支承在彈性邊界上的 雙曲面單層索網(wǎng)玻璃 幕墻設(shè)計與施工

    臨港新城冬冷夏熱，四季分明，冬夏主導(dǎo)風(fēng)向分別為西北和東南對吹。中國航海博物館位于臨港新城中心區(qū)。建筑總面積約46434m2，主體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，天象館采用單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，中央帆體為鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與鋼索張拉結(jié)構(gòu)，坐落在+12m標(biāo)高的平臺上。

    中國航海博物館以其富于表現(xiàn)的屋面形式而獨(dú)具特色。兩個對置的輕質(zhì)屋面殼體在廣義上表現(xiàn)了海洋這一主題，使人聯(lián)想起航海的風(fēng)帆，構(gòu)成了整個博物館建筑的重要而富有個性的標(biāo)志(圖1)。在此屋頂下大廳空間可展示大型古代船舶，對其進(jìn)行歷史文化的鑒賞并向公眾開放。博物館簡潔平實(shí)的外觀與船帆殼體的富有表現(xiàn)力的結(jié)構(gòu)相呼應(yīng)。獨(dú)特的形象突出了臨港新城與航海事業(yè)的密切關(guān)系，強(qiáng)調(diào)了其在全球航海貿(mào)易中的杰出作用。從象征意義上講，博物館表現(xiàn)了一個巨大的船舶停泊在城市的這個顯著的位置上。水中部分表現(xiàn)海洋和陸地的聯(lián)系。而附近的水體則突出了展覽的海洋特性，建筑內(nèi)外的各種展品在這種自然環(huán)境中變得更加生動和美妙。兩個相互交錯對峙的“風(fēng)帆”懸浮般地立于建筑裙樓之上。裙樓中設(shè)置博物館的各種功能。大型臺階吸引人們前往逗留并建立了與開放景觀空間的直接聯(lián)系。通過寬大露天臺階自由進(jìn)入裙樓的形式設(shè)計要素在兩側(cè)建筑中亦體現(xiàn)出來。兩個設(shè)計造型上相似的建筑在一條假想的軸線上相對而立，框合了具有海洋型遙望可見的輕質(zhì)屋面的航海博物館。

    博物館中央帆體猶如兩張僅在一點(diǎn)上相互接觸的彎曲的風(fēng)帆。這兩張風(fēng)帆有3個獨(dú)立的呈三角形的端點(diǎn)。大型的透明的弧形立面玻璃幕墻將建在兩張風(fēng)帆之間。該結(jié)構(gòu)總高度約為58m(至風(fēng)帆頂端)。每個三角形風(fēng)帆的底部兩支點(diǎn)間間距約70m。兩張風(fēng)帆的交叉點(diǎn)也就是立面最高點(diǎn)約離地40m�；⌒瘟⒚娌Ａ�幕墻各處寬度不等，但最寬不超過24m。最高處為6.7m的斜立面玻璃幕墻位于建筑的邊緣。中央帆體結(jié)構(gòu)體系可分為主、從結(jié)構(gòu)體系，主結(jié)構(gòu)體系包括：邊緣箱梁和三鉸拱(圖2)；從結(jié)構(gòu)體系包括側(cè)幕墻立柱､屋面兩向正交月牙形桁架體系和單層索網(wǎng)體系(圖3)

    結(jié)構(gòu)設(shè)計存在下列難題：

        (1) 建筑造型獨(dú)特，帆體為不可解析的曲面，對計算模型的建立帶來困難；

        (2) 結(jié)構(gòu)體量龐大，兩片鋼結(jié)構(gòu)帆體僅通過離地52m高處的鉸接點(diǎn)相連，底部通過四個支座將荷載傳遞到下部混凝土結(jié)構(gòu)，所以五個節(jié)點(diǎn)的設(shè)計是項(xiàng)目安全的關(guān)鍵；

        (3) 建筑處于海邊，風(fēng)荷載大，且結(jié)構(gòu)為風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，合理確定風(fēng)荷載在建筑表面的分布及風(fēng)振系數(shù)是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵因素；

        (4) 支承在造型奇特鋼結(jié)構(gòu)殼體上的單層索網(wǎng)玻璃幕墻，據(jù)查是世界首例，無規(guī)范可依，設(shè)計與施工有世界性的難度；

