1项目概况

湛江一中风雨球场改建项目位于该校原室外操场,建成后作为该校球类运动场地,同时兼作第14届省运会排球分会场,顶棚投影面积约4230m2,建成后的实景如图1所示。该项目主体结构为钢-索-膜结合的空间结构,主要空间尺寸如下:平面长90m,宽42~52m,柱间跨度36.25m,结构顶棚高9~15m,桅杆顶高24m,如图2。建筑抗震设防烈度为7度(0.10g),基本风压为0.95kN/m(2n=100)。

本项目建筑设计方案按照亚热带地区常见的棕榈叶“仿生”而成,为实现该大跨度叶片结构,我们考虑沿横向起拱或沿纵向折叠的结构形式,而如果把这弧拱、折叠有机结合,并融入稳定的三角形元素,便形成了该形体的初步结构方案。经过不断优化,最终由“棕榈叶”的叶茎演变成顶棚的雏形,通过弧拱、折叠、交叉拼合形成完整的具有良好“形效”的空间结构主骨架,再敷张拉膜作为顶棚围护体系。顶棚的支承体系一侧采用圆拱柱,一侧采用摇摆柱+支墩。在满足建筑整体轻盈感的要求下,结合场地特点,设置桅杆和拉索形成“自平衡”结构体系,如图3所示。

3异形空间网格钢结构设计

顶棚方案来自于“棕榈叶”骨架的交叉拼合,在探讨这一建筑外表骨架与结构受力骨架之间的逻辑关系时,考虑了仅主叶骨受力,主叶骨与少量次叶骨受力,主、次叶骨全部受力等3种方案,方案中未参与受力的次叶骨则考虑采用小直径圆铝管,以减轻自重。通过分析对比,发现若仅考虑外围主叶骨参与受力,则其管径很大,既不美观也不合理;若考虑主叶骨与少量次叶骨受力,则管径仍偏大,且次叶骨大小不一显得凌乱,还是不理想;而所有主次叶骨受力,则可形成良好的空间整体,充分发挥所有杆件的贡献,结构与建筑效果均最佳。

经上述对比,顶棚结构择优选定全部叶骨共同参与受力的方案,形成异形曲折拱面的单层网格空间结构[1]。主管为φ402×10~16,次管为φ245×8~12、φ325×12,主、次管之间采用刚接。边跨最大悬挑部分为7.5m,其主管靠端部1/3跨度处设拉索,同时在主管跨中区段灌注自密实混凝土,形成配重以抵抗边跨悬挑端的负风压,如图4。

4预应力拉索的设计

出于球场的功能需要,在空间跨度和净空高度上都对顶棚钢结构提出了较高的要求。为了改善顶棚受力、实现其大跨度,在1/3跨度处对主管设置斜拉索(前索),上端与桅杆顶连接;桅杆顶背再设平衡索(背索),下端与支墩顶支座连接;桅杆、顶棚骨架和拉索共同形成一个“自平衡”体系[2]。以尽量提高对主管跨中弯矩的改善程度为目标,通过大量的试算对比,并综合考虑建筑美观、桅杆稳定等因素,确定前索的布置方式。

索体采用锌-5%铝-混合稀土合金镀层钢丝束[3],直径φ20、φ40。电算分析时,背索作为“主动索”、前索作为“被动索”,对背索施加预应力[4]。在全面考虑了温差效应等各工况组合后,确保10年一遇的负风压下每根桅杆均有3根不共面的拉索不出现松弛,以确保拉索与桅杆形成稳定体系。

5桅杆和摇摆柱的关系

方案初期我们停留在二维平面角度看待该处结构的几何构造,认为若桅杆立在摇摆柱之上,其结构立面就是一个几何可变体系,是“机构”,不稳定、不成立。因此,当时认为桅杆与摇摆柱应相互独立,分别与大地相连,这样的结构才稳定。

为了优化该处效果,我们深入研究了这部分子结构,从三维空间的角度来看待,经过拆分结构帮助理解,下半部是由摇摆柱与背部的2根主管组成,这几根不共面的杆件一端与大地相连、另一端交于一点,故构成了一个空间静定的三棱锥;而上半部则是由1根桅杆与若干根不共面的拉索组成稳定的空间结构。把上下两部分组合起来也就形成了稳定的结构,又或者可以理解为桅杆下端立在三棱锥顶部与立在大地上是等效的。于是我们就敢于把桅杆立在摇摆柱顶部、仅摇摆柱底端与大地相连。优化前后的效果对比如图5a。

桅杆为三管格构式梭型柱,钢管为φ 273×8,摇摆柱为单根圆管φ 530×14,桅杆及摇摆柱均采用铰接节点,施工完成的现场实景如图5b。

6圆拱柱的设计

建筑师对面向公园一侧的支撑体系的外观效果要求很高,故结构与建筑设计人员共同对该侧支撑柱方案进行了探讨与比选(如图6),认为:竖直柱偏于密集、呆板,且侧向稳定不足;W柱欠美观、与建筑风格不匹配、也不利于球场内外的联通;而圆拱柱相互交叠,有韵律的弧拱起伏外形,暗合了顶棚的拱面形态,且开阔的圆拱形成了视线透出窗口,也强化了球场内外的互通,同时纵向交叠的圆拱柱序列,在结构上也形成了良好的纵向抗侧力体系,因此最终选定了圆拱柱方案,如图7。

7在建挡土结构的巧妙利用

本项目背靠斜坡的一侧,原结构方案设置了6个支墩用于竖向承重和作为背索锚固端,并提供纵横向的抗侧刚度。但在场地东北侧有一正在施工的挡土结构,占据了原方案中3个支墩的空间。面对该“障碍物”,我们考虑了各种避让的可能性但均不成立,原建筑方案面临推翻重来的危机。在困境中我们大胆提出把在建的挡土结构利用起来,将原支墩融入到挡土结构框架中的设想,经与原设计单位等多方反复协商探讨获得通过。

