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【 第一幕墻網(wǎng) 】
【摘要】中國航海博物館中央帆體結構為新型雜交結構，其最大亮點是位于東西帆體之間的雙曲面單層索網(wǎng)幕墻．作為世界上首例支承在彈性邊界上的雙曲面單層索網(wǎng)玻璃幕墻，其設計與施工無先例可循，存在極大的技術風險。圍繞雙曲面單層索網(wǎng)玻璃幕墻的設計與施工，本文系統(tǒng)介紹了結構初始形態(tài)的確定、使用狀態(tài)下的結構安全度分析、風洞試驗研究、關鍵節(jié)點構造研究、張拉成型過程模擬、施工關鍵步驟等一系列問題，對同類結構的設計與施工具有借鑒價值。 臨港新城冬冷夏熱，四季分明，冬夏主導風向分別為西北和東南對吹。中國航海博物館位于臨港新城中心區(qū)。建筑總面積約46434m2，主體采用鋼筋混凝土框架結構，天象館采用單層網(wǎng)殼結構，中央帆體為鋼網(wǎng)格結構與鋼索張拉結構，坐落在+12m標高的平臺上。 1. 設計構思及建筑要求 中國航海博物館以其富于表現(xiàn)的屋面形式而獨具特色。兩個對置的輕質屋面殼體在廣義上表現(xiàn)了海洋這一主題，使人聯(lián)想起航海的風帆，構成了整個博物館建筑的重要而富有個性的標志(圖1)。在此屋頂下大廳空間可展示大型古代船舶，對其進行歷史文化的鑒賞并向公眾開放。博物館簡潔平實的外觀與船帆殼體的富有表現(xiàn)力的結構相呼應。獨特的形象突出了臨港新城與航海事業(yè)的密切關系，強調了其在全球航海貿易中的杰出作用。從象征意義上講，博物館表現(xiàn)了一個巨大的船舶停泊在城市的這個顯著的位置上。水中部分表現(xiàn)海洋和陸地的聯(lián)系。而附近的水體則突出了展覽的海洋特性，建筑內外的各種展品在這種自然環(huán)境中變得更加生動和美妙。兩個相互交錯對峙的“風帆”懸浮般地立于建筑裙樓之上。裙樓中設置博物館的各種功能。大型臺階吸引人們前往逗留并建立了與開放景觀空間的直接聯(lián)系。通過寬大露天臺階自由進入裙樓的形式設計要素在兩側建筑中亦體現(xiàn)出來。兩個設計造型上相似的建筑在一條假想的軸線上相對而立，框合了具有海洋型遙望可見的輕質屋面的航海博物館。  2. 結構設計 博物館中央帆體猶如兩張僅在一點上相互接觸的彎曲的風帆。這兩張風帆有3個獨立的呈三角形的端點。大型的透明的弧形立面玻璃幕墻將建在兩張風帆之間。該結構總高度約為58m(至風帆頂端)。每個三角形風帆的底部兩支點間間距約70m。兩張風帆的交叉點也就是立面最高點約離地40m�；⌒瘟⒚娌Ａ粔Ω魈帉挾炔坏�，但最寬不超過24m。最高處為6.7m的斜立面玻璃幕墻位于建筑的邊緣。中央帆體結構體系可分為主、從結構體系，主結構體系包括：邊緣箱梁和三鉸拱(圖2)；從結構體系包括側幕墻立柱､屋面兩向正交月牙形桁架體系和單層索網(wǎng)體系(圖3)  結構設計存在下列難題： (1) 建筑造型獨特，帆體為不可解析的曲面，對計算模型的建立帶來困難； (2) 結構體量龐大，兩片鋼結構帆體僅通過離地52m高處的鉸接點相連，底部通過四個支座將荷載傳遞到下部混凝土結構，所以五個節(jié)點的設計是項目安全的關鍵； (3) 建筑處于海邊，風荷載大，且結構為風敏感結構，合理確定風荷載在建筑表面的分布及風振系數(shù)是結構設計的關鍵因素； (4) 支承在造型奇特鋼結構殼體上的單層索網(wǎng)玻璃幕墻，據(jù)查是世界首例，無規(guī)范可依，設計與施工有世界性的難度； (5) 單層索網(wǎng)剛度與帆體鋼結構剛度相互影響，必須合理設計單層索網(wǎng)的預應力形態(tài)，滿足建筑形態(tài)、結構安全的雙重要求； (6) 鋼結構的吊裝施工、索網(wǎng)張拉過程必須控制，保證施工終態(tài)滿足設計要求。 