【玩转世园会】惊艳！藏在梯田下的中国馆该如何建造？
来源：新华网，内容供稿：中国建筑设计研究院，建筑结构综合整理
2019北京世园会于4月28日晚隆重开幕。这是继昆明世园会、上海世博会和首届中国国际进口博览会之后，我国举办的级别最高、规模最大的国际性博览会，展期从4月29日至10月7日。
北京世园会依托山水林田肌理，近百余个风格迥然、形态各异的“园中园”汇聚成一片万花盛放的大花园。置身繁花似锦的田园中，可漫步欣赏到世园会核心建筑景观“四馆一心”：“如意”中国馆、“花伞”国际馆、感悟自然的植物馆、令人重拾乡间趣味的生活体验馆，以及蹁跹如蝶的演艺中心。周边还设计了众多园艺相关的体验、互动等。
五一小长假，建筑结构特别推出【结构工程师眼中的世园会】系列报道，展示具备中国之美和中国智慧的各大展馆的结构设计要点，接下来跟小编一起，领略展馆的设计之美吧。
海陀山下，妫水河畔，从天空俯瞰，一座外形为半环形的恢弘建筑，如一柄温润的如意舒展于青山绿水、梯田花卉间。走进北京世园会园区，首先映入眼帘的便是这座标志性建筑——中国馆。
4月19日无人机拍摄的中国馆
新华社记者鞠焕宗 摄
前言
中国馆取名“锦绣如意”，宛若一柄代表中国文化的如意坐落于山水田园之中。它又似中国传统的大屋顶坐落于层层梯田之上。
飘逸的屋面造型为屋盖结构选型带来了巨大的挑战，屋盖下方的层层梯田则对主体结构和地基土产生巨大的压力。
入口南广场的下沉水院取意“四水归堂”要求摒弃常规的钢筋混凝土或钢结构的厚重感，必须采用创新的结构形式。北侧地下一层敞开的出口直面妫汭湖，建筑采用弧形钢筋混凝土大拱，将整个妫汭湖一览无余的纳入视野之中，同时与二层树形柱及钢结构屋盖形成呼应。
中国馆结构设计过程中，始终以建筑表达为基本出发点，从建筑表达中提取最合理的结构体系，用结构刚强和柔美表达建筑意境。融结构于建筑之内，表建筑于结构之中。
钢结构屋盖
中国馆建筑构思是从古人穴居生活开始，采用抽象的方法结合北京的长城、古都和山野特点演化出基本造型。
中国馆钢结构屋盖从“如意”演化而来，屋盖平面呈210度弧形布置，采用富有变化的标高关系和曲面流线体现层次感。屋面最高点位于中部，从最高点向两侧起伏变化。
▲ 屋面体系演化逻辑
结构方案首先想到的是刚性的三角桁架体系，随着设计的深入，建筑希望室内结构能与飘逸轻盈建筑屋面相互呼应。经过多次配合后最终选择了铰接鱼腹桁架的受力形式为基本受力单元。
▲ 刚性钢桁架方案
▲ 铰接鱼腹桁架方案
将基本受力单元旋转210度即形成基本的整体结构体系，下图为三维俯视图。整体结构受力体系确定后面临两个关键问题：整体稳定和局部稳定。
通过与建筑专业协商，在不影响建筑效果区域增加屋面水平支撑解决结构整体稳定性。鱼腹桁架单榀受力结构，由于上弦杆件平直，下弦杆件存在面外稳定问题，通过与建筑协商，在下弦杆件对应腹杆位置设置侧向支撑，确保下弦杆件的面外局部稳定。
▲ 屋盖结构体系
混凝土主体
中国馆下部主体结构采用钢筋混凝土框架剪力墙体系。
地下一层柱距在8m~15m，首层因建筑大空间需要，抽调部分柱后，柱距在15m~30m之间。尤其在首层南北入口的中心区域形成一个60m*35m左右的扇形大空间，在整个扇形范围内仅依靠中心位置的两组钢筋混凝土电梯筒和从筒上伸出的型钢混凝土斜撑作为支撑。