        (5) 單層索網(wǎng)剛度與帆體鋼結(jié)構(gòu)剛度相互影響，必須合理設(shè)計單層索網(wǎng)的預(yù)應(yīng)力形態(tài)，滿足建筑形態(tài)、結(jié)構(gòu)安全的雙重要求；

        (6) 鋼結(jié)構(gòu)的吊裝施工、索網(wǎng)張拉過程必須控制，保證施工終態(tài)滿足設(shè)計要求。

    2.1 有限元計算模型

     博物館中央帆體結(jié)構(gòu)為雜交結(jié)構(gòu)體系，既包含傳統(tǒng)意義上的剛性結(jié)構(gòu)，還包括依靠形態(tài)、預(yù)應(yīng)力提供結(jié)構(gòu)剛度的柔性結(jié)構(gòu)，并且兩者互相影響。因此，有限元計算模型必須是整體模型，必須體現(xiàn)剛性、柔性結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作機(jī)理(鋼結(jié)構(gòu)為索網(wǎng)結(jié)構(gòu)提供了彈性支承邊界，索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的預(yù)張力將兩片鋼結(jié)構(gòu)帆體緊密聯(lián)系在一起，對整體受力有利)。

    計算模型共包括4種計算單元：分別是梁單元、桿單元､索單元和殼單元。單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)連接兩個帆體，分為縱向錨地索和橫向穩(wěn)定索。對兩個方向施加不同的預(yù)張力，在空間組成雙曲扭面。在進(jìn)行外荷載作用下的結(jié)構(gòu)計算前，單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)在指定預(yù)張力作用下進(jìn)行了有限元找形分析。找形前后的形態(tài)比較如圖4所示。

    結(jié)構(gòu)的支座分為三種類型，一為邊緣箱梁和三鉸拱支座；二為結(jié)構(gòu)側(cè)面玻璃幕墻立柱支座；三為正面索網(wǎng)幕墻豎向索錨地點(diǎn)，均為三向鉸接支座。兩片帆體在三鉸拱中點(diǎn)相連，該節(jié)點(diǎn)為三向鉸接節(jié)點(diǎn)。

    2.2 風(fēng)荷載

    風(fēng)荷載是控制航海博物館結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要荷載之一。在同濟(jì)大學(xué)大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行了剛性模型測壓試驗(yàn)。建筑模型的幾何縮尺比約為1/150。實(shí)驗(yàn)風(fēng)向角間隔為15°，即模擬24個風(fēng)向。根據(jù)建筑物表面脈動壓力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用數(shù)值模擬方法，計算結(jié)構(gòu)風(fēng)振動力響應(yīng)，計算結(jié)構(gòu)的等效靜力風(fēng)荷載(類似于我國規(guī)范中的風(fēng)振系數(shù))。為便于研究風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，比較各風(fēng)向角對結(jié)構(gòu)影響程度，統(tǒng)計各風(fēng)向角下，東、西帆體和南、北索網(wǎng)上風(fēng)荷載引起的總剪力如圖5所示(+為指向曲面、-為背離曲面，圖中縱坐標(biāo)為風(fēng)向角)。針對設(shè)計關(guān)心的幾個指標(biāo)，得出基于該指標(biāo)的等效風(fēng)荷載，如表1所示。

    2.3 結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計

    本工程的核心設(shè)計是索網(wǎng)形態(tài)設(shè)計。索網(wǎng)結(jié)構(gòu)自身剛度是由其形態(tài)決定的，而其中的最重要部分就是初始形態(tài)設(shè)計。初始剛度設(shè)計必須滿足四個條件：

        (1) 根據(jù)建筑功能、建筑形狀、荷載情況、結(jié)構(gòu)支承條件以及對結(jié)構(gòu)受力性能的估計等因素來綜合考慮結(jié)構(gòu)形式，即索網(wǎng)布置；

        (2) 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)在荷載態(tài)下必須滿足單索破斷力、不松弛的要求；

