杭州地區大跨公建屋面體系的分析

王建東，郁嘉誠，高　翔，馬琳皓，鄒名浩

(浙江工業大學建筑工程學院，浙江 杭州 310014)

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杭州地區大跨公建屋面體系的分析

王建東，郁嘉誠，高翔，馬琳皓，鄒名浩

(浙江工業大學建筑工程學院，浙江 杭州 310014)

摘要：大跨公共建筑的應用，不僅對建筑技術有著較高要求，也與當地的工程環境密不可分。在此，針對大跨建筑中的重要部分——屋面體系，根據杭州地區特有的經濟、自然環境等特點，結合杭州現有大跨公建項目的調查研究，對預應力混凝土結構與鋼結構這兩種結構體系在杭州的應用進行對比與分析，進而提出大跨鋼結構在杭州的發展趨勢。

關鍵詞：公共建筑；預應力混凝土；大跨鋼結構

大跨度建筑通常是指跨度在60 m以上，且結構的傳力路徑直接，內力分布合理的建筑結構。其應用范圍多在大型的公共建筑，如影劇院、體育場館和展館等。大跨度建筑發展久遠，國外一般將其發展分成三個階段，即古代空間結構、近代空間結構和現代空間結構。而我國大跨度建筑的發展相對較晚，但這些年在相關領域的研究發展卻很快。目前，隨著我國經濟水平的不斷提高，公共建筑(尤其是一些地標性大型建筑)的需求不斷增加。如2008奧運建造的主體育場“鳥巢”“水立方”和2014年杭州的奧體中心等。現今，大跨結構的發展已經相對成熟，應用也非常廣泛，形式以預應力混凝土和鋼結構為主。僅國內外現有的空間鋼結構就有38種之多，包括氣承式充氣膜結構、索膜結構、弦支網殼結構、索彎頂結構等[1]。

1杭州的工程環境

1.1地理環境

杭州地處長江三角洲南沿和錢塘江流域，是浙江省的政治、經濟、文化和金融中心。得益于京杭運河以及其通商口岸的地位，杭州成為重要的商業集散中心，以及進出口貿易的港口。

杭州市屬臺風災害易發區，每年5月下旬至10月中旬，杭州市常常受到臺風襲擊而出現大風、暴雨和暴潮天氣。其中70%以上集中在7月中旬至9月中旬。在1956—1985年的30年中，臺風影響共65次，平均每年2次。受臺風影響，東北部河網平原、濱海平原風力可達10～12級或以上，影響程度見圖1[2-3]。

圖1　杭州各地區受臺風影響程度

1.2經濟環境

杭州地處東南沿海，經濟水平發達，也是中國對外開放度較高的沿海省份之一。近些年，杭州地區在經濟上發展迅速，據《全國23個城市2015年上半年經濟數據》顯示，杭州經濟目前位列全國第11位，2015年上半年GDP為4 493.75億，同比增幅10.3%，增速位列第二，僅次于重慶。在建筑及相關領域的投入逐年增加，其中2014年杭州完成基礎設施投資已達1 005.53億元，增長18%；實現建筑業增加值433.81億元，比上年增長3.4%。

2杭州大跨度公共建筑屋面體系應用與分析

2.1典型公共建筑的調研

大跨度公共建筑主要用于民用建筑的影劇院、體育場館、展覽館、大會堂、航空港等其他類型的大型公共建筑。杭州現有六大類典型大跨公共建筑，其中包括影劇院(1處)、體育場館(3處)、展覽館(2處)、大會堂(1處)、航空港(1處)以及交通樞紐站(1處)調查發現，采用鋼結構作為屋面結構主體形式的有：杭州大劇院(圖2)、杭州奧體中心(圖3)、黃龍體育中心主體育館(圖4)與網球館(圖5)、杭州國際博覽中心(圖6)、杭州國際會議中心(圖7)、蕭山機場(圖9)、浙江省人民大會堂(圖8)、杭州東站(圖10)九處，而涉及預應力混凝土屋面形式的僅為杭州大劇院、黃龍體育中心、蕭山機場3處。

