姚衛(wèi)寧

（中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西 南昌 330031）

場館類建筑的設(shè)計過程探析

姚衛(wèi)寧

（中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西 南昌 330031）

隨著時代的發(fā)展，人們物質(zhì)生活水平得到了質(zhì)的飛躍，越來越多的人開始重視健身，尤其是在奧運與亞運兩大賽事的影響下，人們參與體育活動的熱情空前高漲。因此中小型體育館建設(shè)在這十年間得到了迅猛發(fā)展。文章以大型場館建設(shè)為研究對象，詳細闡述場館建設(shè)的設(shè)計流程，并將施工過程中的各項控制指標進行了逐一敘述，為相關(guān)的工程設(shè)計提供了理論參考。

場館類建筑；建筑設(shè)計；設(shè)計指標

1 場館類建筑計算工具的選擇

場館類建筑設(shè)計涉及到的計算非常復雜。市面上相關(guān)的三維有限元計算軟件有很多，各有特色，可根據(jù)具體計算對象和個人習慣來選擇適合的計算工具。無論設(shè)計者選擇哪一種計算工具，一定要建立能夠真實的反應(yīng)客觀結(jié)構(gòu)力學性能的模型。因此了解計算工具中的材料的力學屬性和單元類型至關(guān)重要。目前，應(yīng)用比較普遍的建筑設(shè)計計算工具大概有以下幾種：ETABS，3D3S，SAP2000，MIDAS，ABAQUS，Solidworks等。不同軟件工具可以說各有優(yōu)勢，比如ETABS適合計算分析單獨的混凝土結(jié)構(gòu)；3D3S適合幾何模型的建立和加載，獲得初步計算結(jié)果和生成SAP2000模型；SAP2000則適合單獨鋼結(jié)構(gòu)和總裝結(jié)構(gòu)的計算分析；MIDAS適合單獨混凝土結(jié)構(gòu)和總裝結(jié)構(gòu)分析；ABAQUS適合流體，非線性極限承載力分析；SW適合建立復雜節(jié)點模型等。

對于復雜的、異形的屋蓋剛結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計者往往需要在其節(jié)點定位，構(gòu)件間的空間關(guān)系上花費較大精力。在三維設(shè)計平臺繪制空間線條模型時，難以保證節(jié)點間的重合，利用SAP2000中強制合并節(jié)點的功能，可以合并大多數(shù)看似重合的節(jié)點。3D3S軟件可以通過節(jié)點編號查詢不同節(jié)點間的空間距離，從而有利于模型的建立。總之各個計算工具各具特色互有優(yōu)勢，靈活運用可以取長補短，做到使結(jié)構(gòu)模型與建筑數(shù)據(jù)向一致，將會在結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時占據(jù)優(yōu)勢。

2 場館類建筑的設(shè)計過程

場館類建筑很多，如體育館，博物館，火車站等，而且形式多樣，各有特色，在設(shè)計過程中會遇到多方面的問題。目前這類建筑下部多采用鋼筋混凝土框架或鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，上部采用大跨度桁架屋蓋或大懸挑罩棚結(jié)構(gòu)（見圖1、2）。一般場館類建筑的設(shè)計過程主要為：概念設(shè)計；結(jié)構(gòu)的選型、布置；擬定設(shè)計參數(shù)和控制指標；結(jié)構(gòu)分析計算；桿截面選擇與強度校核；反復計算與優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計；鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的設(shè)計。

圖1 鋼筋混凝土框架+大跨度桁架屋蓋

圖2 鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)+大懸挑罩棚結(jié)構(gòu)

概念設(shè)計是指不經(jīng)數(shù)值計算，從藝術(shù)和整體的角度來設(shè)計建筑的總體布局并能夠保證所設(shè)計的結(jié)構(gòu)具有良好抗震性能的一種設(shè)計方法。該設(shè)計方法包含的內(nèi)容非常廣泛，所涉及到的內(nèi)容也相當復雜，比如在場館設(shè)計時，需要比較選擇何種結(jié)構(gòu)和布局對抗震抗風有利、所設(shè)計結(jié)構(gòu)的剛度整體上增加還是減小、釋放溫度應(yīng)力還是硬抗溫度應(yīng)力、為避免穩(wěn)定性問題而盡量的使構(gòu)件處于受拉狀態(tài)、為充分發(fā)揮材料強度而盡量使構(gòu)件處于軸向受力狀態(tài)以及如何去選擇最優(yōu)構(gòu)件傳力路徑的問題等。

