫度應力由砼的自身收縮及季節溫差兩部分產生，砼收縮應力通過等效當量溫度模擬，考慮為-15℃，屋面間隔30～40m設置后澆帶，后澆帶封閉前考慮砼收縮完成60%，砼水化熱產生的溫度應力設定在后澆帶封閉前已經釋放。對于季節溫差，南京最冷月份的平均溫度為-2℃，最熱月份的平均溫度28℃，對于季節溫差，選擇合適的砼澆注時間可有效降低結構的溫度應力，對于本工程，土建施工為6月份開始，為確保屋面砼澆注在低溫季節進行，通過與甲方及施工單位會商，明確屋面砼澆注的時間為來年三月份，該月的平均溫度為10℃。因此結構考慮兩種溫度工況：升溫：28-10-0.4*15=12℃；降溫：-2- 10-0.4*15）=18℃。計算應力時，溫度作用的組合值系數、頻遇值系數和準永久值系數分布取0.6、0.5和0.4，應力折減系數取0.3，砼彈性模量折減系數取0.9。

屋面斜板溫度作用下各向主應力計算結果最大值如下表3，詳細的圖形計算結果見附圖。

從計算圖形結果可以看出，溫度產生的樓板拉應力峰值出現在屋面板長向的端部和中部，最大峰值出現在中部，其值大于屋面板砼軸心抗拉強度設計值1.43MPa（C30），方向與屋面板長向方向大致相同，其位置與中震應力峰值位置不在同一區域。

（3.3）屋面板結構設計措施

根據計算結果，經院內部結構方案論證，決定沿屋面板長向通長施加預應力，以抵消砼產生的拉應力。因屋面板平面復雜，各區域抗側剛度相差較大，為避免施加預應力產生過大的次應力，將預應力筋的布置與樓面梁的設計結合起來，預應力筋全部集中布置在樓面梁中，預應力筋線型為直線筋，沿截面形心軸布置，僅施加預壓力，梁板截面施加的預應力平均壓力約為2MPa，基本抵消中震作用下屋面板的拉應力，大致保證溫度及預應力作用下屋面板砼的拉應力不超砼軸心抗拉強度設計值。預應力筋屋面結構布置圖見附圖。同時，加強材料及施工工藝控制，對材料、砼配合比、外加劑嚴格控制，對砼骨料、水泥品種、級配、外加劑。水膠比等給出具體量化指標，對砼澆注、養護給出詳細的技術要求。

4.裙樓施工的難點及設計的考慮

本工程造型獨特，屋面為平斜板+連接板組成，平斜板斜度及方向均不同，為空間平斜板，為保證空間平斜板平滑過渡，連接板呈現曲面板的形態，該點也是建筑造型的特色之一。下圖為其中一塊曲面板的單向視圖。斜板兩端端部橫截直線傾斜方向組成x型，以兩根端部直線為基準線按級數等分，相對直線連接兩端部直線等分點即得斜板網格線。左端最高臺階與最低臺階高差10m，右端最高臺階與最低臺階高差7m，斜板底面連接為一曲面。

圖3 曲面造型板A向視圖

曲面板區域較大，以上圖為例，該曲面板區域約40*50m，越過好幾個柱跨，區域需布置框架梁及板格屋面梁，同時，由于使用方要求，隨屋面高度增加，其下樓層數也增加，以保證盡可能多的使用面積，樓層過渡區域頂層樓層的使用凈高沒有富余，屋面層梁應緊貼曲面板，呈曲線梁造型。由此，曲線梁、曲面板施工如何定位成為一個難點，目前尚無專業結構軟件解決該問題，根據本工程特點，利用現有cad軟件，建立實體模型，再對實體在需要的方向取截面，可得該方向建筑造型的上下輪廓包線，結構骨架層應位于該包線之中，對于曲梁，采用折線去逼近曲線，給出折梁的折點處的位置及標高，對于曲板，設計采用網格三角形逼近曲面，每個三角形區域為斜平板，詳細定位圖給出每個三角形的坐標和標高。通過對實體模型若干方向取一系列截面，對曲面區域所有的梁高、板厚及梁板的轉折形狀進行定位，確保建筑造型及其下使用空間凈高，設計給出每根梁，每塊折板的模板定位圖，以指導施工。下圖為典型折梁、折板模板定位圖。

圖4 典型折梁、曲板模板定位圖

對于屋面斜板，局部區域斜板斜度過大，施工澆筑困難，通過與施工、監理會商，對砼配合比提出要求，避免初凝過早，同時對施工過程操作給出詳細要求，在滿足施工條件下，盡量減少坍落度，避免在大風降溫天氣時澆注砼，施工中根據斜板傾斜度不同，采取相應的措施，斜度較大板表面設置模板，斜度中等板表面采用小間距鋼絲網格壓面，斜度較小板采用大間距鋼絲網格壓面。通過各方努力，順利解決斜板成型問題。

三、結語

本工程為本院首例與國外建筑師合作項目，因國外建筑師抗震概念薄弱，建筑方案過于強調仿生，結構平、立面復雜，為特別不規則結構，通過施工圖設計階段與建筑師的緊密配合，審圖階段結構專家的指導，以及施工階段甲方及施工單位的大力支持，對該結構在方案、設計、施工三階段認真準備，精心設計，以及積極配合施工，較好的完成了該項工程的建設。

參考文獻：

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