2.2杭州公共建筑體系的應用分析

在調研的3例涉及預應力混凝土的公共建筑中，屋蓋形式同時采用鋼結構與預應力混凝土結構的建筑僅有杭州大劇院，其整體建筑前后屋蓋由兩部分組成，后屋蓋采用了空間鋼網殼結構體系；前屋蓋采用了空間鋼桁架結構和預應力混凝土結構[4]。而其他的兩處建筑雖然涉及了預應力混凝土結構但均不是建筑屋面的主體結構形式，僅是部分構件。諸如屋面采用懸索結構的黃龍體育中心主體育場，僅在懸索挑篷屋面結構的外環梁上采用預應力混凝土[5]。類似的還有蕭山機場的航站樓[6]。可見，純粹的預應力混凝土在工程實踐中比較少，多與鋼結構相結合。

圖2　杭州大劇院

圖3　杭州奧體中心

圖4　杭州黃龍體育中心

圖5　杭州黃龍體育中心網球館

圖6　杭州國際博覽中心

圖7　杭州國際會議中心

圖8　浙江省人民大會堂

圖9　蕭山機場

圖10　杭州東站

結合上述的鋼結構公共建筑，大都是以空間網架結構作為屋面結構的基礎，如杭州東站主站房的屋蓋采用斜倒錐形橢圓鋼管柱和斜鋼管格構柱+大跨度變截面鋼管空間桁架的鋼框架結構(圖11)，杭州國際博覽中心的“飄帶”采用空間網架結構，而浙江省人民大會堂因為主會堂跨度相對上述兩者較小，為40 m×36 m，故在設計時采用了網架及40 m的鋼管桁架支承屋面的結構形式。

除了空間網架結構，通過調研發現弦支結構在杭州地區應用也較多。如杭州奧體中心與黃龍體育中心的網球館均在殼體結構的基礎上應用了弦支結構(圖12)。其中杭州市奧林匹克體育中心因為外圍罩棚跨度大，懸挑高，在設計時采用鋼結構，由空間管桁架+弦支單層網殼鋼結構構成整個體系。花瓣單元主要結構形式是徑向主桁架和弦支單層網殼，倒三角形組合而成的空間圓管桁架以及主桁架間的弦支單層網殼結構，將罩棚承受荷載再將力由支座傳導到混凝土看臺及平臺上[7]。而同類型的黃龍體育中心則采用單層肋環型網殼+張弦梁的雜交體系作為結構支撐。可見，在體育館這樣空間跨度大、屋面高度高和安全性要求高的大跨建筑，在網架及網殼結構中引入預應力張弦體系來滿足降低跨中撓度，減小對周邊支承結構的影響，改善桿件受力性能等的要求。同時，也提供了一種靈活、簡潔的建筑外觀。

圖11　杭州東站施工情況圖

圖12　杭州奧體中心弦支結構

2.3兩種結構體系的理論分析

首先，預應力混凝土的發展雖然已經有百余年的歷史，然而在上述的調研中不難發現，在我國的工程應用中并不廣泛，這可能是由于：

1)材料性能不足。與先進國家相比，我國的材料研究方面仍存在一定的差距，如歐美及日本采用的鋼筋多集中在400～600 MPa，尤其是日本，SM570鋼筋的抗拉強度達到570～720 MPa；歐美預應力混凝土強度為C70，而我國在這方面普遍低于上述國家。這導致在一些跨度較大，對結構要求較高的公共建筑上，采用預應力混凝土難以滿足要求。

2)施工工藝復雜，且存在預應力損失。先張法對于張拉臺座要求高，這導致在施工時需要一些專業的人員與設備，不易于施工推廣，而后張法的預應力損失比較明顯，諸如基于隨機變量的極值理論和構件裂縫數的可靠性有關研究發現，無粘結部分預應力混凝土結構的系統可靠性是較低的[8]。

3)造型相對單一，預應力混凝土難以做成弧形等其他復雜形狀。且相對于鋼結構，尤其是其中的張拉結構和膜結構，預應力混凝土的自重偏大，難以滿足特殊建筑的需要。可見，預應力混凝土結構在工程應用中存在局限性，因此，目前杭州地區的大跨公共建筑均以鋼結構為主。