從計算的角度來看，場館類建筑設(shè)計的主要問題是：模擬分析建筑整體結(jié)構(gòu)的力學屬性，邊界條件；不同載荷（如溫度，風，地震等）作用下建筑結(jié)構(gòu)的變化；確定最優(yōu)的構(gòu)件傳力路徑；構(gòu)件長度計算；整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析以及各種形式的鋼連接節(jié)點的應(yīng)力分析等。

場館類建筑的設(shè)計計算過程大致可以分為三個步驟：建立計算模型；分析模型；設(shè)計構(gòu)件結(jié)構(gòu)。其中建立正確的計算模型是關(guān)鍵，該步驟主要內(nèi)容是從幾何結(jié)構(gòu)和力學性能上計算模擬出對象在受載情況下的各種工況。具體的包括模型建立，邊界條件定義，約束定義，載荷定義等。模型建立后，通過計算并結(jié)合各種工況、載荷等進入分析模型階段。分析結(jié)果可以獲得有關(guān)振型，位移，周期，結(jié)構(gòu)應(yīng)力，支座反力等信息。并據(jù)此來設(shè)計構(gòu)件結(jié)構(gòu)，該階段主要是構(gòu)件截面驗算，具體的包括混凝土配筋計算和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析與控制。該部分涉及具體的設(shè)計施工參數(shù)，往往要投入大量精力。

3 各項指標的控制

3.1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計控制指標

主要指標有：①變形指標：網(wǎng)、立體桁架屋蓋結(jié)構(gòu)控制為L/250（L為屋蓋短向跨度）；大懸挑罩棚前端變形撓度控制為L/125（L為大懸挑罩棚長度）；②動力特性指標：鋼結(jié)構(gòu)屋蓋與大懸挑罩棚豎向自振頻率≥1.0Hz；③構(gòu)件應(yīng)力控制指標：主要受力構(gòu)件的最大應(yīng)力不大于0.90f（f為鋼材設(shè)計強度）；④穩(wěn)定性指標：結(jié)構(gòu)線性極限屈曲荷載/（恒+活）荷載的屈曲系數(shù)K≥10；結(jié)構(gòu)非線性極限屈曲荷載/（恒+活）荷載的屈曲系數(shù)K≥4.5。

3.2 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計控制指標

剛度比，質(zhì)量比等各項指標應(yīng)按照結(jié)構(gòu)類型、抗震等級等相關(guān)規(guī)范進行控制。

（1）結(jié)構(gòu)整體指標。周期比的概念在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010中第3.4.5條進行了定義。周期比是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標。大型場館類建筑結(jié)構(gòu)因其空曠，跨度大，開口復雜，往往會產(chǎn)生較多的局部振動。周期比并不是要求結(jié)構(gòu)足夠結(jié)實，而是要求結(jié)構(gòu)布局合理。如果不能滿足規(guī)范要求，則需要設(shè)計者優(yōu)化機構(gòu)剛度以增大結(jié)構(gòu)的整體抗扭能力。

（2）抗震性能化設(shè)計指標建筑的抗震性能化設(shè)計，應(yīng)立足于承載能力和變形能力的綜合考慮，具有很強的針對性，靈活性。針對具體工程需要和可能，可對整體機構(gòu)，也可以對某些部位和關(guān)鍵構(gòu)件運用各種措施達到高于基本抗震目標：小震不壞，中震可修，大震不倒的水準。

4 場館類建筑設(shè)計考慮因素

4.1 風載作用

場館類建筑結(jié)構(gòu)因其自身跨度大、立面與屋面樣式復雜且造型多變。鋼結(jié)構(gòu)部分具備自重輕、強度高的特點，對風載作用比較敏感。此類建筑結(jié)構(gòu)的風荷載的體型系數(shù)的確定往往比較困難。對于常規(guī)場館類屋蓋，一般按照荷載規(guī)范對風載體型系數(shù)的規(guī)定取值；對于大懸挑罩棚類場館結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的初步計算所需風荷載體型系數(shù)取值見圖3。

