化繁為簡
——論聚春園會展酒店的結構設計

林 航

(福州市建筑設計院有限責任公司 福建福州 350011)

1 項目概況

聚春園會展酒店位于福州市中心，靠近會展中心和閩江。酒店地上建筑面積78 761.33 m2，地下室面積32 635.48 m2。地上共2棟21層建筑(A、B塔)，其中一至四層為裙房，A塔五至二十一層為酒店、行政酒廊,B塔五至十一層為開放式辦公、十二至二十一層為酒店。A、B塔高度99.90 m，裙房高度為23.99 m，地下設二層地下室,建筑功能為停車及相關設備配套用房，地下室為全埋式，埋深約11.0 m，人防單元設在地下二層，如圖1所示。

圖1 建筑實拍

酒店2016年竣工，2019年獲得結構專業(yè)福建省優(yōu)秀工程勘察設計三等獎。該工程結構設計有以下幾個亮點：

(1)采取合理的結構措施，既不影響建筑使用功能和造型，又避免了結構超限，大大縮短了設計工期，降低了土建造價。

(2)大膽設計，小心求證。該工程于裙房1層大廳至2層，設置540°大型鋼螺旋樓梯一部。樓梯內徑2.8 m，外徑7.4 m，旋轉540°，高度6.55 m，中間無支撐柱，結構較為復雜。

2 工程地質概況

場地位于福州斷陷盆地東段，場地附近不具備發(fā)生強震條件。此外，不存在埋藏的河道、溝浜、墓穴等對工程不利的埋藏物，未發(fā)現(xiàn)崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等地質災害，場地穩(wěn)定性總體較好，適宜建筑。

勘察場地地層主要由雜填土①、中砂②、淤泥質土③、粉砂④、淤泥質土⑤、粉土⑥、中砂⑦、淤泥質土⑧、粉土⑨、中砂⑩、圓礫、中砂、強風化巖組成。場地地層結構復雜。

本場地抗浮設計水位按羅零高程6.00 m考慮。

場地地下水對混凝土結構具微腐蝕性。場地地下水對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性。場地淺部土層對混凝土結構具弱腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性。

3 結構體系

該工程A、B塔樓均為21層，高度約89.60 m，采用框架-核心筒結構體系；裙房4層，高度23.99 m，采用框架剪力墻結構體系。裙房千人宴會廳尺寸為29 m×45 m，因功能需要，梁跨度為29.0 m。該部分屋面采用周邊簡支的主、次鋼梁支撐體系，壓型鋼板組合屋蓋。主樓框架-核心筒的框架柱采用鋼骨混凝土柱。

4 結構設計亮點

4.1 設計中的化繁為簡

按方案要求該工程存在裙房引起的結構超限和切縫后設備層引起的超限情況。結構設計中，采取合理的結構措施，既不影響建筑使用功能和造型，又避免了結構超限，大大縮短了設計工期，降低了土建造價。

4.1.1 裙房引起的超限情況

福州是“茉莉花茶”的發(fā)源地，該方案以福州的“茉莉花”為概念設計的意向，在平面的總體布局上，體現(xiàn)茉莉花的花瓣以及葉片的造型。如圖2～圖5所示，左側的葉片為A塔樓，右側的葉片為B塔樓。

圖2 二層平面圖

圖3 三層平面圖

圖4 四層平面圖

圖5 五層(裙房屋面層)平面圖

最初境外方案方KKS要求，A、B塔與裙房不設縫。若按該要求，則結構具有多塔的復雜類型、且同時具有扭轉不規(guī)則、樓板不連續(xù)[1]、尺寸突變[2]、剛度突變、其他不規(guī)則等多項不規(guī)則，為超限高層，具體不規(guī)則情況如表1所示。

表1 不規(guī)則類型[1-2]

綜上所述，結構超限主要因裙房與A、B塔樓不設縫造成。通過與KKS溝通后，在裙房與A、B塔間設置抗震縫，將上部結構切成A、B塔與裙房3個結構單體。切成3個結構單體后，裙房高度為23.99 m，不屬于超限高層，且裙房采用框架剪力墻結構，剪力墻剛度遠大于框架剛度，承擔大部分剪力的剪力墻連續(xù)貫通，框架柱雖存在躍層、不連續(xù)等不利因素，但框架僅作為第二道防線，承擔的剪力較少，切縫后裙房結構安全、可靠。經過驗算，裙房采用框架剪力墻結構后，即使頂層大宴會廳大量抽柱，亦能保證150 mm縫寬下，不發(fā)生因地震產生的結構碰撞。抗震縫處均為次要使用功能房間和走道，經裝飾處理后，不影響建筑使用功能和造型。

