1 工程概况

台北艺术中心（The Taipei Performing Arts Center，简称TPAC）是台北市一处重要的公共建筑，项目业主为台北市文化局，建筑面积约为40000m²。建筑中心为一方形量体，平面为边长54m的正方形，高度约为55m。该方形量体容纳了所有的舞台、后台设施、中庭、办公室及排练室，标准层层高为5m，地上12层，地下1层。3个剧场自方形量体向外延伸，分别为大剧院（1500个座位）、多形式中剧场（800个座位）以及镜框式中剧场（800个座位），每一个剧场都可以独立使用，也可以组合在一起使用，提供了不同的剧场体验及独特的观看效果。工程建筑效果图见图1，主体钢结构封顶后实景图见图2。

图1 项目建筑效果图 © OMA

图2 主体钢结构封顶后实景图

项目位于台北市北部，靠近士林夜市及捷运剑潭站，为高地震烈度区。地基为旧基隆河河床，虽临近长寿公园山丘，但地势相对平坦，自东向西稍有坡度。由于项目所在场地地震烈度高，抗震性能的等级要求高（与医院类建筑相同的性能标准，即严重地震后可即时运行）以及建筑几何形体复杂，经比较认为基础隔震系统为经济技术最为优方案。基础隔震系统可将结构所受地震力及构件位移控制在可接受范围，并具有高度的可靠性；相较传统抗震方法，基础隔震方案可减低地震力达60%以上。

大都会建筑事务所（Office for Metropolitan Architecture，简称OMA）与奥雅纳公司（Arup）一同进行设计。奥雅纳公司的顾问服务范围包括：结构、机电设备、建筑物理以及消防。结构初步设计由奥雅纳公司负责，施工图设计则由永峻工程顾问有限公司（Evergreen）负责。由于本项目的复杂性，由台湾大学对结构设计进行了特殊审查。项目初步设计完成于2010年，施工图完成于2011年，主体钢结构已于2014年8月封顶，预计于2015年竣工开放。

2 结构体系

本项目为紧凑的钢结构体，通过合理的几何布置，在充满挑战性的地基上呈现出最为高效、经济及最佳性能的建筑物。在准备结构方案时，仔细考量了如下准则：1）达到最高的抗震性能，严重地震后“可即时运行”；2）深入考虑多种方案，尽可能降低结构成本；3）有效地将承受重力和水平力的结构系统相整合，降低结构成本；4）减轻地基不良地质条件对结构的影响；5）确定既能符合本项目方案又能加快施工的结构体系，以满足本项目的工程进度。

最终选定的主结构体系为采用基础隔震及刚性抗侧力、扭转箱形钢结构，并有三个外挂的观众席（图3）。

图3 工程结构体系模型

在风荷载（及频遇地震）作用下，主体结构的稳定性由坚固的斜支撑箱形结构来保证，此结构形式能将各水平力及扭矩通过隔震元件传递到基础结构。在风荷载作用下，隔震元件不屈服；在严重地震情况下（回归期475年，即设计地震（DBE））隔震元件能够减弱地表运动对建筑物的影响，大幅减少结构构件及附属构件所遭受的破坏。该系统在地震发生时能达到最佳性能，使建筑在遭受设计地震等级的地震时仍能保证运行，避免无隔震系统的建筑物因地震导致正常使用受到影响和震后要付出高额的维修费用。

隔震系统所产生的费用将会被下列几方面的费用节省而抵消：1）建筑钢结构抗震系统构件材料费用；2）在使用周期内，非隔震建筑可能会产生的因地震造成的维护及修理费用；3）建筑物每年可能的保险费用；4）为满足建筑物出现大层间位移时而为各种建筑设备、幕墙及剧场进行的特别细部设计费用。

2.1 上部结构重力系统

上部结构主要采用钢结构及钢–混凝土组合楼板。在周边斜撑与柱相交的关键楼层，楼板将提供隔板作用以便传递水平力，其厚度增加为200mm。主要结构柱采用组合结构柱（方钢管混凝土柱）以减小钢材用量。由于存在舞台区域等大量无柱空间的要求，仅有周边支撑框架立面内的柱以及内部4根主要结构柱贯通方形量体。采用大量转换桁架支撑上部楼层的楼面，桁架的最大跨度约为25m。