2.1 有限元計算模型 博物館中央帆體結構為雜交結構體系，既包含傳統(tǒng)意義上的剛性結構，還包括依靠形態(tài)、預應力提供結構剛度的柔性結構，并且兩者互相影響。因此，有限元計算模型必須是整體模型，必須體現(xiàn)剛性、柔性結構的協(xié)同工作機理(鋼結構為索網(wǎng)結構提供了彈性支承邊界，索網(wǎng)結構的預張力將兩片鋼結構帆體緊密聯(lián)系在一起，對整體受力有利)。 計算模型共包括4種計算單元：分別是梁單元、桿單元､索單元和殼單元。單層索網(wǎng)結構連接兩個帆體，分為縱向錨地索和橫向穩(wěn)定索。對兩個方向施加不同的預張力，在空間組成雙曲扭面。在進行外荷載作用下的結構計算前，單層索網(wǎng)結構在指定預張力作用下進行了有限元找形分析。找形前后的形態(tài)比較如圖4所示。   結構的支座分為三種類型，一為邊緣箱梁和三鉸拱支座；二為結構側面玻璃幕墻立柱支座；三為正面索網(wǎng)幕墻豎向索錨地點，均為三向鉸接支座。兩片帆體在三鉸拱中點相連，該節(jié)點為三向鉸接節(jié)點。 2.2 風荷載 風荷載是控制航海博物館結構設計的主要荷載之一。在同濟大學大氣邊界層風洞中進行了剛性模型測壓試驗。建筑模型的幾何縮尺比約為1/150。實驗風向角間隔為15°，即模擬24個風向。根據(jù)建筑物表面脈動壓力的實驗結果，利用數(shù)值模擬方法，計算結構風振動力響應，計算結構的等效靜力風荷載(類似于我國規(guī)范中的風振系數(shù))。為便于研究風洞試驗結果，比較各風向角對結構影響程度，統(tǒng)計各風向角下，東、西帆體和南、北索網(wǎng)上風荷載引起的總剪力如圖5所示(+為指向曲面、-為背離曲面，圖中縱坐標為風向角)。針對設計關心的幾個指標，得出基于該指標的等效風荷載，如表1所示。   2.3 結構形態(tài)設計 本工程的核心設計是索網(wǎng)形態(tài)設計。索網(wǎng)結構自身剛度是由其形態(tài)決定的，而其中的最重要部分就是初始形態(tài)設計。初始剛度設計必須滿足四個條件： (1) 根據(jù)建筑功能、建筑形狀、荷載情況、結構支承條件以及對結構受力性能的估計等因素來綜合考慮結構形式，即索網(wǎng)布置； (2) 索網(wǎng)結構在荷載態(tài)下必須滿足單索破斷力、不松弛的要求； (3) 通過合理的剛度設計，保證正交索網(wǎng)四點基本共面； (4) 在滿足前兩條要求前提下，索網(wǎng)剛度設計還必須考慮不給作為其支承邊界的鋼結構殼體受力帶來過大的負擔；本工程最大的特點就是單層索網(wǎng)固定在彈性邊界上，其使用狀態(tài)下的受力和施工過程勢必受到彈性邊界的影響。采用協(xié)同分析方法開展索網(wǎng)形態(tài)分析，原理見圖6。   2.3.1 協(xié)同找形后索網(wǎng)變形 圖7為索力作用下的結構變形情況，結構最大變形位于帆體上端，最大值為0.153m；索網(wǎng)上的最大變形0.146m，索網(wǎng)形態(tài)更穩(wěn)定合理；結構的整體變形對稱。  2.3.2 協(xié)同找形后索網(wǎng)索力分布 圖8為協(xié)同找形后索網(wǎng)張力分布，橫向索65.82kN~89.667kN，靠邊箱梁端小，靠三鉸拱端大，逐漸減小，張力力較均勻、變化較小.縱向索153.174kN~164.554kN，整根縱索的張力均勻。 2.3.3 網(wǎng)格翹曲度分析 中部基本小于15mm，頂部第一排30mm以上，頂部第2~5排為20mm，地部靠邊箱梁角區(qū)域比較大，為30mm~60mm�？偩W(wǎng)格數(shù)量為1046塊，小于18mm的有884塊、且總體翹曲小，占總數(shù)的84.5%，大于50mm的有7塊，占總數(shù)的0.67%。 