▲ 树形柱区域效果图
上部钢结构屋盖通过钢筋混凝土短柱直接落于二层的钢筋混凝土弧形梁之上，钢筋混凝土弧形梁跨度8m~15m不等。为提高钢筋混凝土弧形梁的强度，在跨度较大的弧形梁内设置型钢。对于跨度30m的钢筋混凝土梁均设置型钢以提高其承载力强度。
应展陈设计要求，混凝土主体结构部分的活荷载取值要求不小于10kN/m2，属于重荷载楼面。重荷载叠加大跨度使得较多个混凝土构件中需要设置型钢增强承载力。
水院广场
入口南广场处的水院是外径25m、内径13m的开敞式水院屋面。屋面从周圈向内侧自然成坡，周围流水经屋面汇聚于中部落入地下一层的景观水池之内。
水院屋面采用瓦屋面，建筑希望从地下一层向上眺望时可以直接看到瓦屋面及从内径13m中空区域留下的水帘。因此常见的钢筋混凝土主次梁结构体系因为截面较大而首先被排除。
由于悬挑尺寸较大，开始阶段曾考虑过采用悬挑钢梁或悬挑桁架，但试算后的结构布置和截面尺寸并不能满足建筑需求。最终参考大跨度体育场馆建筑中的索结构体系，最终选择了内凹式轮辐式索桁架体系。
轮辐式索桁架体系在具有圆形边界条件的屋面结构中，更能充分发挥其受力的特点。经计算，本工程中下凹的承重索垂度为1300mm，上凸的稳定索失高为700mm，结构整体高度2000mm。沿圆形边界均匀布置24组承重索和稳定索，每组承重索和稳定索之间设两道刚性撑杆。承重索一端与内侧受拉环索相连，另一端与埋置于钢筋混凝土墙体中的受压钢压环。
承重索和稳定索全部采用单索，索直径分别为40mm和30mm，内环受拉索采用双索，单根内环索直径60mm。受压外环采用400mm箱型钢环梁。
▲ 水院效果图
▲ 屋盖索桁架照片
▲ 现场照片
混凝土大拱
地下一层北侧入口与妫汭湖相连，建筑希望此处能有一个开阔的出口视野。建筑方案经过范围推敲与必选，最终确定结构体系为钢筋混凝土大拱。大拱跨度50m，拱高6.5m，面外偏移距离4.5m。由此看见，该钢筋混凝土大拱平面为弧形，受力比一般的平直拱更加不利。经计算，钢筋混凝土大拱厚度1500mm，拱底部设置钢筋混凝土暗梁，暗梁尺寸1500mm*1500mm。暗梁与拱身连为一体。
▲ 钢筋混凝土大拱立面图
钢筋混凝土大拱采用Abaqus有限元软件进行计算。计算结果表明，钢筋混凝土大拱主要面临三个问题：拱脚水平推力拱脚水平推力巨大，最大推力约为8500kN，拱脚竖向反力最大为6300kN，拱脚面外反力800kN。通过设置预应力拉梁平衡，拱脚面外反力通过设置垂直方向钢筋混凝土墙体平衡，拱顶面外变形通过提高楼板受力钢筋，协调拱顶面外变形。
▲ 钢筋混凝土大拱有限元计算模型
通过相应措施分别解决上述钢筋混凝土大拱所面临的三大问题。首先，针对拱脚水平推力具体，在拱脚位置设置预应力钢筋混凝土拉梁。通过拉梁中的预应力筋平衡拱脚推力，同时减小拱的竖向变形和裂缝开展。其次，在拱脚位置设置钢筋混凝土灌注桩，将拱脚的竖向反力通过钢筋混凝土灌注桩可靠的传递至地基中，确保大拱的承载力安全。第三，通过在拱脚位置设置垂直于大拱的钢筋混凝土翼墙将拱脚面外反力传递给钢筋混凝土翼墙，由翼墙承担全部拱脚面外反力。最终，加强与拱顶相连的首层钢筋混凝土楼板的配筋率，提高首层楼板的抗变形能力，平衡大拱面外受力和变形。
关键计算