3个外延剧场结构也采用钢结构，均采用三维空间桁架承担观众席及流通区域的荷载，并将此荷载传递到外延剧场下的支撑及方形量体的周边框架上。镜框式中剧场的椭球形形体由组合壳体结构构成，提供了高冗余度的结构体系。该冗余性可允许内层壳体以及壳体内区域构件的缺失以适应剧院包厢、流通路线及顶灯设备等的开洞要求。

2.2 基础隔震

与传统结构相比，采用隔震系统可显著降低结构所受地震力，对于本项目此特点尤为重要：1）中国台湾地区处于强烈地震带；2）复杂的建筑形式导致结构不规则；3）设计要求达到医院的性能等级。

隔震区域范围涵盖所有上部结构柱，隔震平面位于地下室底部，以避免与舞台坑冲突。地下1层下方高2.75m的区域容纳了隔震元件及必要的维护通道。采用摩擦单摆式隔震系统，约采用100个隔震器，隔震结构与周边下部结构被700mm宽的隔震缝分隔开来。主要的泵房等设备位于非隔震的下部结构中，从而避免主要管线穿越隔震带（图4）。

图4 示意隔震层位置的典型剖面

2.3 上部结构侧向稳定系统

尽管采用了基础隔震，上部结构仍然要有足够的刚度以抵抗风荷载、频遇地震以及其他水平荷载。此外转自：建筑结构-公众号本身也要达到一定的抗侧刚度以保证隔震系统的有效运作。隔震系统应达到以下性能要求：1）两个方向上的第一平动周期应相近，并小于隔震元件自振周期的1/3（约1.3s），以保证与隔震元件相比，上部结构接近刚体运动；2）具有良好的抗扭性能。

方形量体的各个外立面均布置有斜撑，以提供良好的抗侧及抗扭刚度。由于3个剧场的观众席均外延在方形量体斜撑平面之外，良好的抗扭刚度对本建筑尤为重要。经过优化的斜撑系统均延伸至基础平面，并且在4个立面上具有相近的刚度，从而提供良好的抗扭性能。楼面支撑或楼板布置在方形量体的4个侧面以及大剧院和多形式中剧场的背后，以提供侧向和扭转刚度。水平力通过方形量体的斜撑系统及观众席的外部支撑传递到地面。观众席的外部支撑则通过斜撑或门式钢架效应对结构提供侧向支承力。最终选定的支撑形式见图5。

图5 最终选定的观众席外部支撑形式

3 隔震设计

地震隔震器的设计和制造必须保证其具有如下三项特性：1）高轴向刚度以抵抗重力和其他竖向荷载（持续荷载和瞬时荷载）而无过大变形，维持结构的正常使用；2）足够低的侧向刚度以降低隔震结构的基本频率，使其低于预期地表运动的主要频率成分，并确保上部结构自身的固有频率与隔震结构的基本频率有足够的分隔；3）有效的耗能机构（阻尼）以降低过量侧向变形，避免隔震元件及与之相连的结构构件在侧向及竖向荷载综合作用下的失稳。

摩擦单摆型隔震器基于单摆系统的特性，延长结构的固有频率，从而降低结构所受地震力。该种隔震器应用在台北艺术中心项目中有如下优点：1）摩擦单摆型隔震器相比其他类型隔震器可提供更好的性能（阻尼更高，基底剪力更低等）；2）钢结构细部设计更为简单（隔震器以上无需抗弯节点以抵抗大的二阶效应弯矩）；3）能自行调整侧向刚度和自行复位（对类似于台北艺术中心这样的非对称结构和具有较大质量偏心的结构颇为有益）；4）摩擦单摆型隔震器的振动周期与结构所载质量无关。基于上述原因，对具有强大技术挑战性的本项目而言，摩擦单摆型隔震器的确是一个较弹性橡胶支撑在经济和技术上更优的方案。

虽然摩擦单摆型隔震器技术已较为可靠，并在世界范围内有超过20年应用于建筑、桥梁及工业设施隔震的历史，但在中国台湾地区的应用却属首例。为此，对此类隔震器进行了专题研究以确认其在台北市应用的可行性及性能。最终使用的摩擦单摆型隔震器如图6所示。

图6 摩擦单摆型隔震器示意图

更多内容详见2014年第24期《转自：建筑结构-公众号》杂志文章：《台北艺术中心隔震结构设计》，作者：刘光磊，朴才思（奥雅纳工程顾问）。

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