2.4 張拉施工模擬 2.4.1 張拉施工模擬的必要性 從理論上說，如果索網(wǎng)的終態(tài)找形目標(即張拉施工完成時的索網(wǎng)形狀和預應力狀態(tài))確定，完全可以根據(jù)索網(wǎng)的形狀和預應力狀態(tài)反演索網(wǎng)的零應力下料長度，在施工中可以通過標定索零應力長度的方法進行張拉施工。在張拉各索的時候直接把索張拉至標定的索零應力長度位置固定即可，而且理論上可以一次張拉成功，即所謂定長張拉。但實際上，這種通過控制索的零應力長度的張拉方法受到結構加工精度､索下料長度準確性等多方面因素的影響，容易產(chǎn)生較大的誤差，因此在施工中往往通過控制索張拉力和位移進行施工張拉。 由于施工條件和設備的限制，施工中不可能所有的索同時張拉，一般采用分批分步的張拉方法。由于后批索的張拉會影響前批張拉索的索力，每批索均按終態(tài)找形目標的索力進行張拉并不合適，為了最終達到終態(tài)找形目標的張拉力分布需要反復調整。因此有必要對施工過程進行數(shù)值模擬，考慮各批索張拉的相互影響，精確控制整個張拉過程中各索的索張力，從而減少調整的次數(shù)，提高施工過程可控性及施工精度。 2.4.2 張拉方案 首先在帆體鋼結構卸載完成后進行掛索，橫向索均按照原長掛在鋼結構兩端，縱索僅上端掛在鋼結構上，下端自由。掛索完成之后，按照鋼索的無應力長度將橫向索和縱索用索夾連接，進行下面的施工模擬分析。本文的施工模擬計算考慮到施工張拉的實際過程，以縱索為張拉對象，施工模擬采用索長控制的方法�？v索索長變化按照總長度的80%、50%、20%、0%四個階段進行控制，每個階段分成兩次張拉，先張拉兩邊縱索，后張拉中間縱索(如圖9)。  2.4.3 施工控制方法 整個索網(wǎng)的張拉是在鋼結構卸載之后進行的，首先是掛索和安裝索夾，接著按張拉順序和張拉方案進行索網(wǎng)的整體張拉。整個施工模擬過程分成4個階段。 張拉階段A：帆體鋼結構卸載。中間索網(wǎng)處于最終的張拉結束狀態(tài)，在這一步計算過程當中索網(wǎng)節(jié)點被約束，僅邊界區(qū)域索長發(fā)生變化，此索網(wǎng)形態(tài)作為掛索計算初始狀態(tài)。 張拉階段B：索網(wǎng)掛索(單獨掛索)。掛索時縱索下端自由，另外兩邊固定，索網(wǎng)邊界固定節(jié)點是上一步鋼結構卸載之后的節(jié)點坐標。掛索計算初始狀態(tài)是鋼索的無應力狀態(tài)，初始長度為鋼索的無應力長度(該長度通過索網(wǎng)最終狀態(tài)的索長和內力計算得到)。將此索網(wǎng)數(shù)據(jù)(僅形態(tài)坐標和連接拓撲、無張力)導出，但此時當前索長為平衡態(tài)張力下長度，可由彈性模量反求出各索無應力長度(下料長度、初始長度)。根據(jù)機構混合分析理論，分析在自重(將索段、索節(jié)點均轉化為節(jié)點集中荷載施加于節(jié)點)作用下、保持索無應力長度不變，計算其平衡態(tài)，此結果為單獨掛索態(tài)。該步驟實現(xiàn)了節(jié)點自重作用下索網(wǎng)初始無內力時的索網(wǎng)平衡狀態(tài)。 張拉階段C：索網(wǎng)掛索(協(xié)同掛索)。張拉階段B實現(xiàn)了掛索機構的轉換，但掛索產(chǎn)生的索張力對鋼結構有影響，即掛索的協(xié)同工作未考慮。因此，將單獨掛索結束時索網(wǎng)節(jié)點坐標和索內張力帶入初始幾何狀態(tài)的鋼結構當中，約束內部索網(wǎng)節(jié)點，重新進行鋼結構的卸載分析，然后去掉約束，得到索網(wǎng)掛索(協(xié)同掛索)之后整體結構的初始張拉狀態(tài)，該狀態(tài)作為索網(wǎng)張拉施工模擬的初始狀態(tài)。索網(wǎng)變形見圖10所示。  張拉階段D：施工模擬。在整體結構掛索結束計算基礎上，按照張拉順序和張拉方案進行索網(wǎng)的分段､分批施工模擬分析。 