世博会西班牙国家馆结构设计与分析.pdf

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1、建筑结构学报 Journal of Building Structures第31卷 第5期2010年5月Vol131No15May 2010017文章编号:100026869(2010)0520124208世博会西班牙国家馆结构设计与分析丁洁民1,赵 昕1,孙华华1,陈 侃2(1.同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,上海200092;2.同济大学 建筑工程系,上海200092)摘要:西班牙国家馆是2010年上海世博会临时场馆之一。建筑包括多功能厅、展厅、餐厅、报告厅、SEEI办公和辅助用房。建筑造型借鉴了中国与西班牙共有的传统工艺 藤编,在该建筑立面呈现出柳条编织的篮子形状,体现了东方与西

2、方、中国与西班牙相连的意境。西班牙馆建筑表现效果要求高,形态复杂,存在多处水平和竖向的空间扭转曲面,对结构设计提出了极大的挑战。从结构选型入手,提出几种不同的立面杆系布置方案,以结构性能参数为量化指标选取最优方案。在优选方案的基础上,对西班牙馆的结构体系、抗风抗震以及重要节点进行了分析与设计。分析表明:立面采用杆件正交布置的双层空间框架结构具有较好的受力、变形和抗震性能,相贯节点安全可靠。相关结构杆系选型和分析内容对类似复杂建筑形态结构设计有较好的参考价值。关键词:钢框架结构;复杂建筑形体;杆系布置;结构设计中图分类号:TU391TU318 文献标志码:AStructural design a

3、nd analysis on Spanish Pavilionof theWorld Expo 2010D I NG Jiemin1,ZHAO Xin1,SUN Huahua1,CHEN Kan2(1.ArchitecturalDesign&Research Institute of TongjiUniversity(Group)Co.Ltd,Shanghai 200092,China;2.Department ofBuilding Engineering,TongjiUniversity,Shanghai 200092,China)Abstract:The Spanish Pavilion

4、is one of the national pavilions of the World Expo 2010.It consists with exhibitionhalls,restaurants,auditorium with stage,offices and supporting functions.The project attempts to use the universallanguage of the material to build a bridge between east and west.The wicker,a material both traditional

5、 in Spain andChina is used in the building facade to make the construction like a basket.Because of high building representationeffects requirement,the Spanish Pavilion includes horizontal and vertical curved surface.The complicated buildingshape is a great challenge for structural design.Starting w

6、ith structural system selection,the paper proposed severaldifferent facade member layout schemes and then obtained the best scheme by the parameters of structuralperformance.Based on this scheme,the paper addressed the global structural design,structural analysis under windload and earthquake and th

7、e critical connection design.The analysis indicates that orthogonal member system ofdouble2layer space frame has a good performance on structural stress,deformation and seismic behavior.The joint ofthe structure is safe and reliable.The structure member selection and analysis results of the Spanish

8、Pavilion can beused as reference for the projects with similar complicated building shape.Keywords:steel frame structure;complicated building shape;members layout;structural design作者简介:丁洁民(1957),江苏泰兴人,工学博士,教授。E2mail:djmtjadri1com收稿日期:2009年12月4211 工程概况2010年上海世博会西班牙国家馆位于上海世博会浦东C片区C09地块。建设单位为西班牙国家国际展览署

9、。设计团队由外方和中方设计单位组成。外方设计单位为西班牙EMBT建筑师事务所和MC2结构工程咨询公司,中方设计单位为同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司。建设中西班牙国家馆的整体建筑效果如图1所示,室内效果如图2所示。图3 西班牙馆柱网平面示意图Fig.3Column configuration of Spanish Pavilion图1 西班牙馆建筑立面造型Fig.1Building appearance of Spanish Pavilion图2 西班牙馆室内布置Fig.2Inside layout of Spanish Pavilion世博会西班牙国家馆用地面积7081m2,总建筑面积

