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建筑结构丨苏州中心“未来之翼”超长异形网格结构设计

本文结合张谨于4月24日在杭州举办的第五届全国转自:建筑结构-公众号技术交流大会上所做的精彩报告及设计团队在《转自:建筑结构-公众号》上刊发的文章整理,经作者授权发布。未经本刊及作者授权,严禁转载,违者必究!

作者:张谨(苏州工业园区设计研究院股份有限公司 董事、副院长、总工)

1

工程概况

  苏州中心项目位于苏州工业园区湖西CBD,是苏州地区在建最大商业综合体项目,占地约21.1公顷。地上建筑面积130万㎡,地下建筑面积50万㎡。地块内东侧为在建东方之门,西侧为规划两栋600m超高层。地块中轴线有地铁一号线穿过,整个地块分为南北两部分。建筑效果图见图1。该项目建筑设计单位:英国Benoy事务所;结构设计单位:施莱希(sbp)工程设计咨询(上海)有限公司(初步设计),苏州工业园区设计院(详细设计,计算校核,数值风洞,多点激励分析,三维节点设计,各专业施工图完成)。

图1  建筑效果(建筑设计英国Benoy事务所)

  覆盖于南北两侧4个裙房单体上的大鸟形屋面为大型单层钢结构屋面(图2),屋面总投影面积约为35000㎡,外轮廓尺寸约为470m×100m,中部跨越55m大跨度中庭,最大展开长度南北向约630m,东西向约180m。为使屋盖结构要求尽可能轻盈,整个屋面中间无任何伸缩缝。屋面结构跨越四个单体,空间几何形状复杂,长度超长,属于超限大跨空间结构,需按相关技术要求报省级超限审查。
图2  大型单层钢结构屋面

结构体系

  大鸟形屋面钢结构由三部分组成:树形柱支撑屋面和V形柱支撑的悬挂屋面和侧立面(图3)。通过在对应下部裙房结构混凝土柱的位置上设置树形柱(图4)和V形柱(图5),将大鸟形屋面竖向荷载传递至下部裙房。跨越55m的中庭部分考虑在相邻两侧混凝土结构的边缘位置设置V形支撑,将中庭作为类似悬挂结构设计。屋面结构的水平荷载,通过刚接树状柱、悬挂结构两侧V形支撑、垂直幕墙内侧水平支撑及悬挑梁传递至下部楼层的结构上。
图3 大鸟形屋面平面划分示意
图4  结构传力体系
图5 悬挂屋面基本受力原理图
图6 水平撑杆和悬臂梁布置示意

约束形式

  大鸟形屋面钢结构的支座约束形式主要分为三类:刚接支座、铰接支座及带单向滑动功能的铰接支座。树状柱柱脚大部分为刚接;部分为铰接或铰接+单向滑动。树形柱和V形柱主要支座约束形式布置如图7所示。悬挑幕墙主要支座约束形式布置如图8所示。图9为树形柱和V形柱典型支座的节点构造形式。
图7 树形柱及V形柱支座约束形式布置
图8 悬挑幕墙主要支座约束形式布置
图9 树形柱和V形柱典型支座的节点构造形式
  悬挂屋面的杆件大部分为刚接连接,仅在两端设置了适量的铰接节点(不是支座),以适应地震作用下两边结构的错动变形,悬挂屋面横向铰接点设置范围见图10。
图10 悬挂屋面横向铰接点设置范围

构件形式

  大鸟形屋面杆件均采用矩形钢管截面,主要杆件截面尺寸如表1所示。根据构件的实际受力情况,翼缘和腹板的厚度范围为10~50mm。树形柱和V形柱等抗侧力构件截面尺寸如表2所示。

节点形式

  根据不同部位构件的受力特点,构件之间的连接主要分为三类:刚接连接、销轴连接及板铰连接,连接构造见图11~13。
图11 刚接连接构造

结构分析

6.1
计算模型
  根据超限审查要点,本项目需要进行整体模型及分拆模型分析对比。
6.2
网格划分
  不同于传统曲面网格的三角形,本工程采用了刚度较小的四边形网格,其优点包括:节点类型简单、综合造价低且刚度小、更适应下部结构之间的位移差。网格划分见图14~16。
图14  精细有限元模型
图15  自由曲面四边形网格划分
图16  四边形网格翘曲率分布

排水设计

  悬挂屋面存在双曲面,坡度分布复杂。挡堰及集水沟的设置见图17,有效地改变了水流形态,避免了雨水直接从屋面流向下面的苏州大道。挡堰构造示意如图18所示,一般幕墙连接节点如图19所示。
图17 屋面排水方案示意及模拟

风洞试验及模拟

  结构体型独特,形式复杂,屋面风压分布和风致响应不同于常规结构,同济大学土木工程防灾国家重点实验室以1/350的几何缩尺比对其风致效应进行了刚体模型风洞试验研究,见图20。
  另根据超限审查专项要求,考虑到风洞试验模型的尺寸效应,专家建议采用CFD模拟进行对比分析,见图21。 
图20  物理风洞试验
图21  数值风洞模拟
  本工程周边建筑风场示意见图22,风环境舒适度除部分区域影响坐之外都满足舒适性要求。
图22  周边建筑风场示意

施工方案

9.1
钢结构防腐
  由于屋面钢结构构件为外露且兼做幕墙龙骨,防腐和美观要求非常高。苏州中心位于金鸡湖边,为轻度到中等腐蚀环境。通过选择除锈、涂装等特殊方案处理,屋面钢结构涂装的维护年限可提高到25年。
9.2
屋面施工
  由于屋面区域面积较大,按照施工分区可以分为7个区(图23)。
图23  屋面分区示意
  安装方案:设置条状脚手架及组合门式支撑架(图24),根据运输限制条件进行网格分块,在工厂分块加工好后,运输至现场,利用塔吊直接安装就位,最后现场安装分块间的嵌补杆件(图25)。
图24  屋顶层脚手架支撑及组合门式支撑架
图25  屋面分块吊装单元的安装
9.3
树形柱和V形柱施工
  裙房屋顶层施工完成后进行树形柱的安装,树形柱采用脚手架支撑或设置格构式临时支撑,树形柱只进行初步定位,吊装屋面网格单元时,树枝与网格节点同步调整就位、焊接,确保安装精度(图26)。V形柱同样按此法施工。
图26  树形柱安装
9.4
结构卸载
  结构卸载采用脚手架卸载+沙袋卸载的二次卸载方案,可以有效地避免幕墙安装过程中引起的各片幕墙间的不均匀变形,减小幕墙间的缝隙。

有关本项目的更多内容详见2015年第14期文章,题目:《苏州中心“未来之翼”屋面钢结构设计》;作者:路江龙1,陈伟2,沈晓明1,朱寻焱1,谈丽华1;单位:1 苏州工业园区设计研究院股份有限公司;2 施莱希工程设计咨询(上海)有限公司数值风洞在苏州中心。题目:《数值风洞在苏州中心“未来之翼”屋面设计中的应用,作者:杨律磊,龚敏锋,路江龙,张谨;单位:苏州工业园区设计研究院股份有限公司。

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《转自:建筑结构-公众号》杂志

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