4.1.2 A、B塔設備層引起的超限情況

A塔4F和5F間設有設備轉換層，4F層高5.31 m，設備轉換層層高2.19 m，5F層高3.60 m；B塔8F和9F間設有設備轉換層，8F層高4.00 m，設備轉換層層高2.19 m，9F層高3.60 m。

以A塔為例，設備層如采用鋼筋混凝土梁板式結構，A、B塔轉換層均設置在裙房屋面的上層塔樓內，此時易形成結構薄弱部位，不利于結構抗震。由于跨度較大，設備層梁高需800 mm，一方面影響設備層下一層的凈高，如圖6所示，凈高為4510 mm；另一方面設備轉換層剛度極大，設備轉換層下面一層的剛度均小于設備轉換層的50%，如圖7所示，A塔樓4F和設備層X向剛度比KX=5.4798/13.287=0.412<0.50,Y向剛度比KY=4.5325/10.990=0.412<0.50，層剛度偏小，具有明顯的抗震薄弱部位，可能引起不良后果，為抗震規(guī)范中的特別不規(guī)則建筑。即使切縫后，仍為超限高層建筑。按該方案，應采取有效的抗震措施，包括增大構件內力、提高抗震等級和超限審查要求的加強措施，將大大增加結構造價。

圖6 A塔樓梁板式結構設備層剖面示意

圖7 A塔樓4F和設備層的剛度

為避免結構超限，決定設備層采用鋼結構，設備層鋼梁通過鋼吊柱吊在設備層頂?shù)匿摻罨炷亮荷希瑯前宀捎脡盒弯摪褰M合樓板，鋼梁和組合樓板高度為400 mm，如圖8所示，凈高為4910 mm，部分節(jié)點如圖9所示，實際施工現(xiàn)場如圖10所示。此時結構電算中不存在設備層，設備層作為荷載施加在5F樓面，電算中A塔4F層高為5.31(4F)+2.19(設備層)=7.5 m，5F層高為3.60 m，如圖11所示。A塔樓4層和5層X向剛度比KX=3.8797/5.8601=0.66>0.50,Y向剛度比KY=3.2090/5.0798=0.632>0.50，按該方案結構無明顯的抗震薄弱部位，結構不屬于超限高層建筑。

圖8 A塔樓吊柱式鋼結構設備層剖面示意

圖9 吊柱式鋼結構設備層主要連接節(jié)點示意

圖10 吊柱式鋼結構設備層

圖11 A塔樓4F和5F的剛度

4.2 大膽設計，小心求證

該工程于裙房1層大廳至2層，設置鋼螺旋樓梯一部。樓梯內徑2.8 m，外徑7.4 m，旋轉540°，高度6.55 m，中間設休息平臺兩處，無支撐柱，如圖12所示。

圖12 540°大型鋼螺旋樓梯

螺旋樓梯為空間結構。該工程采用midas軟件進行計算，樓梯上下端均鉸接于混凝土結構，計算過程中發(fā)現(xiàn)，螺旋樓梯內環(huán)梁為主要受力梁(內外環(huán)梁展開長度分別為14.7 m、35.5 m)，第一至二休息平臺間梯段變形，支座反力如圖13所示，樓梯豎向變形如圖14所示。為協(xié)調其變形，樓梯踏步內設置槽鋼，并于踏步面及樓梯底面設置連續(xù)鋼板[3]。樓梯斷面采用內外環(huán)梁加踏步槽鋼梁的形式。

圖13 螺旋樓梯支座反力

圖14 螺旋樓梯豎向變形

因該樓梯較為復雜，擔心軟件不能準確模擬其剛度，計算的撓度存在誤差。施工階段采用堆載方式對結構進行了驗證，如圖15所示，沿螺旋樓梯自下而上(1號-8號)共設8個應變片。堆載過程中，發(fā)現(xiàn)由于螺旋樓梯內環(huán)梁的剛度遠大于外環(huán)梁，導致外環(huán)梁處的撓度遠大于計算值，無法滿足設計要求，故將樓梯上下端與混凝土結構的連接方式更改為固接，更改后撓度滿足設計要求，如圖16所示。

圖15 施工堆載驗證照片

(a)加載總量4 t，約0.87 kN/m2，各點撓度計算值和實測值(mm)

5 結論

(1)隨著建筑發(fā)展的創(chuàng)新，建筑的造型越來越多樣，給結構工程師帶來了巨大的挑戰(zhàn)。結構工程師應該從安全、經濟、合理的角度出發(fā)，在不影響建筑風格、造型和使用功能的前提下，能化繁為簡，避免結構超限。

(2)隨著我國社會經濟的發(fā)展，人們對建筑造型、功能要求的多樣化，建筑類型越來越復雜，既要求結構工程師大膽設計，又要求建設過程中小心求證。

(3)盡管計算軟件日益普及，結構分析和計算軟件的功能日益完善，但是結構設計中仍應重視結構概念，避免對計算軟件的依賴，甚至過于相信。