10、为7624m2,建筑占地面积4628m2,建筑高度20m,地上3层。根据建筑功能可划分为西侧的展厅、餐厅、观众厅,东侧的办公和辅助用房以及中部一个联系建筑内外的下沉式广场,柱网平面布置如图3所示。西班牙国家馆立面外墙采用双层表皮体系。外层为装饰层,建筑师采用了中国与西班牙共有的传统工艺 藤编,在该建筑立面呈现出柳条编织的篮子形状,体现了东方与西方、中国与西班牙相连的意境,如图4所示;内层为围护层,采用不透明幕墙和玻璃幕墙组织成特有的光影效果,如图5所示。结构主体采用钢结构。考虑到建筑立面呈现出柳条编织的篮子形状,形态较复杂,存在多处水平和竖向的空间扭转曲面,结构形式采用与立面形态相适应的空间框

11、架结构。空间框架结构竖向及水平向构件沿建筑立面在不同部位发生扭曲,以与空间扭转曲面相适应。结构主体共分内外两层,建筑表面装饰幕墙支撑于外层框架上。2 结构杆系布置方案比选211 结构杆系方案介绍考虑到建筑立面形态的复杂性,合理布置立面杆件、成功设计该立面墙体,成为了该项目方案取得成功的关键。因此在结构方案设计阶段提出了三种立面结构杆系布置方案,分别为正交杆系方案、斜交杆系方案和蜂窝杆系方案。方案一为正交杆系方案,如图6所示。正交网格是一种最为常见的杆系布置方式,它通过竖柱横梁的形式,将结构承受的荷载通过由梁到柱的传力路径,最终有效地传至基础。正交网格布置规整,传力明确,有广泛的工程应用背景。根

12、据建筑造型和定位的要求,在正交杆系方案中西班牙国家馆的竖向构件的轴线与由建筑轴线在建筑立面上形成的竖向521图4 西班牙馆立面效果图Fig.4Effect drawing of Spanish Pavilion elevation图5 西班牙馆室内效果图Fig.5Inside effect drawing of Spanish Pavilion(a)轴测图(b)立面图图6 正交杆系方案Fig.6Orthogonalmember system scheme线条重合。竖向杆件间距随立面形态的转折而产生变化,但基本上控制在23m之间。所有同层水平杆件轴线均在同一水平面内,水平面层间距为112m。结构

13、内外层立面杆件通过水平连杆相连。方案二为斜交杆系方案,如图7所示。斜交杆系结构体系是一种比较新颖的结构体系,它没有传统意义上的梁和柱的分别,而是采用双向交叉的斜柱组成结构立面。其中的斜柱不仅起到柱的作用,还起到梁的作用。目前斜交网格体系的理论成果相对较少,在工程中也主要应用在高层建筑筒体结构中,在多层钢结构建筑中较少采用。该方案根据建筑立面定位,从起始高度水平面与建筑竖向轴线的交点向下一高度水平面和相邻建筑竖向轴线交点连线形成杆件,循环重复组成斜交网格杆系。每根斜杆的水平投影即为竖向建筑定位轴线间距,垂直投影为建筑水平层间距112m。结构的内外层杆件在对应的斜交点处用水平连杆相连。(a)轴测图

14、(b)立面图图7 斜交杆系方案Fig.7Oblique crossingmember system scheme方案三为蜂窝杆系方案,如图8所示。蜂窝状结构是在自然界中比较常见的形态,它以仿生形态和性能受到建筑师和结构师的青睐,但由于对其理论研究较少,对其能否在建筑立面中成立缺乏实际经验,因此在工程应用中并不多见。在西班牙国家馆杆系布置中,该方案结合了前两种方案的建模方式,使竖杆和斜杆在不同的水平层间交替出现,并且在竖杆层等间距的减少一半杆件量,从而构成了蜂窝杆系方案。(a)轴测图(b)立面图图8 蜂窝杆系方案Fig.8Honeycomb member system scheme212 杆系布

15、置方案比选对三种杆系方案的内层、外层和连接杆件各赋予相同截面尺寸的杆件,并利用SAP2000软件在弹性范围内进行分析计算。统计各个杆系方案的结构水平位移,竖向变形,杆件应力比的平均值,节点数以及用钢量,三种杆系方案性能比较见表1。621表1 杆系布置方案参数比较Table 1Comparison ofmem ber layout schemes结构方案正交杆系方案斜交杆系方案蜂窝杆系方案X向水平位移/mm1310512812Y向水平位移/mm241919172910竖向变形/mm123181681716313平均应力比011800122501240节点数/个645640814044结构立面用钢

