黑龍江省木雕及冰雪文化藝術館設計

劉海峰 徐樹全 毛小東

(哈爾濱工業大學建筑設計研究院，黑龍江 哈爾濱 150090)

1 工程概況

黑龍江省文化產業示范區中國木雕館、冰雪畫文化藝術館建筑物長度220 m，寬度約24 m，建筑高度為21.22 m,建筑主體平面沿用地成“一”字形展開，外形為自由曲面。該建筑為國內少有的不規則建筑物，建筑的設計靈感來自于當地的冬季景觀，建筑形體概念源于枯木融冰的意象，建筑形體兩端簡潔中部突變扭曲，生成具有動感的整體形象，外形酷似一件極具創意的雕塑作品。結構效果圖及實物圖見圖1，圖2。

地面以上結構形式采用平面鋼架，主入口采用空間桁架結構。建筑物共2層，局部3層，其中1層層高6.5 m，2層層高5.5 m，3層夾層隨屋面高低錯落變化。中間主入口處門洞口跨度有42 m寬無柱，洞口上部設置人行走道。門洞位置設置了上下雙層空間拱桁架，上層拱桁架與屋面鋼架梁相連接，下層桁架與樓面梁拉結，兼作樓面走道的支架。底部洞口為門口，上下拱桁架之間的洞口即為窗口。整個結構沿長度方向設置了四道支撐，每道支撐間距將近60 m。

本工程外形創意為一根平放的圓木，外立面多不規則洞口，高度變化，多折線，外形不規則且無規律。內部空間為滿足展示要求，多處開大洞。本文將針對本鋼結構設計過程分析進行詳盡的介紹。

2 鋼結構方案選型

2.1 結構方案比選

異形復雜的建筑作品結構的實現難度較大，既要保證建筑的外立面效果，又要滿足內部使用功能的要求，且要保證結構受力合理，安裝方便，通過一系列的分析比較，并與建筑師反復核對，確保結構方案的可實施性。本結構方案經比較初步確定采用網殼方案和平面剛架結構方案，下面對兩種結構方案的比較結果闡述如下。

方案1：對本結構外形控制主要采用單層網殼結構，內部采用鋼框架。網殼結構用多個小單元沿曲面方向組拼來擬合復雜的異形曲面結構。

方案2：采用平面剛架結構，主入口采用桁架結構。平面剛架按軸網布置，剛架外輪廓完全與建筑一致，入口位置剛架與桁架拉結，形成空間受力體系。

以上兩個方案均可以實現建筑要求的立面效果及使用功能要求，但兩個方案的受力性能仍有一定的差別，為了確定最合理的結構方案，利用Midas.gen軟件進行分析，得出結構的周期結果，最不利荷載組合作用下的結構位移，1.0恒荷載和1.0活荷載作用下結構的變形值和結構的用鋼量大小。具體計算結果見表1。

表1 方案比較結果

經以上比較，方案2具有受力合理和安裝簡便的優勢，對地下室混凝土結構的影響較小，雖然其用鋼量略高于方案1，但豎向剛度和動力性能均優于方案1。故選定方案2為最終確定的實施方案。

2.2 主結構優化

本工程由30榀形狀完全不一致的剛架組成，其典型剖面見圖3。剛架最大跨度約20 m。入口處由上下分開的兩個空間桁架組成，為了實現建筑效果，該兩部分結構外形要與建筑控制結構面一致。

結構優化既要保證結構的受力性能，盡可能的降低結構用鋼量，又要保證結構構件盡可能的小，實現建筑的效果要求，對結構進行了一系列的優化處理。剛架由原來的全部采用箱型截面調整為下部受力大的部分采用箱型截面，上部屋面采用H型鋼截面；對大跨度鋼梁采用加腋做法；柱腳采用鉸接柱腳，以此來減小對地室柱的影響，從而減少混凝土用量。

通過比較支撐對結構整體剛度的影響(見表2)，有支撐時結構剛度大于無支撐體系。且本結構體系為平面剛架結構，故支撐系統是該結構形式的重要組成部分，因此最終采用有支撐結構體系。

表2 周期結果比較 s

3 結構計算

該結構計算采用整體三維模型計算，該方法可以考慮不同剛架及連接剛架的構件相互作用，得到的結構內力和位移響應也較準確。

本工程考慮到其復雜程度，計算內容除常規的及結構靜力、動力分析外，還補充了結構的整體穩定分析，拱腳節點有限元分析等內容。

為保證分析結果的準確性，分析軟件采用了3D3S和Midas.gen有限元計算軟件，兩種計算軟件通過相互校核，確保分析結構的準確性。并采用Ansys軟件進行節點實體模型分析。計算模型見圖4。

3.1 荷載取值

計算荷載主要包括恒荷載、活荷載、雪荷載、風荷載、溫度作用及水平地震作用。主要荷載取值(見表3)。

抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，阻尼比取為0.04；溫度效應按升降20 ℃考慮，其中施工合龍溫度為室內正常使用溫度10 ℃～15 ℃。

表3 結構荷載表 kN/m2

3.2 結構設計分析

經計算并優化，確定鋼屋蓋結構各部分桿件的截面形式，柱采用箱型截面和H型鋼截面，梁采用H型鋼，桁架采用圓形鋼管截面。整體結構的應力比云圖，如圖5所示，結構構件應力比分布圖，如圖6所示，其中關鍵桿件應力比不大于0.9，其他桿件應力比小于1.0。結構最終總用鋼量約105 kg/m2。

結構在荷載標準組合作用下，屋面剛架梁豎向位移最大為49 mm，為結構跨度的1/306；主入口拱最大變形97 mm，為結構跨度42 m的1/402。結構豎向變形滿足規范要求。

本結構水平荷載控制工況為風荷載，地震對結構不起控制作用。經計算，水平風荷載作用下結構水平位移為22 mm，位置發生在結構最高點21 m處，水平變形是結構高度的1/954，結構側移滿足現行規范要求。

提取結構的前3階自振周期，詳見表4，1階～3階的振型圖見圖7。從表4中數據可見，結構的前3階振型整體振動，表明結構的整體剛度較好。

表4 結構動力特性

基于Ansys對拱進行非線性穩定計算，同時考慮了材料非線性及幾何非線性。根據Q345鋼材相關特性定義塑性材料，初始缺陷最大值取為跨度42 m的1/300，按照線性屈曲第一屈曲向量分布添加初始缺陷,結構失穩后整體位移形態及極限狀態下位移最大點的荷載—位移全過程曲線如圖8所示。從圖8中可以看出，在考慮鋼材的彈塑性后，鋼結構部分極限承載力為恒載+活載的12倍，滿足規范要求。

本工程由于入口處拱腳推力較大，拱腳最大推力將近2 000 kN，該節點采用半球節點，埋件設置抗剪鍵。現取拱腳節點進行實體建模有限元分析，見圖9。

分析結果表明拱腳采用半球加肋節點，該節點有限元分析顯示最大應力302 kN/m2，在兩根主管相交位置應力集中，通過對該位置的補強措施，能保證節點有足夠的安全儲備。

4 結語

黑龍江省文化產業示范區中國木雕館、冰雪畫文化藝術館鋼結構經初步選型設計，明確該結構最優方案為柱腳鉸接的平面剛架與空間桁架結構的組合體系，其結構形式簡潔，受力性能較好。通過詳盡的計算分析，確保結構的強度和剛度滿足規范要求，確保了結構的使用安全。