濰坊火車站南站房蝴蝶造型屋面網架設計關鍵問題研究

寧業輝

1.工程概況

濰坊火車站為膠濟鐵路線上的一等客運站，既有北站房候車面積偏小，外部交通擁堵，為適應旅客運輸發展需求，在濰坊站站場南側新建南站房，站房總建筑面積25495.94m2，于2018 年底開工建設，2020 年底投入使用，開通之后濰坊站增加了一倍的候車面積，最高聚集人數能達到8000 人。

南站房總面寬175m，總進深67m，站房建筑高度為24.8m（室外地面至屋檐和屋脊的平均高度），站房采用鋼筋混凝土框架結構，結構設置兩道變形縫將站房分為A、B、C 三個區。南站房屋面以濰坊風箏文化為切入點，采用與北站房對稱的蝴蝶造型，營造南北站房 “南雄北秀，比翼齊飛”的外觀效果，通過具有張力的屋頂實現南站房的雄偉，襯托北站房的秀麗，隱喻濰坊鼎盛富足的風箏城市風貌，象征濰坊各項事業蒸蒸日上（見圖1）。

圖1 濰坊站南站房鳥瞰效果圖

2.屋面蝴蝶造型建模

濰坊站南站房屋面投影面積14900m2，為表達振翅欲飛的蝴蝶造型，屋面采用輕盈舒展富有變化的曲線輪廓，給人以強烈的視覺沖擊，這同時也給結構設計師帶來了不小的挑戰，如何將生硬的結構力學法則與生動的建筑形態完美地融合在一起，成為屋面結構設計的關鍵問題。為給旅客提供一個更加舒適寬敞的候車體驗，區別于既有北站房較密的柱網布置，南站房二層候車大廳采用大空間、全通透的設計，這樣導致作為屋面支承的框架柱全部布置于候車大廳的周邊，形成的屋面結構最大跨度為63m。結合屋面造型和承載要求，經過方案比選最終確定屋面采用大跨度空間網架結構形式，正放四角錐螺栓球節點（局部為焊接球），下弦支承[1]。

本工程頂層僅在左右兩側兩排柱距內布置辦公和設備用房，此區域內可利用的支承網架的框架柱布置較為密集，其余空間均為二層候車大廳，框架柱沿周邊布置，網架跨度從52m～63m 變化。網架四周均有懸挑，南、北方向最大懸挑長度分別為18m 和15m，東、西方向為蝴蝶造型的翅膀，最大懸挑長度12.5m（圖2），為營造輕盈靈動的立面效果，建筑要求懸挑部分的厚度越薄越好。結合屋面表皮的外輪廓造型，網架上弦桿所在的曲面已經確定，能夠允許結構自由布置的是下弦桿所在的曲面，根據《空間網格結構技術規程》，網架的高跨比可取1/10～1/15，B 區網架厚度由中間大跨度向兩端懸挑變薄，網架可布置為由中間厚逐漸向兩端變薄的類似“魚腹式”斷面（圖3），與兩端簡支結構構件受力圖形完全契合。A、C 區為三邊支承一邊開口的網架結構，網架厚度也從開口處較大逐漸向兩側變薄（圖4）。經過反復試算和優化截面，最終確定的網架中央區域厚度為3.5m，到懸挑端統一收為1.3m，既滿足了結構受力要求，又滿足了建筑挑檐輕薄的要求。網架在整體建模過程中，還需要考慮中央橢圓形排煙窗、水箱間開洞等區域的節點劃分，按照“厚度大網格尺寸大，厚度小網格尺寸小”的布置原則，保證相鄰桿件間的夾角大于45°且不宜小于30°，這樣構建的下弦桿所在曲面均為雙曲面，再采用腹桿連接起上下弦桿，最終形成網架三維模型。

圖2 屋面網架平面布置圖

圖3 屋面網架南北方向典型剖面

圖4 屋面網架東西方向典型剖面

3.結構設計參數取值

本工程結構設計使用年限50 年，屋面網架結構安全等級為一級，重要性系數1.1，站房所在地抗震設防烈度8 度，設計基本地震加速度值0.20g，設計地震分組第二組，建筑場地類別Ⅱ類，特征周期0.40s。

本工程按照《空間網格結構技術規程》規定，水平地震作用和豎向地震作用均采用振型分解反應譜法驗算，網架為混凝土框架柱支承，阻尼比取值0.03，水平地震影響系數最大值0.16，豎向地震影響系數最大值0.104。

主要荷載取值如下：上弦恒載0.50kN/m2（屋面板系統、檁條），下弦恒載0.50kN/m2（吊頂、燈具、檢修馬道等），屋面上弦活荷載0.50kN/m2，下弦檢修馬道活荷載1.0kN/m2，網架桿件自重由程序自動考慮，球節點自重按照占桿件自重比例30%考慮。