圖3 風載體型系數(shù)取值

而對于造型復雜、規(guī)范中未明確給出體型系數(shù)和風振系數(shù)的取值計算方法的結(jié)構(gòu)，則需要通過風洞試驗以確定建筑表面的實際風壓分布情況與結(jié)構(gòu)風振響應(yīng)，從而為確定主體鋼結(jié)構(gòu)的風載提供依據(jù)。另外，對于體型系數(shù)的研究，采用CFD流體分析軟件與風洞模型試驗相結(jié)合，可以得到較為準確的結(jié)果。

4.2 溫度變化

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009—2012（簡稱荷載規(guī)范）要求對溫度問題進行專門的結(jié)構(gòu)分析。溫度作用簡要來說即結(jié)構(gòu)之間在規(guī)定時段內(nèi)由于溫度場的變化所引起的相互作用，為可變荷載，一般情況下可變載荷的分項系數(shù)取1.4，組合值系數(shù)取0.6。溫度變化會引起混凝土結(jié)構(gòu)剛度退化以及混凝土材料發(fā)生徐變、收縮等。在設(shè)計計算過程中考慮溫度變化的作用，對設(shè)計的可靠性至關(guān)重要。據(jù)經(jīng)驗，在考慮溫度荷載與地震荷載進行組合時，溫度荷載組合值系數(shù)取0.3。

場館類建筑結(jié)構(gòu)往往存在超長結(jié)構(gòu)，最容易受到溫度變化帶來的影響，溫度作用效應(yīng)不能忽視。為減小溫度應(yīng)力及混凝土收縮的影響，可以通過設(shè)置適宜的后澆帶、采用低水化熱的普通硅酸鹽水泥和碎石骨料配制混凝土、低溫合攏、加強混凝土養(yǎng)護、采用高效減水劑降低水泥用量、配置適當?shù)臉?gòu)造鋼筋等措施。場館類建筑結(jié)構(gòu)中有多種方式可以有效釋放處于工作狀態(tài)的結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力，如滑動支座、彈性支座等方案。

4.3 地震作用

多遇地震（小震）地震作用時，計算可根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011—2010（簡稱抗規(guī)）和安評報告的要求進行包絡(luò)設(shè)計，設(shè)防地震（中震）和罕遇地震（大震）可按抗規(guī)的規(guī)定進行設(shè)計。同時大型場館類結(jié)構(gòu)還須考慮豎向地震作的作用，對于體型復雜或跨度較大的結(jié)構(gòu)，還需要進行多維地震作用下的組合效應(yīng)分析。場館類建筑結(jié)構(gòu)阻尼比的取值如下：

當控制上部鋼結(jié)構(gòu)（鋼結(jié)構(gòu)單體模型）時，取ξ＝0.02；當控制下部混凝土結(jié)構(gòu)（混凝土單體模型）時，取ξ＝0.05；當控制下部混凝土結(jié)構(gòu)（總裝模型）時，取ξ＝0.035。

5 場館類建筑設(shè)計的基本設(shè)計方法

包絡(luò)設(shè)計法是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中解決復雜問題的基本方法，具體定義是指針對工程中可能出現(xiàn)的情況，分別計算，按不利值進行設(shè)計?！翱赡艹霈F(xiàn)”的情況需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際構(gòu)造、受力特性以及相關(guān)規(guī)范進行必要的分析和判斷。包絡(luò)設(shè)計重視經(jīng)驗的積累，既可以是對構(gòu)件，局部區(qū)域的包絡(luò)設(shè)計也可以是針對整個結(jié)構(gòu)的包絡(luò)設(shè)計。

在場館類建筑設(shè)計過程中，使用包絡(luò)設(shè)計方法，可以解決工程設(shè)計中的疑難問題或者一些不確定性的問題。場館類建筑結(jié)構(gòu)中以下情況可以利用包絡(luò)方法進行分析：①在管桁架設(shè)計中，當腹桿與弦桿固接和鉸接時，可以進行雙控包絡(luò)設(shè)計，特別是在腹桿節(jié)間長度與截面高度較小的情況下，節(jié)點剛度的影響不容忽略；②在上部鋼結(jié)構(gòu)與混凝土部分的連接界面剛接和固接時，可以進行雙控包絡(luò)設(shè)計，特別是在支座通過預埋型鋼與混凝土部分連接的情況下，必須考慮支座的彎矩承載力；③在地震作用時，需對規(guī)范與安評報告進行包絡(luò)雙控；④風載作用時，需對規(guī)范與風洞試驗進行雙控；⑤針對單獨模型與整體模型進行包絡(luò)設(shè)計。