16、量/t224220841612从表1可以看出,在长边X方向,结构的最大水平位移值依次为正交杆系方案、蜂窝杆系方案、斜交杆系方案,而结构在这一方向的材料用量却表现为斜交杆系方案和蜂窝杆系方案要小于正交杆系方案。这说明在结构高宽比较小的情况下,斜交杆系方案和蜂窝杆系方案具有较好的抗侧刚度。在短边Y方向,结构的最大水平位移值为蜂窝杆系方案大于正交杆系方案和斜交杆系方案,这主要是因为,在短边方向高宽比相对较大,且正交杆系方案的材料用量要大于蜂窝杆系方案,故蜂窝杆系方案的位移较大。综合以上两点,就结构的抗侧能力来看,以斜交杆系方案最优,蜂窝杆系方案其次。究其原因,从传力路径上分析,斜杆能够将大部分水平荷

17、载以斜向轴力的形式传至基础,使得受力更加合理,而这一特点是传统正交杆系方案中的水平构件所无法实现的,因此斜杆增大了传递水平荷载时杆件的利用率。从单一杆件上分析,斜杆轴向刚度的水平分量提供了结构的侧向剪切刚度,斜杆轴向刚度的竖向分量提供了结构的弯曲刚度。西班牙国家馆结构高宽比较小,主要体现为剪切变形的特点,故杆件的斜交增加了结构的剪切刚度,提高了结构的抗侧性能。从竖向变形来看,在抵抗竖向荷载的能力上正交杆系方案要明显优于蜂窝杆系方案和斜交杆系方案。这主要是因为在斜杆杆系方案和蜂窝杆系方案中,由于杆件的斜置,同时提供了一定比例的竖向和水平刚度。并且这两种材料用量较小,故位移明显大于正交杆系方案。而

18、蜂窝杆系方案在材料用量较少的情况下竖向位移仍略小于斜交杆系方案,说明蜂窝杆系方案中的竖向杆件在抵抗竖向荷载方面作用明显。从结构的受力状态来看,三种布置方案差别不大。正交杆系方案用钢量较大,但无明显应力集中区域,平均应力比较小。斜交杆系方案和蜂窝杆系方案在立面转折处由于斜杆轴力汇交,产生面外合力,从而产生应力集中,故平均应力比较大。但由于这两种方案用钢量较小,仍有结构优化空间。作为复杂形体结构,节点的数量和形式也是本工程能够节约开支,按时完工的重要方面。正交杆系方案的节点数量要大于其他两种方案。但从节点的施工的角度,正交杆系方案节点更容易规格化加工,而斜交杆系方案和蜂窝杆系方案的节点由于存在多向

19、斜交,且斜交角度随着立面的转折而变化,故加工难度大,不容易规格化。综合以上比较分析,从建筑造型来看,斜交杆系方案和蜂窝杆系方案造型新颖美观,但由于建筑立面最终要覆盖装饰层材料,结构杆件不外露,因此无法展现这一特性。从结构设计来看,该场馆结构主要受竖向荷载控制,水平荷载作用影响较小,故立面结构应加大竖向刚度,同时为避免立面扭转位置的应力集中,故正交杆系方案最为合适。从施工建造来看,正交杆系方案节点便于规格化,加工和安装相对简单。基于以上几点,正交杆系方案既能实现建筑造型,又能满足结构性能要求,同时又方便施工,为最终西班牙国家馆立面结构的实施方案。3 结构分析311 荷载选取31111 风荷载该结

20、构基本风压取为0155kN/m2,地面粗糙度取为B类。考虑到建筑形态复杂,无法根据常规建筑外形确定风荷载体型系数,在方案和初步设计阶段,通过计算流体动力学分析方法计算建筑表面的风荷载体型系数、建筑正面和背面来流风作用下的建筑表面风压系数和10m高度处风速。数值模拟方法中应用最广的是基于稳态的Reynolds时均Navier2Stokes方程,由标准k2 模型进行封闭并作离散求解的数值方法2。由于标准k2 模型是以湍流各向同性的涡粘性假定为基础的,对于强各向异性流动的预测不甚理想。此外西班牙国家馆表面尖锐棱角较多,在这些区域存在较强的旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离以及二次流动,最终分