        (3) 通過合理的剛度設(shè)計，保證正交索網(wǎng)四點(diǎn)基本共面；

        (4) 在滿足前兩條要求前提下，索網(wǎng)剛度設(shè)計還必須考慮不給作為其支承邊界的鋼結(jié)構(gòu)殼體受力帶來過大的負(fù)擔(dān)；本工程最大的特點(diǎn)就是單層索網(wǎng)固定在彈性邊界上，其使用狀態(tài)下的受力和施工過程勢必受到彈性邊界的影響。采用協(xié)同分析方法開展索網(wǎng)形態(tài)分析，原理見圖6。

    2.3.1 協(xié)同找形后索網(wǎng)變形

    圖7為索力作用下的結(jié)構(gòu)變形情況，結(jié)構(gòu)最大變形位于帆體上端，最大值為0.153m；索網(wǎng)上的最大變形0.146m，索網(wǎng)形態(tài)更穩(wěn)定合理；結(jié)構(gòu)的整體變形對稱。

    2.3.2 協(xié)同找形后索網(wǎng)索力分布

    圖8為協(xié)同找形后索網(wǎng)張力分布，橫向索65.82kN~89.667kN，靠邊箱梁端小，靠三鉸拱端大，逐漸減小，張力力較均勻、變化較小.縱向索153.174kN~164.554kN，整根縱索的張力均勻。

    2.3.3 網(wǎng)格翹曲度分析

    中部基本小于15mm，頂部第一排30mm以上，頂部第2~5排為20mm，地部靠邊箱梁角區(qū)域比較大，為30mm~60mm�？偩W(wǎng)格數(shù)量為1046塊，小于18mm的有884塊、且總體翹曲小，占總數(shù)的84.5%，大于50mm的有7塊，占總數(shù)的0.67%。

    2.4 張拉施工模擬

    2.4.1 張拉施工模擬的必要性

    從理論上說，如果索網(wǎng)的終態(tài)找形目標(biāo)(即張拉施工完成時的索網(wǎng)形狀和預(yù)應(yīng)力狀態(tài))確定，完全可以根據(jù)索網(wǎng)的形狀和預(yù)應(yīng)力狀態(tài)反演索網(wǎng)的零應(yīng)力下料長度，在施工中可以通過標(biāo)定索零應(yīng)力長度的方法進(jìn)行張拉施工。在張拉各索的時候直接把索張拉至標(biāo)定的索零應(yīng)力長度位置固定即可，而且理論上可以一次張拉成功，即所謂定長張拉。但實(shí)際上，這種通過控制索的零應(yīng)力長度的張拉方法受到結(jié)構(gòu)加工精度､索下料長度準(zhǔn)確性等多方面因素的影響，容易產(chǎn)生較大的誤差，因此在施工中往往通過控制索張拉力和位移進(jìn)行施工張拉。

    由于施工條件和設(shè)備的限制，施工中不可能所有的索同時張拉，一般采用分批分步的張拉方法。由于后批索的張拉會影響前批張拉索的索力，每批索均按終態(tài)找形目標(biāo)的索力進(jìn)行張拉并不合適，為了最終達(dá)到終態(tài)找形目標(biāo)的張拉力分布需要反復(fù)調(diào)整。因此有必要對施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮各批索張拉的相互影響，精確控制整個張拉過程中各索的索張力，從而減少調(diào)整的次數(shù)，提高施工過程可控性及施工精度。

    2.4.2 張拉方案

    首先在帆體鋼結(jié)構(gòu)卸載完成后進(jìn)行掛索，橫向索均按照原長掛在鋼結(jié)構(gòu)兩端，縱索僅上端掛在鋼結(jié)構(gòu)上，下端自由。掛索完成之后，按照鋼索的無應(yīng)力長度將橫向索和縱索用索夾連接，進(jìn)行下面的施工模擬分析。本文的施工模擬計算考慮到施工張拉的實(shí)際過程，以縱索為張拉對象，施工模擬采用索長控制的方法�？v索索長變化按照總長度的80%、50%、20%、0%四個階段進(jìn)行控制，每個階段分成兩次張拉，先張拉兩邊縱索，后張拉中間縱索(如圖9)。