6 場館類建筑模型總裝分析

場館類建筑結(jié)構(gòu)一般采用上部大跨空間鋼結(jié)構(gòu)屋蓋支承于下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。上下部結(jié)構(gòu)應(yīng)作為一個整體看待，上部結(jié)構(gòu)對下部結(jié)構(gòu)既有作用又有剛度約束，下部結(jié)構(gòu)對上部結(jié)構(gòu)既有支承又有效應(yīng)放大。模型總裝分析即是將上部大跨空間屋蓋結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)作為一個整體結(jié)構(gòu)來分析。

傳統(tǒng)的大跨空間屋蓋結(jié)構(gòu)采用將其上部鋼結(jié)構(gòu)和下部混凝土分開單獨設(shè)計的方法，該方法所獲得的結(jié)果既不能反映上部結(jié)構(gòu)剛度對整體結(jié)構(gòu)的貢獻，也不能反映下部結(jié)構(gòu)的有限剛度對上部結(jié)構(gòu)的效應(yīng)放大。而模型總裝分析則能夠得到上下部結(jié)構(gòu)在各類載荷如重力、風、地震、溫度作用下較為合理可靠的效應(yīng)。

6.1 總裝分析的重要性

主要是：①溫度作用下，鋼、混凝土結(jié)構(gòu)材料特性差異以及上部鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)體系的差異，必然帶來整體結(jié)構(gòu)在溫度載荷作用下的變形受力性能差異；②單獨鋼結(jié)構(gòu)分析是假定鋼結(jié)構(gòu)置于地面，其支座按理想不動鉸或固定端處理，而實際結(jié)構(gòu)中連接界面下部的混凝土結(jié)構(gòu)剛度有限，且混凝土材料本身存在收縮、徐變。單獨混凝土結(jié)構(gòu)分析無法準確反映下部混凝土結(jié)構(gòu)的彈性支持對上部鋼結(jié)構(gòu)的影響；③地震作用下，實際鋼結(jié)構(gòu)高位并且彈性支承于下部混凝土結(jié)構(gòu)，這將帶來地震作用的放大，同時下部混凝土結(jié)構(gòu)的約束作用也必須通過總裝分析才能反映。

6.2 總裝分析的目的

主要是：①為了求得鋼結(jié)構(gòu)和混凝土連接界面各構(gòu)件在各種工況組合下的內(nèi)力，并與單獨鋼結(jié)構(gòu)以及單獨混凝土結(jié)構(gòu)計算分析得到的結(jié)果進行對比，確保連接界面各構(gòu)件的承載力滿足規(guī)范要求，確保整體結(jié)構(gòu)的安全性；②為了揭示混凝土結(jié)構(gòu)對鋼結(jié)構(gòu)的彈性支承以及混凝土結(jié)構(gòu)收縮、徐變帶來的長期剛度退化對上部鋼結(jié)構(gòu)的影響，校核上部鋼結(jié)構(gòu)，確保整體結(jié)構(gòu)的安全；③為了揭示上部鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度對下部混凝土結(jié)構(gòu)的影響，由此復核下部混凝土結(jié)構(gòu)，同時揭示上部鋼結(jié)構(gòu)高位、彈性支承于下部混凝土結(jié)構(gòu)帶來的地震作用放大等不利效應(yīng)。

7 結(jié)束語

文章介紹場館類建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程，包括計算工具的介紹和控制指標的選取，為此類結(jié)構(gòu)設(shè)計人員提供一些參考。隨著社會的發(fā)展，場館類建筑項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計更加新穎，奇特，同時也會有越來越多的問題呈現(xiàn)在我們面前，如何利用好現(xiàn)有的經(jīng)驗，工具和方法來設(shè)計出一副好的建筑結(jié)構(gòu)，將是建筑設(shè)計人員面臨的一個挑戰(zhàn)。

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