上海高行商业中心中庭膜结构工程总建筑面积2 232 m2, 方案为不规则椭圆体球壳。本工程下部为商业街, 商业街形状从平面上看像花生米外壳形状, 宽度方面由两个直径分别是13.5 m至32.3 m的圆, 通过外切形成不规则的形状和高度方面为最高高度是12 m的壳体。从立面上看本工程像花生米外壳的一个壳体 (图1) 。

本工程的地形复杂, 膜结构是处于两个中间有变形缝的独立建筑屋顶上的以钢结构为支撑的网壳膜结构体系。由于基础的布置比较复杂, 根据现场的条件, 运用全站仪对每个柱子进行实地测量, 再根据测量数据进行建立模型确保结构模型的准确。

在变形缝的两边都有半个柱子, 这样要求设计一个滑动支座来支撑上部钢柱。由于上部钢结构是一体的, 而下部的建筑物是由两个建筑物构成的, 故在建筑物一侧的柱子必须有滑动位移, 就要求设计滑动支座。这样就准确描绘出复杂现场的所有边界, 为下一步的设计工作提供了可靠的依据。

对不规则的基础形成复杂边界, 明确设计思路是至关重要的, 否则设计完成的效果会变的杂乱无章, 失去设计的规律性, 难以保证膜结构的美观。我们通过对结构的反复多次调整, 最终确定了2个指导性的原则:

(1) 对于拱形单层网壳, 按照基础的轴线、结构美观的要求和经验, 确定了单层网壳的外周边界, 再根据单层网壳的外周边界的跨度确定拱形的高度。在确定网格时, 首先, 根据设计的想法, 在投影面上设计一个等边的三角形网格, 然后, 再根据网格的交点与空间的曲面的对应关系来确定拱形单层网壳的节点空间位置, 最后, 通过把各个节点连接在一起形成拱形单层网壳。

关于节点的处理, 根据工程特性, 设计了通过球节点的设计使得钢管与钢管之间的相贯线简化。这样就保证了设计简化, 同时视觉上也变得统一美观。

(2) 对于复杂环形三角桁架, 根据单层网壳上部受力的传递方形、结构变形的协调性和钢构件受力的特性, 在设计时, 我设计一个环形三角桁架把上述的特性全融合进来。这个环形三角桁架起到承上启下的作用。由于环形三角桁架的宽度在5 m左右高度在1.5 m, 所以刚度非常大, 就使得上部结构所承受的外力传递到这个环形三角桁架对构件产生的变形非常小。

通过环形三角桁架转化到钢柱基础的平面内的位移也非常小, 就使得钢柱和混凝土基础的连接比较容易, 确保滑动支座的滑移位移非常小。通过环形三角桁架的百富策略白菜网, 使得本工程的钢柱、钢结构构件与混凝土基础有个很好的融合。

本工程复杂环形三角桁架是由弧形弦杆与直线腹杆组合而成, 而且弯管与弯管的相贯焊缝也很多, 所以钢结构的安装定位十分困难。本工程拱形单层网壳, 为了解决在交汇点处构件的相关线问题, 采用在交汇点设置空心钢球和钢球之间用直管的简化模型, 但每个空间空心钢球的坐标点是不同的, 钢结构的安装定位非常困难。

为解决上述问题, 采用了精确勘测控制和精确加工相结合的方式解决。精确勘测控制的方法:首先确定最下端部的钢柱底部中心作为 (0, 0, 0) 控制点, 在图纸上标记处, 每个钢构连接点的精确三维坐标。在工地现场使用两台全站仪进行施工坐标控制, 每连接一个点都由勘测人员进行指挥到位。精确加工的方法:通过自行开发的相贯线展开程序, 精确加工每个连接的相贯交点的相贯线, 使得二次钢构连接于主钢管时一步到位, 对精确定位提供了便利条件。我们共进行1:1打印相贯线展开线的图纸1 000多张, 通过精确加工同时配合精确的全站仪定位, 完美解决了复杂工程的精准施工问题, 为此后的膜体施工提供了有利保证, 误差控制在2mm以内。

本工程采用PTFE膜材。由于膜材的面积较大, 需要把其分成若干块膜片单元进行施工, 所以膜分割处要用压条形式;由于本工程业主要求有组织排水, 所以要求拱形单层网壳与复杂环形三角桁架相结合膜结构的节点断面采用天沟排水。由于膜结构所覆盖的面积比较大, 降雨时所汇集的雨水比较多, 因此, 此天沟截面尺寸规格也比较大。使用天沟和铝合金Fanstener相结合的调节节点, 能解决钢结构的排水问题以及复杂边界条件引起的制作和安装误差消除掉的问题。关于PTFE单层膜的连接节点的设计要求如下。

(1) 在拱形单层网壳上的膜结构节点分为两种:一种是通过钢棒或衬钢管把膜材支撑在钢构上 (图2、3) ;另一种是通过压膜底板把两块膜片分割开并通过铝压条把其固定在一起 (图4, 5) , 这样就可以把膜材与钢结构固定在一起。

(2) 在拱形单层网壳与复杂环形三角桁架相结合膜结构处, 通过天沟和铝合金Fanstener的百富策略白菜网, 使得上部拱形单层网壳的膜材与下部复杂环形三角桁架的钢结构有效的连接在一起, 并且不会存在边际天沟处的漏水问题 (图6, 7) 。

首先, 在膜结构施工时, 为了避免发生大跨度结构的挠度变形对结构的不利影响, 要求结构底起拱。加工构件时, 必须考虑起拱的变形长度来实现安装完成后的结构与模型相一致, 达到设计要求。其次, 在安排安装顺序时, 要先把复杂环形三角桁架安装到位后, 才能进行拱形单层网壳的安装。在此过程中我们也总结出一套百富策略白菜网于复杂边界工程的实用方法, 通过精确的勘测、总体设计、节点设计、加工控制、施工控制等诸多方面相结合的方式才能达到最好的效果。