羅源灣5D飛行影院結構設計

賴傳芳

(福建省建盟工程設計集團有限公司 福建福州 350019)

羅源灣5D飛行影院結構設計

賴傳芳

(福建省建盟工程設計集團有限公司 福建福州 350019)

結合羅源灣5D飛行影院工程實例，介紹了當前正在各地興起的一類特種影院的主體結構設計。針對該建筑主體結構平面內大開洞、躍層柱、柱間支撐、鋼筋混凝土結構與鋼結構穹頂相結合、少墻框架結構等設計過程中遇到的難點問題進行分析，提出解決方案。

平面內大開洞；躍層柱；柱間支撐；鋼筋混凝土結構與鋼結構穹頂相結合；少墻框架結構

0 引言

5D影院，特別是球幕影院，與傳統影院在建筑格局及造型上有所不同，有其獨特的一些特點。

本文通過羅源灣5D飛行影院工程實例的設計，歸納總結這一類型建筑結構設計過程中可能碰到的難點，供工程設計參考。

1 工程概況

圖1 5D飛行影院實景圖一

該工程項目位于福州市羅源灣濱海新城，如圖1～圖2所示。影院單體層數為4層，屋面以上為一個直徑達27.4m的鋼結構半球形穹頂，建筑高度為23.73m(室外地面至外裝飾鋼結構桁架高度的一半)。總建筑面積為3 300m2。標準層的結構板面積約為1 180m2。其中一層(含夾層)主要為大廳，二至四層為觀眾觀影區。標準層平面主要由觀眾區與球幕安放區構成，球幕為一個直徑為23m的半球體，半球豎向徑切面自一層豎立至屋面，因此，球幕安放區平面位置自二層樓面至屋面均需做大開洞處理。

圖2 5D飛行影院實景圖二

2 結構體系

影院單體結構為地上4層框架結構，屋面為鋼結構桁架穹頂。由于影院球幕放映設備安裝需要，建筑平面內在東側一跨范圍內樓板須大開洞(開洞面積已超過該層平面面積的30%)，東側一跨框架僅有南北兩側幾跑Z字形斜坡道板與框架柱連接，造成平面剛度削弱和分布不均勻。又由于洞口自二層樓面直通屋面，如圖3所示，導致平面東側7軸線上的一排框架柱成為在X軸方向上無樓板及梁約束的懸臂柱，如圖4所示，對結構安全不利。影院一層層高7.2m，二層層高3.6m，一層空間僅在半層高處設置了局部小開間夾層，實際上造成了豎向剛度分布不均勻。

圖3 飛行影院剖面圖

圖4 飛行影院平面圖一

圖5 飛行影院平面圖二

為盡量減小大開洞及懸臂柱對結構剛度、規則性及安全的影響，在不影響影院使用功能前提下，通過調整柱網，緊貼放映球幕外側，在平面東北、東南角逐層加設直角邊長為9.5m×8.5m的三角形結構板與斜邊梁，如圖5所示。這樣既有效增強了框架間水平連接，增加水平力通過樓板傳遞與分配的路徑，避免了此處形成懸臂柱。同時，增設結構板也減少了平面的開洞面積，使洞口面積占比降低至30%以內，避免造成樓板局部不連續結構平面不規則。結構板設置也為今后球幕設備安裝及檢修提供了平臺。

圖6 飛行影院結構布置圖

3 設計要點分析

3.1 少量剪力墻框架結構

針對平面大開洞和層高突變引起的結構剛度削弱及不規則，采取了如下措施：洞口周邊及坡道板設置為彈性板，并加大板厚，采用雙層雙向拉通的鋼筋網，如圖6所示。

通過初步計算，結構仍存在位移比偏大及側向剛度突變造成的薄弱層問題。同時，因平面大開洞造成的東西兩側剛度分布不均勻的問題仍未有效解決。為滿足規范對位移、剛度的要求，需大幅增加梁柱截面才能實現對結構指標的控制。因此，圍繞平面剛度被削弱的洞口周邊，在合適的位置布置了4片剪力墻，經計算對比，剪力墻的設置減小了結構的位移，同時也增強了結構的抗側剛度，降低了結構的扭轉效應。

3.2 柱間支撐

該工程一層層高達7.2m(僅局部半層高處設夾層)，為了增加該層的側向剛度，減小一二層之間的豎向剛度突變，在一層柱間適當位置設置了X型和V型鋼筋混凝土支撐，如圖7所示。經計算，增加支撐后的結構模型僅有位移比超1.2一項不規則類型，指標對比如表1所示。

因支撐首尾連接了相鄰兩根框架柱的柱底與柱頂，客觀上形成了多個以支撐為斜邊的大型直角三角形。當兩柱之間跨度較大時，支撐的構件長度也隨之加大。當結構發生位移變形時，一對支撐中必然有一個受拉一個受壓，此時受壓的支撐因桿件長細比較大，有必要補充其在該三角形結構平面外的穩定性驗算。該工程設置的支撐，當支撐構件受軸向壓力時，通過《混凝土結構設計規范》6.2.15條以及細長壓桿的臨界壓力計算的歐拉公式對其進行正截面受壓承載力驗算[1]，均有較大的安全儲備。