21、析中采用了Realizablek2 湍流模型。对西班牙国家馆在0(X向)、90(Y向)、180、270等4个风向角下的表面风压及周围风场进行了模拟计算,各风向角下的压力系数分布如下图9所示。31112 地震作用根据GB 500112001 建筑抗震设计规范 3 及上海市工程设计规范4,上海为7度抗震设防区。西班牙国家馆按丙类建筑进行设计,但实际设计使用年限仅为1年,发生7度多遇地震的概率相对较低。根据世博会临时建筑物设计标准,临时建筑地震作用可以进行折减,对丙类建筑,地震作用折减系数可以取为0165。721图9 各风向角下的压力系数分布Fig.9Pressure coefficient dis

22、tribution in each wind direction本项目抗震设防烈度为7度,基本地震加速度值为011g,设计地震分组为第一组,建筑场地类别为I V类场地,场地特征周期为019s。水平地震影响系数最大值,多遇地震下取0108,基本烈度地震下取0123。钢结构阻尼比取315%。31113 其他荷载本项目活荷载根据 世博会临时建筑物、构筑物设计标准 5 及设计任务书提供的资料取值。基本雪压为012kN/m2,与活荷载不同时考虑。温度作用考虑计算温差为 50。312 结构弹性分析立面结构最终采用正交杆系布置,共分内外两层。内层为主结构,底部构件落地与基础相连;外层为次结构,底部不落地;内

23、外层结构间采用撑杆相连。根据结构整体分析,并考虑建筑师的要求,确定结构体系内层主结构的竖向和水平构件分别为直径200mm和150mm的圆钢管。为了满足结构强度和变形的要求,钢管壁厚分别为14mm、16mm和20mm,局部弯曲应力较大处的构件采用壁厚25mm。结构外层次结构的竖向和水平构件分别为直径150mm和120mm的圆钢管。内外层结构间的连接构件采用直径为150mm的圆钢管。建立结构三维空间模型如图10、11所示,对结构进行静力弹性分析,以获得结构在竖向荷载及风载作用下的内力和变形响应。表2为结构最大竖向变形计算结果,其中竖向变形最大值107mm,发生在标高为1611m楼面梁处,相应的楼面

24、跨度为28m,不超过L/250的限值(L为楼面跨度)。表3为结构最大水平变形计算结果。图10 展厅区域结构模型Fig.10Structuralmodel of exhibition hall图11 室外广场结构模型Fig.11Structuralmodel of outside square821表2 竖向变形计算结果Table 2Result of vertical displacem ent荷载组合竖向最大变形值/mm110恒荷载+110活荷载104110恒荷载+110活荷载+升温101110恒荷载+110活荷载+降温107表3 水平变形计算结果Table 3Result of horiz

25、ontal displacement风荷载方向最大水平变形值/mmX向1116Y向1216313 结构抗震分析采用折减后的地震作用,对西班牙国家馆进行反应谱分析和弹性时程分析。结构动力特性见表4。表4 结构周期Table 4Structuralperiods振型周期/s振型描述1阶11002Y向平动2阶01862X向平动3阶01670扭转地震作用下的结构变形分析,考虑西班牙国家馆楼板在水平和竖向分布均不连续,结构整体变形分析中采用局部刚性楼板假定。采用层间位移角量化相邻楼层的相对变形,对每层楼面的变形情况可采用整体位移角进行衡量。其中整体位移角为各楼面最大水平向位移与该楼面到地面高度的比值,层

26、间位移角为相邻楼层的最大位移差与相邻楼层层间高度的比值。整体位移角最大为1/356,层间位移角最大为1/875,均小于1/300的限值,各楼层位移角见表5。同时按照建筑物场地类别和设计地震分组,选用两条实际强震记录和一组人工模拟的地震加速度时程曲线对结构进行了时程分析。4 结构设计411 构件设计构件设计时,立面围护结构内层水平、竖向钢管、楼面主梁等主要承重钢构件采用Q345B钢,立面围护结构外层水平、竖向钢管、楼面次梁等次要构件采用Q235钢。根据312节所述结构构件截面,不同直径圆钢管的壁厚变化较大,为兼顾结构的安全性和经济性,考虑壁厚的种类不超过6种,具体设计值见表6。412 节点设计本