中国馆是2019年北京世园会中的核心场馆，结构安全至关重要。采用性能化设计的基本理念，通过先进的计算手段为中国馆的结构安全保驾护航。除常规的小震弹性分析外，还针对中国馆自身特点进行了诸如数值风洞仿真计算，温度应力计算，罕遇地震动力弹塑性计算和抗连续性倒塌计算等。通过精细化的计算可以更加透彻的把握结构的受力特点并根据计算结果采取相应的加强措施。
▲ 数值风洞仿真计算
▲ 温度应力计算
▲ 罕遇地震弹塑性时程计算
▲ 抗连续性倒塌计算
钢结构参数化设计
大跨度钢结构体形越来越复杂，设计周期也越来越短，从而对结构的挑战也越来越大，参数化的设计需求也越来越迫切，基于参数化的设计理念可以在建筑与结构之间形成良好的互动，力争实现建筑造型与结构受力的协调统一。
对于复杂钢结构工程，建筑专业会优先选择犀牛软件，并配合grasshopper完成建筑设计的参数化，结构专业在此基础之上实现建筑结构的参数化设计。
一方面建筑通过grasshopper完成整个屋盖表皮和杆件建模，将表皮文件导入CFD软件进行数值风洞仿真分析，通过MATLAB完成数值风洞仿真中输入时程风荷载，以及风速时程、表面分压数据的采集及与SAP2000计算模型的互动。
另一方面通过grasshopper与SAP2000的联动，实现结构的参数化建模。本工程中建筑模型基本输入参数只有一个点，一条直线和三段曲线，其余所有内容均通过参数控制。
将风压时程和平均分压分别施加于SAP2000计算模型，采用节点位移算法，获取结构的风振系数，并输入到SAP2000计算模型中。
SAP2000屋盖模型和下部YJK混凝土模型整合后转换为Abaqus模型，进行进一步的详细分析。
虽然本工程的钢结构对初始缺陷不敏感，我们也初始缺陷和直接分析方法进行了一些探索，当时参考的资料是新钢标的送审稿，通过屈曲模态施加整体缺陷，通过杆件细分施加局部缺陷，再此基础上采用直接分析方法将钢结构分析与设计进行统一。
▲ 复杂钢结构参数化设计流程图
中国建筑设计院2019世园会中国馆设计团队
主管领导： 李存东
项目总监： 史丽秀
设计主持： 崔愷
方案主创： 崔愷、景泉、黎靓、李静威、张翼南、 郑旭航、田聪、徐松月、李晓韵、及晨
建 筑： 景泉、黎靓、郑旭航、田聪、吴洁妮、吴南伟、吴锡嘉、邢睿、李静威、单立欣
总 图： 高治、吴耀懿、王炜、路建旗、白红卫
结 构： 张淮湧、施泓、曹永超、李艺然、何相宇、朱炳寅
给 排 水： 黎松、林建德、董新淼、杨东辉、郭汝艳
暖 通： 孙淑萍、刘燕军、徐征、潘云钢
电 气： 王苏阳、沈晋、姜海鹏、李剑峰、张青、李俊民
智 能 化： 张月珍、刘炜、陈玲玲、许静、李俊民
幕 墙： 罗忆、周小丽
绿 建 ： 刘鹏、林波、王栋栋、王芳芳
景 观： 刘环、路璐、李旸、贾瀛、刘卓君、齐石茗月、盛金龙、冯凌志、武燕文
室 内： 邓雪映、李倬、焦亮、裴健
经 济： 禚新伦、钱薇、丁雨
项目经理： 赵文斌
中国馆的结构设计
完美地诠释了结构成就建筑之美的内涵
其包容的建筑形态
尽显大国首都风范
其他展馆的设计同样精彩
明日小编将继续带大家走进
蹁跹如蝶的演艺中心（妫汭剧场）
敬请期待！
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