其次，基于杭州特有的自然和經濟環境，鋼結構也更符合實際的工程應用。如杭州市屬臺風災害易發區，在屋蓋的設計時，需考慮疲勞強度。在這方面鋼結構的性能明顯優于混凝土結構。除此以外，杭州位于東南沿海，是浙江省會城市與開放窗口。在設計大跨建筑時，也要兼顧建筑的地域標志性與空間美學的特點。從這一角度上來說，大跨鋼結構形式豐富，造型優美輕盈也更加適合應用于地標性的工程建筑中。

最后，杭州經濟發達，對外交流頻繁。建設資金比較充裕，與國外的技術交流也比較頻繁，這都是鋼結構進一步在杭應用的有利外部條件。同時杭州的城市建設發展，以“生活品質之城”作為城市建設的綱領，對貼近民生的公共建筑有更大的需求。再根據《杭州市2014年重點建設項目名單》，2014年在建大跨度公共建筑的項目共有四例，且均采用大跨鋼結構。因而大跨鋼結構在杭未來的發展也順應了內部需求的理念。目前，國內建筑用鋼總量約占全部鋼產量的20%，且建筑用鋼又大多用于鋼筋、鋼絞線等基礎材料，真正用作鋼結構的僅占其中10%左右[9]。然而參照歐美的發展經歷，鋼結構必然是大跨建筑的主流。因此，可以預計杭州地區未來大跨鋼結構仍有廣闊的前景。

3結語

通過對杭州9例大跨公共建筑的調研與2014年規劃項目，鋼結構在杭州的應用前景明顯優于預應力混凝土結構。同時，基于杭州城市建設的發展規劃，未來也必然會有更多不同形式的鋼結構在杭州得到實踐。

隨著建筑材料與技術的革新，經常會推動大跨建筑的發展。目前國內外在這些領域研究廣泛，如纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic，簡稱FRP)與增材制造技術(俗稱3D打印)。其中FRP是由纖維材料與基體材料，按一定的比例混合后形成的高性能型材料，具有：

1)抗拉強度高，是普通鋼筋的2～10倍；

2)抗腐蝕、抗疲勞性能好；

3)熱膨脹系數與混凝土相近，協調性好；

4)質量輕，其重量一般為鋼材的20%；

5)良好的可設計性等特性。

今后，利用增材制造技術，將這種FRP材料與鋼筋、混凝土有效地粘合在一起，用于大跨建筑中，可以提高各構件中不同部位不同受力的性能。

參 考 文 獻

[1]董石麟，趙陽.三十年來中國現代大跨空間結構的體系發展與創新[C]//第十四屆空間結構學術會議論文集.北京：中國土木工程學會，2012：9-25.

[2]杭州市地方志編纂委員會.杭州市志[M].北京：中華書局,1995.

[3]俞布.杭州市臺風災害風險區劃與評價[D].南京:南京信息工程大學,2011.

[4]周嶸.大跨度結構在杭州大劇院工程中的應用研究[D].杭州:浙江大學,2005.

[5]楊治，關富玲，程媛.杭州黃龍體育中心網球館張弦屋面設計[J].鋼結構,2005,20(4):46-48.

[6]茆誠，沈建平，益德清.杭州蕭山機場預應力結構設計[J].浙江建筑,2000(5):14-16.

[7]楊想兵，傅學怡，廖新軍，等.杭州奧體博覽城主體育場結構設計研究[J].施工技術,2014(14):38-43.

[8]張俊芝，蘇小卒.無粘結預應力混凝土梁的體系可靠性分析[J].工業建筑,2004,34(1):36-38.

[9]劉錫良.國外建筑鋼結構應用概況[J].金屬世界,2004(2):1-3.

收稿日期：2015-12-24

基金項目：2015國家級大學生創新創業訓練計劃資助項目(201510337015)

作者簡介：王建東(1975—)，男，浙江紹興人，高級工程師，從事建筑材料與結構試驗教學和研究工作。

中圖分類號：TU393.3

文獻標志碼：A

文章編號：1008-3707(2016)03-0029-04

Analysis on the Roof System of the Large Span PublicConstruction in the Region of Hangzhou

WANG Jiandong, YU Jiacheng, GAO Xiang, MA Linhao, ZOU Minghao