27、工程的主要节点是钢结构的竖向杆件与水平杆件的连接节点。竖向杆件为主要受力构件,且尺表5 水平地震作用下整体及层间位移角Table 5Story drift rati o and inter2story drift ratiounder horizontal earthquake地震作用方向标高/m整体位移角层间位移角X向3141/24288141/19091/178511191/21251/433314101/16275191/73811151/10951/87513111/65816111/486Y向3141/24288141/19091/125011191/19831/116614101/

28、15565191/39911151/4361/140013111/41516111/356注:表中楼面标高分区排列。表6 结构构件设计结果Table 6Design of structuralm embers杆件名称杆件截面最大应力比结构内层竖向构件2001201536结构内层竖向构件2001401505结构内层竖向构件2001601620结构内层竖向构件2002001743结构内层竖向构件3002001598结构外层竖向构件及腹杆15081502001617结构内层水平构件15081502001620结构外层水平构件12061202001782楼、屋面梁H3003001119等01638斜坡

29、结构边梁及斜撑H3003001119等01620寸大于水平杆件,因此竖向杆件连续贯通,水平杆件与之相贯焊接,如图12、13所示。与一般的圆钢管相贯节点不同,该节点的两根杆件(竖向杆件与水平连杆)的轴线不交于一点,目前尚无针对这种节点的承载力计算方法,因此利用通用有限元软件ANSYS对这种节点进行了有限元应力分析,如图14、15所示。节点模型中的钢管采用三维壳单位进行模拟,而节点模型中的焊缝采用实体元进行模拟。分析结果表明,节点区域的应力水平在中震作用下均小于屈服强度。413 楼板设计结构楼面采用压型钢板组合楼板如图16所示,通过混凝土与压型钢板的共同作用提供足够的承载力。压型钢板组合楼板通过栓

30、钉与钢梁相连接,使压型钢板组合楼板与钢梁协同受力。楼面梁与主结构之间通过铰接连接如图17所示,以方便结构的施工和装配,同时也便于拆卸。921图12 部分相贯节点部位示意Fig.12Location of joint图13 节点示意图Fig.13Joints sketch map图14 部分相贯节点有限元模型Fig.14Finite elementmodel of joint图15 部分相贯节点焊缝应力分析结果Fig.15Analytical result ofweld stress5 结构分析与设计中的关键问题511 复杂造型结构建模为解决复杂建筑空间专业设计协同问题,在设图16 组合楼板截面

31、示意图Fig.16Composite slab cross section图17 楼板与主体结构连接示意图Fig.17Connection of composite slab and main structure计过程中采用了建筑信息建模(BI M)方法进行各专业协同设计。采用了基于NURBS的三维空间建模方法进行建筑信息建模工作。建筑信息模型中集成了建筑、结构和设备各专业的设计信息。在进行结构分析和设计时,直接提取建筑信息模型中的几何信息进行结构建模工作。512 抗风设计根据数值模拟结果(图9),结构在各风向角下,迎风面凸出区域出现正风压,向内凹进区域出现较小正风压以及较大负风压。由于建筑物

32、体型复杂,在向内凹进区域,流体速度增大导致气流严重分离。在0 风向角下,最大负风压出现在侧面凸出弧度最大的近地面处。其余各风向角下,最大负风压出现在迎风面边缘与顶面相交的顶部尖锐角点处。出现这一现象的原因在于:在这些建筑物角点处,多个不规则面相交,形成尖锐的夹角,在这些狭小区域气流出现极为严重的分离与激烈的旋涡,从而形成高负压区。各风向角下,背风面以及侧面绝大部分为小负压区,只在一些凹进区域出现极小的正风压。出现正风压区的原因在于:气流在建筑物凹进区域形成绕流。总体上看,4个风向角下,最大的正风压系数出现在建筑物的迎风面,为0189;最大负风压(吸力)系数出现在270 风向角下,为310。除建