我们先对建筑总平面定位进行微调,使被阻碍的每个支墩正好位于原挡土结构相邻两榀框架之间的中点处,且背部对准一根原挡土排桩,然后将支墩拆解、变形,化成一榀与原挡土结构有机结合的新增框架;该新框架由新增的基础、立柱、系梁、斜撑、主梁以及对应的原有挡土桩组成。为了论证这一做法的可行性与合理性,一方面对主体结构与挡土结构进行分离计算,其中对挡土结构分别分析了与新增框架结合前后的情况,并作相关对比;另一方面将主体结构与挡土结构的电算模型拼装后作整体计算,并以分析结果对主体结构与挡土结构作复核。

通过上述分析对比可知:(1)经结合改造后的挡土结构可作为主体结构的支座;(2)挡土结构具有一定的纵向尺度与刚度,为主体结构提供了更为可靠的纵向抗侧力支撑;(3)新增框架及其所承受的支座反力,并未对原挡土结构产生力学上的负面影响(部分杆件的内力反而有所下降)。新增框架及与原挡土结构结合部位施工完成效果如图8所示。

8特殊节点

8.1圆拱柱弧管十字交叉节点

圆拱柱序列中,相邻两圆拱交叠处,交汇点的弧管之间采用十字钢板连接,该板将弧管分成4部分,节点处的弧管不贯穿,均通过十字钢板等强连接[6]。对于两端边跨悬挑拱柱的弧管,考虑到悬挑跨度达7.5m,为进一步提高其受力可靠度,对该处弧管根部增设一道扇形加强板,如图9a。

8.2主管根部交汇节点

本结构存在5处7管相交的特殊节点,这些主管均不共面,属空间交汇,且大部分夹角很小。这将导致节点部位的实际受力非常复杂,且造成较多的隐蔽焊缝。经深入了解该类节点相交各主管的受力状况及支承关系、查核节点附近各杆件内力后,提前截断了受力较小的两根主管,这两根主管在被截断处通过增强的次管与相邻主管连接,这样的处理大大简化了节点主管空间交汇的情况(如图9b),电算结果表明,提前截断两主管后,对主体结构的受力及变形均影响很小,相关节点附近杆件内力有所变化,但均满足强度要求。

8.3摇摆柱顶-桅杆底连接节点

摇摆柱顶、桅杆底、主骨架主管根部交汇于一点,该处是本项目最为复杂的节点,既要确保各主管在此交汇处能实现等强固接,又要成全摇摆柱顶、桅杆底的铰接需求。针对该节点特殊的交汇关系与连接需求,我们创造了这么一副连接板,由两片梭形板中间夹一片凹边六边形板组成,梭形板下连摇摆柱顶销轴、上连桅杆底销轴、中部嵌入主管交汇连接中心;凹边六边形板主要作为填板传力,凹边设计可避免对上下销轴转动造成阻碍,如图9c。为防止销轴发生脆性破环,控制其处于低应力状态,故该节点上下两销轴连接板均采用三夹二的方式。

8.4桅杆顶节点

桅杆顶节点是将钢骨架、前索、桅杆、背索和支座连接为一体的“枢纽”,是主体结构形成一个“自平衡”体系的支撑点。设计上针对背索拉力远大于前索的特点,采用了“亚”字形的节点断面,上、中、下各设一道水平环板,再沿径向布置拉索连接板,如图9d[7]。该构造既增强了节点整体性,又兼顾适应了背索连接板与前索连接板的不同需求,而且由中心钢管与背索板支撑着的底部厚板可与桅杆顶部形成可靠连接。

9结构分析与优化

主体结构采用3D3S11.0进行整体建模分析,考虑恒活荷载、风荷载、温度作用、地震作用的同时,也考虑膜的预拉力。分析过程中特别关注基本周期,主管次管的内力(主要是弯矩、剪力),圆拱柱的内力(弯矩、轴力),拉索的拉力(以及是否松弛),钢骨架的跨中竖向变形(向下、向上)等。另外,还进行了空间结构的整体稳定性分析,以恒+活基本组合作为变量,经弹性屈曲分析所得的整体稳定系数约为7.16(一阶,拱柱屈曲)、7.65(二阶,桅杆屈曲),可见结构整体稳定性满足相关要求[1,8]。

本项目属省运会财政拨款项目,专款专用,故其造价控制非常严格,总造价限额仅为800万元(含全部单项)。为节省造价、降低用钢量,设计中特别关注各种结构要素的影响,比如拉索角度与数量、前索背索拉力值、次管间距、配重混凝土布置、圆拱柱与主管的支承关系等。通过不断优化与调整,主体钢构的用钢量约为76kg/m2,取得了较好的经济效益。

10设计小结

10.1建筑、结构方案创作过程有机结合、相互渗透。原建筑方案有着“仿生”形体的先天优势,再经合理解构与适当优化,得到具有良好“形效”的空间结构。

10.2顶棚采用空间网格钢结构,主叶骨与所有次叶骨均参与受力,形成很好的空间整体,充分发挥所有杆件的贡献,没有一根多余的杆件;另外,在边榀主钢管内局部灌注混凝土,形成配重抵消部分负风压。

10.3通过正确理解结构的空间几何构造,大胆地将桅杆立于摇摆柱之上并铰接连接,简化了结构构成,改善了建筑外观效果。

10.4特殊的建筑形态造成了特殊的杆件交汇关系,结构上有针对性地设计了多种特殊而合理的节点。