帶大跨度曲面鋼結構網狀裝飾架復雜結構設計分析

江棹榮，呂偉文

廣東天元建筑設計有限公司，廣東 佛山 528300

1 工程概況

項目位于廣東省佛山市，是一家高爾夫主題會所與運動康體會所結合的綜合會所，總建筑面積為31897.53m2。主體結構地下1層，地上4層，層高依次分別為4m、6m、5.8m、5.8m、5m。主體采用混凝土結構，局部采用鋼結構。該項目建筑整體形態設計圍繞“幾何形體、豎向扭轉、橫向舒展、體塊穿插、局部架空”的設計概念展開。該項目集合了復雜的功能需求與交通流線，作為異形建筑，連續的雙曲面造型對結構設計提出了很大的挑戰。作為雙曲面異形建筑，局部含大跨度鋼結構，屋面鋼結構桁架懸挑。屋頂立面四周的裝飾架均為空間扭曲網狀曲面，結構采用T形鋼板拼接，結合BIM技術進行弧形定位設計。中庭螺旋樓梯直徑達10m，采用鋼板組合結構，一體成型。文章圍繞結構大跨度結構及曲面鋼結構網狀裝飾架的設計進行分析，對關鍵技術展開詳細介紹，以期為往后類似項目提供工程參考。

2 結構體系與布置

2.1 結構布置

工程采用混凝土框架結構與鋼結構組合的結構體系，大跨度部分通過鋼梁來實現。項目2層結構西側為33m跨度鋼梁，截面高度為1400mm。結構東側為入口曲面雨棚，最大跨度為28m，鋼梁高度為800mm。3～4層結構西側為33m跨度鋼梁，截面高度為1550mm；5層（屋面構架）在結構的南看臺、西看臺和北看臺設計了鋼結構裝飾架，截面采用T形截面，梁高180mm，梁寬100mm，板厚10mm。

2.2 三維模型設計

該項目采用BIM正向設計指導整個設計階段工作，以確保各結構構件與設備及建筑專業在空間上相互避讓，并確保各關鍵構件和節點受力合理，傳力途徑明確。該工程采用TEKLA軟件進行鋼結構建模，進一步保證鋼結構詳圖精準度，為后期鋼結構構件加工準確性提供保證。

3 結構計算分析

3.1 主要設計參數

該項目設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級，抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，場地類別為III。整體結構體系為混凝土框架結構（帶少量剪力墻），其中抗震等級為框架三級，剪力墻三級，大跨度框架二級。

地下室采用無梁板結構，局部采用無梁樓蓋。梁板結構區域板厚160mm，無梁樓蓋區域板厚250mm，框架抗震等級為三級，剪力墻抗震等級為三級。地下室不設縫，通過伸縮后澆帶解決超長混凝土收縮問題，以滿足伸縮、變形及抗震的要求。

3.2 結構整體分析

工程采用YJK軟件（2.0.3版）進行彈性分析，保證力學分析的準確性與可靠性。周期比是控制結構在大震時，扭轉振型不應靠前，以減少震害。計算結果顯示，周期比值為0.82，滿足規范要求。

位移比是控制結構扭轉效應的關鍵指標，如表1所示，列出在風荷載和地震荷載作用下結構整體在X和Y方向的位移情況，取樓層最大水平位移與樓層平均水平位移的比值。在風荷載和地震荷載作用下結構整體在X和Y方向的位移情況結果顯示：結構在兩個方向上的層間位移比和位移角均滿足規范要求，說明結構整體剛度具有足夠的富余度。

表1 結構在風荷載和地震作用下的位移比值

剛重比主要控制結構的穩定性，以免結構產生滑移和傾覆。YJK計算結果顯示：該結構剛重比EJd/GH2大于10，能夠通過《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）中的整體穩定驗算；而且結構剛重比小于20，可以不考慮重力二階效應。該項目結構計算振型數大于15，有效質量系數X向為99.99%，Y向為99.66%，均滿足規范要求。結構整體最小地震剪力系數在X和Y方向均為1.000，滿足剪重比要求。

4 大跨度鋼梁

該項目游泳池上空鋼梁跨度達33m，鋼梁平面布置如圖1所示。鋼梁截面選用工字梁，梁高1400mm，梁寬550mm，板厚25～36mm。為了保證樓板的連續性，鋼梁與框架柱連接時采用剛接設計，鋼次梁與混凝土框架梁連接時采用鉸接設計。大跨度鋼梁現場吊裝采用分段吊裝組合施工，以確保實現大跨度安全施工。

圖1 大跨度鋼梁平面布置

對大跨度鋼梁分別在小震、中震和大震組合工況下的變形進行對比分析，分析結果表明，構件的變形和承載能力均可滿足規范要求并能實現設計既定的性能目標。

5 曲面鋼結構網狀裝飾架

為了塑造建筑特有的生生不息運動氣質，結構設計考慮將連續曲面和大跨度等元素有機結合，建筑物在連續扭轉的復雜曲面中誕生，將結構動感韻律與剛柔相濟表現得淋漓盡致。主體結構四周環繞著曲率各異的曲面鋼結構網狀裝飾架，鋼構件的定位與節點連接是整個曲面網架的關鍵所在，該項目結合BIM模型設計，實現了現場構件精準定位。曲面鋼結構網狀裝飾架平立面示意圖如圖2所示。

圖2 曲面鋼結構網狀裝飾架平立面示意圖（單位：m）

復雜結構與連續曲面的運用勢必會對結構應力和自身剛度提出更高要求，為此通過對建筑平面和立面曲線的弧度精確設計，結合氣動分析的結果，采用通用有限元分析軟件對曲面鋼結構連接節點進行受力分析。計算結果表明：最大應力出現在桿件交匯區域，節點整體處于彈性范圍，可以滿足承載能力的設計要求。

6 結論

該項目主體采用混凝土框架結構作為豎向抗側力體系。由于該項目包含較多大跨度以及曲面異型結構，為提高整體結構的安全儲備，對關鍵部位和節點進行了專項研究分析，得到以下主要結論。

（1）在大跨度鋼梁和鋼骨柱組合受力下的混凝土框架結構，整體具有較高的承載能力，主體結構剛度有較高富余儲備。計算結果表明：在風荷載和地震作用下，結構周期比和位移比等關鍵指標均滿足規范要求。

（2）曲面鋼結構網狀裝飾架通過與BIM結合實現精準定位設計。該項目在突破技術壁壘的同時追求技術創新，通過多維度分析與設計取得了較好的工程效果，對后續工程具有指導意義。