33、筑物尖锐角点外,其他部位压力系数的绝对值均不是很大。因此,在对西班牙国家馆进行覆面设计和结构设计时,对其各个角点处应予以特别加强,从而降低风压的角部集中效应的影响。513 结构体系优化西班牙国家馆的主体结构主要由钢管构件组成。为了与建筑形态相一致,结构构件均具有三维空间的几何形式。在结构设计中除了要考虑优化结构体系,使之在各种荷载工况下均具有良好的安全031性和经济性之外,还需要对各种结构构件和连接节点构造进行详尽的考虑和分析优化,以确保结构的真实性态满足预期的设计要求。在结构构件设计过程中,不断根据建筑形态和建筑功能的调整对构件截面进行进一步地调整和优化。截面的调整和优化主要考虑改变构件的壁

34、厚,而维持构件的外径,以减少连接节点的种类,尽可能地实现节点设计的标准化。在结构节点设计中,由于结构构件形式复杂,不同构件之间的连接形式种类繁多,因此既要尽量实现重复性较大、数量较多的节点的标准化设计,又要涵盖较为特别的、数量较少的特殊节点的设计。主体结构竖向和水平构件的分段连接节点采用高强螺栓连接的方式,以在保证连接强度的同时便于拆卸。主体结构的竖向构件与基础之间采用螺栓相连的铰接连接。连接节点可以采用额外的调节垫片以调节可能的装配差异。6 结论上海世博会西班牙国家馆造型新颖复杂,本文就该结构分析与设计的关键问题进行详尽的探索和分析。具体内容包括结构杆系布置方案比选、复杂形态立面风荷载参数确

35、定、结构分析、结构体系设计以及节点分析与设计。获得相关结论如下:(1)从建筑造型、结构性能和施工安装等角度出发,对世博会西班牙国家馆立面结构杆系方案进行了多方案比选。正交杆系方案有较大的竖向刚度,能避免在立面造型转折处出现应力集中,节点加工便于规格化,方便施工安装。最终确定正交杆系方案为实施方案。(2)根据结构分析结果,杆件正交布置的双层空间框架结构具有较好的受力、变形和抗震性能,能够满足世博会西班牙国家馆的设计使用要求。(3)基于NURBS方法的三维空间建模方法一方面为建筑信息建模提供了有效手段,另一方面能够对复杂建筑形态进行有效模拟,从而实现了建筑信息模型和结构建模工作的有效传递。(4)对

36、于形态复杂建筑,采用CFD方法可以有效获得建筑表面的风压系数,从而修正规范的体型系数数值,给出更为准确的风荷载估算值。(5)对于楼面分散,且竖向不连续的结构而言,采用层间位移角和整体位移角相结合的方式,可以有效地评估结构的变形情况。(6)采用三维壳单位和三维实体单位分别模拟了部分相贯节点的钢管构件及焊缝,分析结果表明该节点形式安全可靠。参 考 文 献1MURAKAM I S.Comparisonofvariousturbulencemodel applied to a bluff body J.Journal of W indEngineering and Industrial Aerodyn

37、amics,1993,(46247):21236.2 杨伟,顾明.高层建筑三维定常风场数值模拟 J.同济大学学报,2003,31(6):6472651.(YANG Wei,GU Ming.Numerical simulation of steady flow around a3D high2rise buildingJ.Journal of TongjiUniversity:Natural Science,2003,31(6):6472651.(inChinese)3GB 500112001 建筑抗震设计规范 S.2008版.(GB500112001Codeforseismicdesign o

38、fbuildings S.2008 Edition.(in Chinese)4DGJ 08292003 建筑抗震设计规程 S.(DGJ 08292003Specification for seismic design of buildings S.(in Chinese)5 上海市建设和交通委员会.世博会临时建筑物、构筑物设计标准M.结构专篇.上海:上海市建设和交通 委 员 会,2007.(Shanghai ConstructionandTransportationCommission.Designstandardfortemporary building and constructions of theWorld Expo2010 M.Structural Chapter.Shanghai:ShanghaiConstruction and Transportation Commission,2007.(inChinese)131