淺析帶外包裝建筑物結構設計要點

馬穩，張博

（中信建筑設計研究總院有限公司，武漢 430000）

1 引言

近年， 隨著文旅產業的興起， 各種大型主題樂園不斷涌現。 樂園的建造，不再是簡單的游樂設施的匯總，慢慢發展成：從游樂設備、建筑物到環境設施、景觀都圍繞某一主題而進行包裝，形成一個有特定主題統領的游樂園[1]。 包裝設計作為樂園主題效果的重要體現，是視覺效果的關鍵[2]，逐漸成為建筑設計領域的新名詞。 不同于常規建筑物的設計，樂園建筑物常常需要在滿足建筑功能的前提下，配合樂園主題風格，將外表設計成特有的外部形態，呈現出特有的空間效果。 這類有特殊造型要求的建筑物的設計為結構設計帶來了許多挑戰。 本文以國內某兩大型水上樂園中的帶外包裝建筑物的設計工作為例，分析樂園類帶外包裝建筑物的結構設計要點。

2 工程概況

圖1 所示為襄陽某水公園假山造型的建筑物， 山體造型復雜，橫跨65.8 m，最大縱深66.6 m，山體總高度24 m，山頂設有一25 m 高飛船造型塔。 假山作為園區內的主要建筑物，山體內設有設備用房、工作人員辦公用房、游客內部通道、觀景平臺等。 同時，假山融合了部分游樂項目，利用山體在不同高度上布置游樂項目， 山腳處懶人河與極限河兩條人工河貫穿其中，正前方設有舞臺及造浪池，山間還有空中激流河大型滑道“纏繞”其中，增強了樂園的趣味性和整體氛圍，但也為項目的設計工作帶來了難度。

圖1 假山造型建筑物效果圖

圖2 所示為衡陽某水公園的瑪雅金字塔造型的建筑物，橫跨54 m，最大縱深35.9 m，總高度34.8 m。正前方為舞臺及造浪池，兩側設有高22 m 構筑物造型塔，內部設有3 層建筑功能區，涵蓋設備用房、配電所、工作人員辦公用房、會議室、儲物間等。

圖2 瑪雅金字塔造型建筑物效果圖

3 設計策略及設計要點

樂園類帶外包裝建筑物的設計不僅僅是要考慮外部形態、表皮視覺效果的實現，還需要兼顧內部功能、消防疏散、游樂設備安全等建筑需求。 可以將這類建筑物的結構設計工作拆分為3 部分：主體承載體系可設計為鋼筋混凝土框架，滿足內部建筑功能的需求；基于主體框架，順著包裝造型在框架上靈活布置不規則的主鋼結構； 次鋼結構及包裝材料支撐于主鋼結構上，完成表皮造型。

3.1 主體框架結構

基于包裝設計公司提供的表皮， 建筑按照需要的層高對表皮進行剖切，得到每層邊界線，與邊界線保持足夠的距離布置各層功能用房，保證建筑功能用房藏于表皮下。 根據建筑平面圖建立主體混凝土框架， 同時對于表皮內部較大空間處也添加混凝土梁、板、柱作為主框架，減少鋼結構的用量。 對于一些空間不規則表皮， 需借助三維軟件輔助建模， 如3DMAX、Rhino 軟件。

在設計混凝土主體時， 對于作用在主體上的包裝荷載如何考慮是設計關鍵。 一般可以采取兩步走來設計鋼筋混凝土主體結構：第一步，通過包裝造型展開面積投影到作用范圍來等效計算出作用于混凝土主體對應位置的荷載（面荷載或線荷載），計算出鋼筋混凝土主體結構的構件尺寸及配筋；第二步，是待與混凝土主體相連的主鋼結構計算完成后，提取主鋼結構與混凝土主體相連處的支座反力， 加載于混凝土主體實際作用處，完成鋼筋混凝土主體的復核計算。 通常對基礎、梁、柱的設計，第一步計算已經能完成設計；對于板的設計，需取兩次設計的包絡值設計。 但對于特別高聳及重要鋼結構，應將其與鋼筋混凝土主體整體建模計算。

3.2 主鋼結構

根據前述第一步計算得到的鋼筋混凝土主體結構的構件尺寸建立實體模型，利用3DMax（或Rhino）軟件導入包裝表皮下， 下一步需在規則的混凝土主體與異形扭曲的造型外表皮之間架建立主鋼結構體系。 采用在混凝土主體上立鋼豎桿的方式進行Z 向找形，鋼豎桿橫縱間距控制在3～4 m，各鋼豎桿高端按照頂端與表皮的距離按照包裝設計單位的要求放樣（一般離外表皮400～800 mm 范圍由包裝設計單位搭次鋼結構體系完成）。 針對異形結構建模的復雜性，在項目中引入參數化建模技術， 利用Rhino+Grasshopper 平臺對包裝模型進行參數化處理，考慮包裝內退距后建立結構控制面，調整參數控制平面X、Y 方向的豎向構件水平間距， 通過內部點陣投影，得到結構控制面上的控制點，與底部連線后得到各層所有的豎向構件軸線；調整參數控制Z 向的水平構件垂直間距，得到水平構件軸線。 之后將得到的主鋼結構線模與混凝土主體結合在一起， 對局部進行調整， 并根據計算需要設置斜向支撐。 圖3 為假山造型建筑物內部主體混凝土框架及主鋼結構示意， 圖4 為瑪雅金字塔造型建筑物內部主體混凝土框架及主鋼結構示意。