如圖11所示，橫向索上端短索內力較大，已經(jīng)達到橫向索最終張拉結束狀態(tài)內力；橫向索從上到下內力逐漸減小，下端最小有9kN�？v索下端自由，所以縱索內力較小，上端較大為28.8kN，下端逐漸減小為0。  張拉縱索50%時，縱索內力增大，橫向索內力下端逐漸增大，最大達到106kN，上端基本保持不變，索網(wǎng)整體內力提高(圖12、圖13)。張拉縱索100%時，豎向在161kN~188kN之間，達到了索力張拉最終要求。橫向索內力基本保持在60kN~90kN之間(圖14、圖15)，也達到橫向索的最終張拉要求。   2.4.4 小結 (1) 經(jīng)過施工模擬分析，可以在施工過程中采用位移和力同時控制的方法，實現(xiàn)索網(wǎng)的整體張拉； (2) 整個計算過程中沒有出現(xiàn)索退出工作的現(xiàn)象，并且最終的索力已經(jīng)達到索網(wǎng)設計要求，所以豎索張拉方案可行； (3) 經(jīng)過掛索分析之后，索網(wǎng)位移在鋼結構卸載之后較小，可以認為這個狀態(tài)即為索網(wǎng)張拉的初始狀態(tài)，這樣的分析也比較符合實際情況，能夠比較真實地反應索網(wǎng)掛索之后內力和曲面狀況。 3. 現(xiàn)場施工 本工程的施工由多家施工分包參與其中，而具體的施工分項又分為：混凝土分項、帆體鋼結構分項､索網(wǎng)幕墻分項､屋面分項，頭緒眾多，對現(xiàn)場的管理造成很大的困難。概括說來，本工程施工具有以下難點： (1) 中央帆體結構座落在+12m標高的鋼筋混凝土結構上，兩部分間的過渡區(qū)域必須提供安全、可靠的剛度，以保證作用于帆體上的荷載順利傳遞至基礎； (2) 體量巨大的帆體結構兩部分主要通過五個鉸接節(jié)點相連，并通過張拉后的單層索網(wǎng)連成整體。因此五個鉸接節(jié)點是結構成敗的關鍵，受力巨大并且復雜，如何在滿足安全度及轉動構造要求的同時滿足建筑美觀的要求是個難題； (3) 南北向布置的單層索網(wǎng)結構體系為玻璃幕墻的柔性支承結構，必須施加足夠的預張力以保證其變形符合相關規(guī)范。索網(wǎng)的預張力和殼體剛度是密不可分的，互相影響，必須整體建模分析｡ (4) 現(xiàn)場施工對玻璃的安裝精度､最終的建筑形態(tài)影響非常大。索網(wǎng)的張拉過程和周邊支承結構的受力是互相關聯(lián)的，必須進行結構施工過程分析，確定不同步驟索內張力大小、分布和支承結構的內力，并形成剛度，為下一步荷載步驟提供初始條件。在分級､分批張拉索的同時考慮玻璃安裝順序，從而較精確地確定玻璃安裝過程中結構的變形形態(tài)，為現(xiàn)場施工提供控制指標，使現(xiàn)場施工是可控的。根據(jù)以上特點，從設計角度出發(fā)，認為本工程的施工應滿足以下原則：精心施工，動態(tài)控制，分階段驗收，確保各道工序順利銜接，把施工總風險通過層層把關、層層控制予以消除。經(jīng)過施工專題技術研究和施工準備。整個安裝分為三個階段。第一階段先安裝至C節(jié)點合攏，實現(xiàn)鋼結構初步穩(wěn)定。第二階段進行帆體懸挑部分的安裝，完成整個帆體鋼結構施工及最終的整體卸載。第三階段進行索網(wǎng)部分張拉施工。由于前期精心準備，施工中嚴格按施工組織設計施工，工程質量通過業(yè)主、監(jiān)理組織的驗收，一次驗收合格。 4. 結論 通過對中國航海博物館項目設計過程的總結，對結構關鍵技術進行了提煉，并揭示了設計與研究的互相促進、互相依存的內在聯(lián)系。復雜空間結構項目設計的固有特點決定了對結構工程師的高標準的要求，不僅要求他必須象建筑師一樣思考(結構、節(jié)點就是建筑美)，更要求他具有決策、協(xié)調、整合資源、營銷設計思想的能力。希望本文能為同行提供借鑒，共同促進結構設計的繁榮，提升結構工程師對復雜項目設計的掌控力｡ 文/周曉峰 |