另外，設置支撐的區域構件較多，相互交叉，荷載傳遞路徑較為復雜。為達到框架結構體系簡單直接的傳力特點，支撐構件不宜直接承擔豎向荷載，才能更好地發揮其抵抗水平力作用的效能。因此，在計算時人為指定支撐構件的施工次序在所有構件施工次序的最后一步，且在施工圖中注明：支撐構件應做好鋼筋的預埋，待主體結構施工完成后再澆注支撐混凝土。支撐連接的框架柱按無支撐的計算模型的配筋結果包絡設計。

表1 結構指標對比

圖7 一層結構模型示意圖

3.3 鋼結構穹頂的整體計算

由于屋面上部連接了一個半徑為13.7m的空間網架穹頂結構，風荷載對于該結構的作用較大，不可忽略不計。因此，在進行整體結構分析時，有必要考慮該空間結構承受的風荷載[2]。

該工程采用盈建科結構軟件進行建模和計算。軟件提供空間結構(主要為空間桁架、網架殼體等)參與建模計算的模塊，整體計算模型組裝如圖8所示。由于空間層體型復雜多變，軟件目前尚不能自動算出該層的風荷載，需人工補充輸入。該工程采用蒙皮導荷的方式補充空間層風荷載，由軟件自動在空間結構外生成蒙皮，人工輸入作用在蒙皮外的風壓或者體形系數，軟件自動導算風荷載。蒙皮導荷在各個工況下分批選擇不同的荷載方向進行輸入[3]。比如對+X向風導荷時，選擇結構左側的構件并選擇+X荷載方向生成左側蒙皮，并在左側蒙皮上輸入正值的風荷載體形系數。再選擇結構右側的構件并選擇-X荷載方向生成右側的蒙皮，并在右側蒙皮上輸入負值的風荷載體形系數。當未區分左右(上下)側分別輸入蒙皮及相應正負值風荷載體形系數時，結構生成的風荷載會相互抵消，計算得到的風荷載很小，與實際不符(如表2中第7層)。

因為該工程結構由鋼筋混凝土主體結構與鋼結構穹頂組成，兩種結構的主體材料不同，因此，采用按材料取阻尼比的方式設置計算參數，使程序更準確計算地震作用[4]，計算結果如表2所示。

圖8 飛行影院模型組裝示意圖

表2 風荷載信息計算結果

3.4 躍層柱的計算

在建筑平面南北兩側的坡道中段位置的框架柱，為滿足坡道的凈高要求，該框架柱在Y軸方向無法與內跨柱通過框架梁連接，由此形成自一層樓面至屋面南北向無約束的躍層柱。而軟件建模中，因支撐坡道板需要，在坡道板標高設置懸挑梁，如圖9所示，由此形成模型中挑梁對該柱的逐層分割，軟件無法識別該柱實際不受挑梁的約束。因此，通過人工指定該柱的長度系數補充計算。按各層柱計算長度系數=18m(一層柱底至屋面柱頂的總高度)×1.25/各層輸入層高，計算各層長度系數并補充定義該特殊柱。該柱配筋按各層計算值最大者按柱全高通長配筋。

圖9 局部剖面圖

4 結論

(1)由于影院特種設備的安裝需要，不可避免地要在建筑平面內形成大開洞、層高突變等，由此造成的結構平面及豎向的不規則，可通過加強洞口周邊樓板厚度及配筋來加強，也可在適當位置設置少量剪力墻或支撐，主體結構仍然是框架結構，但此時結構的整體剛度都將有所提高[6]。

(2)隨著結構計算軟件的升級與優化，建筑中存在鋼桁架、鋼網架結構等空間結構時，可以將空間結構在軟件中進行建模、組裝、導荷及計算，無需通過各種等價代換的假定以考慮空間結構對主體結構計算的影響，結果也更為接近實際結構。

(3)結構計算軟件一般都能自動識別躍層柱，但當柱子一對邊僅一側或兩側均為懸挑梁時，需人工定義該特殊柱柱長系數，軟件才能按實際柱高計算。

[1] GB 50010-2010 混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2] GB 50011-2010 建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3] JGJ3-2010 高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[4] YJK建筑結構模型及荷載輸入用戶手冊[Z].北京：北京盈科軟件股份有限公司，2015：176-183.

[5] YJK常見對比問題分析(上部結構)[Z].北京：北京盈科軟件股份有限公司，2014：102-120.

[6] 朱炳寅.建筑結構設計問答與分析[M].北京：中國建筑工業出版社，2013.

The structure design of the 5D flight theater in Luoyuan Bay

LAIChuanfang

(JianMeng Design Group, Fuzhou 350019)

Regarding the 5D flight theater project in Luoyuan Bay, this paper introduced the main structural design of a kind of special theater which is emerging in many parts of the world.In view of the analysis of important and difficult problems such as the main structure floor with large openings, thermocline columns, column bracing, and reinforced concrete roofing combined with steel dome and less wall frame structure encountered in the design process of the main structure, this paper proposed a solution.

The main structure floor with large openings; Thermocline column; Column bracing; Combination of reinforced concrete roofing and steel dome; Less wall frame structure

賴傳芳(1988.8- ),男，助理工程師。

E-mail:303229556@qq.com

2017-03-20

TU318

A

1004-6135(2017)07-0090-04