溫度作用按照升溫+25℃、降溫-25℃考慮。

雪荷載按照百年一遇雪壓0.40 kN/m2取值，因站房屋面高低起伏，存在明顯的波谷區域，其積雪不均勻分布系數取為2.0。

風荷載按照百年一遇風壓0.45kN/m2取值，地面粗糙度類別B 類，本工程屋面曲線造型復雜，對風荷載比敏感，而其體型系數在荷載規范中沒有完全對應的取值依據，為保證采用合理準確的參數，確保結構的抗風能力，特委托中國建科院對本工程進行風荷載CFD數值模擬試驗，得到不同風向（0°～180°范圍內每隔15°，共計13個風向）下屋面體型系數的計算結果。按照報告提供的試驗數據，在計算程序中輸入不同風向工況下的風荷載數據，充分保證結構設計安全。特別值得注意的是挑檐迎風向受負壓控制，體型系數合值可達到-2.4（圖5、圖6），如果沒有試驗數據，工程設計中很難估算取值，造成設計安全隱患[2]。

圖5 屋蓋上表面體型系數分布圖（0°風向）

圖6 屋蓋下表面體型系數分布圖（0 度風向）

4.結構計算分析

鋼網架結構計算采用上海同磊3D3S 結構分析軟件，三個區網架桿件共計16317 根，荷載組合考慮恒、活、風、地震、溫度相互組合，支座邊界條件考慮溫度作用引起桿件內力較大，在A 軸附近支座處沿著Y 方向釋放（X、Z 方向固定），其余均采用固定鉸支座（X、Y、Z 三向固定）。經過計算分析，支座反力Z 向最大為2120kN，水平向最大為990kN，本工程采用性能較好的抗震球形鋼支座，支座承載力應小于最大支座反力。經過截面優選、校核和節點設計，所有桿件最大應力比均控制在0.93 以下，最大桿件截面采用?245x14，螺栓球最大截面?300，螺栓最大為M68，因A、C 區三邊支承、一邊開口，開口處桿件內力過大，采用加大網架厚度等辦法效果不明顯，經過反復試算最終確定采用部分焊接球節點，焊接球最大采用WSR6025。在恒荷載與活荷載標準值作用下，A、C 區最大撓度值為196mm，B 區最大撓度值180mm，滿足撓度容許值L/250 的要求。網架主體結構用鋼量610t，折合每平方米用鋼量為41kg，較初設階段進一步優化，結構各項指標計算均滿足要求。

5.樹形柱及節點構造

本工程在站房正立面結合屋面蝴蝶造型設置兩顆對稱布置的樹形柱，柱頂三個曲線樹枝狀分叉，而站房正立面挑檐最大懸挑長度18m，CFD 數值模擬試驗顯示受風吸力較大，因此考慮在樹形柱柱頂采用銷軸連接與網架螺栓球節點進行連接（圖7），這樣無論在恒活載下壓的條件下，還是在風吸力條件下，都能對懸挑網架提供有效的支承條件，避免挑檐產生較大的變形。樹形柱由三根?500mmx20 圓鋼管（內灌C40 混凝土）通過連接板相互焊接成型（圖8），避免了采用鑄鋼節點而造成生產工藝繁瑣，分支鋼管彎曲的角度要結合網架球節點所在位置確定，加工尺寸需三維放樣確定。

圖7 樹形柱與網架下弦銷軸連接節點

圖8 樹形柱三維軸測圖

6.施工方案及撓度檢測

本工程屋面網架采用頂升+散拼的施工方案，即先進行B 區屋蓋結構頂升施工，然后進行兩側區域A 區2-5 軸、C 區14-17 軸屋蓋頂升施工，最后進行懸挑網架高空散裝施工。網架均需進行施工工況的驗算，頂升點應設置均勻，各頂升點處按照驗算結果需加大網架局部構件，保證網架施工安全穩定。網架施工過程中按照一系列質量控制保證體系進行，順利完成了網架安裝，并委托第三方檢測單位對網架撓度進行了測量，實際測量值均不超過對應荷載條件下撓度計算值的1.15倍，見表1，滿足《空間網格結構技術規程》JGJ 7-2010 的要求。

表1 網架屋面板安裝完成后撓度實測值與計算值對比（單位：mm）

7.結語

濰坊火車站南站房屋面造型新穎獨特，設計難點在于：（1）三維空間建模，良好的空間構型既要滿足建筑造型需要，又要符合結構受力原則，是得到合理計算結果的基礎；（2）網架結構跨度大、懸挑大，風荷載體型系數分布復雜，要充分分析結構計算結果，反復調整試算，得到合理的結構計算指標；（3）節點構造復雜，要巧妙地利用各種建筑造型構件作為有利的結構受力條件，完善各連接節點構造，使其與計算模型假定相契合。