圖3 假山主體混凝土框架+主鋼結構示意

圖4 瑪雅金字塔主體混凝土框架+主鋼結構示意

3.3 次鋼結構及包裝

前述主鋼結構與包裝外表皮的距離控制在400～800 mm，包裝單位根據表皮做法搭建次鋼結構體系（鋼龍骨+鋼絲網等）來支撐包裝材料，以完成表皮造型。 按照包裝造型特點，常用的包裝材質有：FRP （玻璃鋼）、TCP （玻璃纖維增強混凝土）、GRC（水泥直塑）等。 各包裝材質特點、重量及主要運用場景如下。

1）FRP 俗稱玻璃鋼，質量輕、強度高、耐腐蝕、可設計性好等， 一般用于制作各種復雜的造型。 玻璃鋼造型厚度一般為6～10 mm，荷載標準值折算約0.35 kN/m2。

2）GRC 即玻璃纖維增強混凝土， 一般用作造型的外掛預制件、屋面瓦及大樣線條等。 GRC 預制件厚度一般35～45 mm，荷載標準值折算約1.2 kN/m2。

3）TCP 亦稱作水泥直塑，一般用來制作仿真木材、石材等造型。 TCP 造型厚度一般50～120 mm， 荷載標準值折算約1.5～2.5 kN/m2。

以上荷載為包裝材質自身重量， 設計時還需考慮次鋼結構的重量，次鋼結構荷載通常可考慮0.5 kN/m2；計算包裝荷載時需按照包裝造型的展開面積來計算，造型復雜、凹凸不規則等無法統計的情況應適當考慮1.2～1.5 的荷載放大系數。 此外，設計時還需注意考慮凹凸造型處冰凍積雪的不利影響；出屋面造型塔等高聳包裝造型需在一定范圍內預留施工荷載。

3.4 關鍵節點

主鋼結構焊接于混凝土主體上的預埋板，預埋板可以采用預埋或者后錨固措施固定于混凝土主體結構上。 鋼豎桿底端焊接于混凝土主體板面、梁面設置的預埋板上，并設有400 mm高混凝土保護墩， 圖5 所示為典型的鋼豎桿與板面預埋板連接處剖面示意；鋼豎桿側邊或鋼斜桿上端與梁側、柱側設置的預埋板連接，連接處設置長圓孔構造，釋放豎向位移，避免鋼構件在溫度變化下伸縮而引起主體構件的二次受力破壞，圖6 所示為典型的鋼斜桿與梁側預埋板連接處剖面示意圖。

圖5 鋼豎桿與板面預埋板連接處剖面示意圖（單位：mm）

圖6 鋼斜桿與梁側預埋板連接處剖面示意圖（單位：mm）

3.5 防腐及防火要求

考慮到包裝鋼結構的使用環境， 根據JGJ/T 251—2011《建筑鋼結構防腐技術規程》[3]，包裝鋼結構腐蝕性等級定為Ⅳ級（中腐蝕），耐久年限為15 年以上。 同時，考慮到包裝鋼結構隱藏于包裝表皮下，不便于檢修與維護，故對于包裝鋼結構防腐及防火涂裝的設計不同于普通鋼結構工程。 表1 所示為本工程項目設計說明中對于包裝鋼結構防腐及防火涂裝要求，從表1 中可以看出防腐涂料中間漆遠高于JGJ/T 251—2011《建筑鋼結構防腐技術規程》附錄B 給定的參考值，同時不設面漆層。

表1 包裝鋼結構防腐及防火涂裝要求

4 結語

包裝設計逐漸成為建筑設計領域的新名詞， 不同于常規的設計，包裝通常是造型各異、異形扭曲，這為整體的建筑效果帶來了許多靈動和特色，同時也為結構設計帶來許多挑戰。當前隨著參數化建模技術的發展， 為結構設計工作提供了便利，如利用Rhino+Grasshopper 平臺對不規則的非線性建筑造型進行處理，能自動生成網格線用于結構建模，大大提高了結構工程師的建模效率。 但對于像假山一類還需融合其他設備的樂園建筑物， 外包裝表皮下結構模型的建立還需結合建筑功能，依靠軟件參數化自動建模還不足以完全自動化，需根據建筑功能對參數化建模成果進行局部調整， 特別是對于一些復雜功能區域，人為判斷尤為重要。 本文以兩個帶外包裝建筑物的設計工作為例， 對帶外包裝建筑物結構設計要點進行了闡述，相關設計思路可為類似項目提供參考。