    2.4.3 施工控制方法

    整個索網(wǎng)的張拉是在鋼結(jié)構(gòu)卸載之后進(jìn)行的，首先是掛索和安裝索夾，接著按張拉順序和張拉方案進(jìn)行索網(wǎng)的整體張拉。整個施工模擬過程分成4個階段。

    張拉階段A：帆體鋼結(jié)構(gòu)卸載。中間索網(wǎng)處于最終的張拉結(jié)束狀態(tài)，在這一步計算過程當(dāng)中索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)被約束，僅邊界區(qū)域索長發(fā)生變化，此索網(wǎng)形態(tài)作為掛索計算初始狀態(tài)。

    張拉階段B：索網(wǎng)掛索(單獨(dú)掛索)。掛索時縱索下端自由，另外兩邊固定，索網(wǎng)邊界固定節(jié)點(diǎn)是上一步鋼結(jié)構(gòu)卸載之后的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。掛索計算初始狀態(tài)是鋼索的無應(yīng)力狀態(tài)，初始長度為鋼索的無應(yīng)力長度(該長度通過索網(wǎng)最終狀態(tài)的索長和內(nèi)力計算得到)。將此索網(wǎng)數(shù)據(jù)(僅形態(tài)坐標(biāo)和連接拓?fù)�、無張力)導(dǎo)出，但此時當(dāng)前索長為平衡態(tài)張力下長度，可由彈性模量反求出各索無應(yīng)力長度(下料長度、初始長度)。根據(jù)機(jī)構(gòu)混合分析理論，分析在自重(將索段、索節(jié)點(diǎn)均轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)集中荷載施加于節(jié)點(diǎn))作用下、保持索無應(yīng)力長度不變，計算其平衡態(tài)，此結(jié)果為單獨(dú)掛索態(tài)。該步驟實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)自重作用下索網(wǎng)初始無內(nèi)力時的索網(wǎng)平衡狀態(tài)。

    張拉階段C：索網(wǎng)掛索(協(xié)同掛索)。張拉階段B實(shí)現(xiàn)了掛索機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，但掛索產(chǎn)生的索張力對鋼結(jié)構(gòu)有影響，即掛索的協(xié)同工作未考慮。因此，將單獨(dú)掛索結(jié)束時索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和索內(nèi)張力帶入初始幾何狀態(tài)的鋼結(jié)構(gòu)當(dāng)中，約束內(nèi)部索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，重新進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的卸載分析，然后去掉約束，得到索網(wǎng)掛索(協(xié)同掛索)之后整體結(jié)構(gòu)的初始張拉狀態(tài)，該狀態(tài)作為索網(wǎng)張拉施工模擬的初始狀態(tài)。索網(wǎng)變形見圖10所示。

    張拉階段D：施工模擬。在整體結(jié)構(gòu)掛索結(jié)束計算基礎(chǔ)上，按照張拉順序和張拉方案進(jìn)行索網(wǎng)的分段､分批施工模擬分析。

    如圖11所示，橫向索上端短索內(nèi)力較大，已經(jīng)達(dá)到橫向索最終張拉結(jié)束狀態(tài)內(nèi)力；橫向索從上到下內(nèi)力逐漸減小，下端最小有9kN�？v索下端自由，所以縱索內(nèi)力較小，上端較大為28.8kN，下端逐漸減小為0。

    張拉縱索50%時，縱索內(nèi)力增大，橫向索內(nèi)力下端逐漸增大，最大達(dá)到106kN，上端基本保持不變，索網(wǎng)整體內(nèi)力提高(圖12、圖13)。張拉縱索100%時，豎向在161kN~188kN之間，達(dá)到了索力張拉最終要求。橫向索內(nèi)力基本保持在60kN~90kN之間(圖14、圖15)，也達(dá)到橫向索的最終張拉要求。

    2.4.4 小結(jié)

    (1) 經(jīng)過施工模擬分析，可以在施工過程中采用位移和力同時控制的方法，實(shí)現(xiàn)索網(wǎng)的整體張拉；

    (2) 整個計算過程中沒有出現(xiàn)索退出工作的現(xiàn)象，并且最終的索力已經(jīng)達(dá)到索網(wǎng)設(shè)計要求，所以豎索張拉方案可行；

    (3) 經(jīng)過掛索分析之后，索網(wǎng)位移在鋼結(jié)構(gòu)卸載之后較小，可以認(rèn)為這個狀態(tài)即為索網(wǎng)張拉的初始狀態(tài)，這樣的分析也比較符合實(shí)際情況，能夠比較真實(shí)地反應(yīng)索網(wǎng)掛索之后內(nèi)力和曲面狀況。

    3. 現(xiàn)場施工

    本工程的施工由多家施工分包參與其中，而具體的施工分項(xiàng)又分為：混凝土分項(xiàng)、帆體鋼結(jié)構(gòu)分項(xiàng)､索網(wǎng)幕墻分項(xiàng)､屋面分項(xiàng)，頭緒眾多，對現(xiàn)場的管理造成很大的困難。概括說來，本工程施工具有以下難點(diǎn)：

    (1) 中央帆體結(jié)構(gòu)座落在+12m標(biāo)高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上，兩部分間的過渡區(qū)域必須提供安全、可靠的剛度，以保證作用于帆體上的荷載順利傳遞至基礎(chǔ)；

    (2) 體量巨大的帆體結(jié)構(gòu)兩部分主要通過五個鉸接節(jié)點(diǎn)相連，并通過張拉后的單層索網(wǎng)連成整體。因此五個鉸接節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)成敗的關(guān)鍵，受力巨大并且復(fù)雜，如何在滿足安全度及轉(zhuǎn)動構(gòu)造要求的同時滿足建筑美觀的要求是個難題；

    (3) 南北向布置的單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系為玻璃幕墻的柔性支承結(jié)構(gòu)，必須施加足夠的預(yù)張力以保證其變形符合相關(guān)規(guī)范。索網(wǎng)的預(yù)張力和殼體剛度是密不可分的，互相影響，必須整體建模分析｡

    (4) 現(xiàn)場施工對玻璃的安裝精度､最終的建筑形態(tài)影響非常大。索網(wǎng)的張拉過程和周邊支承結(jié)構(gòu)的受力是互相關(guān)聯(lián)的，必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工過程分析，確定不同步驟索內(nèi)張力大小、分布和支承結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，并形成剛度，為下一步荷載步驟提供初始條件。在分級､分批張拉索的同時考慮玻璃安裝順序，從而較精確地確定玻璃安裝過程中結(jié)構(gòu)的變形形態(tài)，為現(xiàn)場施工提供控制指標(biāo)，使現(xiàn)場施工是可控的。根據(jù)以上特點(diǎn)，從設(shè)計角度出發(fā)，認(rèn)為本工程的施工應(yīng)滿足以下原則：精心施工，動態(tài)控制，分階段驗(yàn)收，確保各道工序順利銜接，把施工總風(fēng)險通過層層把關(guān)、層層控制予以消除。經(jīng)過施工專題技術(shù)研究和施工準(zhǔn)備。整個安裝分為三個階段。第一階段先安裝至C節(jié)點(diǎn)合攏，實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)初步穩(wěn)定。第二階段進(jìn)行帆體懸挑部分的安裝，完成整個帆體鋼結(jié)構(gòu)施工及最終的整體卸載。第三階段進(jìn)行索網(wǎng)部分張拉施工。由于前期精心準(zhǔn)備，施工中嚴(yán)格按施工組織設(shè)計施工，工程質(zhì)量通過業(yè)主、監(jiān)理組織的驗(yàn)收，一次驗(yàn)收合格。

    通過對中國航海博物館項(xiàng)目設(shè)計過程的總結(jié)，對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了提煉，并揭示了設(shè)計與研究的互相促進(jìn)、互相依存的內(nèi)在聯(lián)系。復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)項(xiàng)目設(shè)計的固有特點(diǎn)決定了對結(jié)構(gòu)工程師的高標(biāo)準(zhǔn)的要求，不僅要求他必須象建筑師一樣思考(結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)就是建筑美)，更要求他具有決策、協(xié)調(diào)、整合資源、營銷設(shè)計思想的能力。希望本文能為同行提供借鑒，共同促進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的繁榮，提升結(jié)構(gòu)工程師對復(fù)雜項(xiàng)目設(shè)計的掌控力｡            文/周曉峰