【结构工程师眼中的世园会】中国最美大蝴蝶，竟然是它！
来源：新华网，北京日报，央视新闻，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，气势恢宏的中国馆（点击查看详情）彰显了大国首都风范，接下来跟小编一起，领略其他展馆的设计之美吧。
图片来源：新华社
首先，跟小编来认识两个字，我们一起念：妫汭（guī ruì）。
图片来源：央视新闻
妫是指妫水
是河流名称
汭是指河流汇合或弯曲的地方
合在一起
就是妫水弯曲之处
接下来，一起认识一下我们今天的主角“妫汭剧场”
视频来源：央视新闻
妫汭剧场，即北京世园会演艺中心，它牢牢霸占着世园会的C位，正中心！是北京世园会开闭幕式的主会场，承担会期各类大规模主题展演、演艺、文化活动、大型集会活动及访客休息集散任务。整体建筑如同一只彩蝶在花海中翩翩起舞。
六大亮点：
1.悬挑钢桁架是“蝴蝶”的脚，最大悬臂有120米×155米、最大悬挑达47米。
2.彩色的屋面是“蝴蝶”伸展的“两翼”，呈现深红、深绿、橙色、蓝色、红色、绿色等6种颜色的多彩ETFE超薄膜结构，总面积就达到5440平方米。
3.两翼之下是“蝴蝶”的“腹部核心”，这里有一大两小三个剧场，大剧场可容纳1000人，而东侧的两个小剧场则可让500人同时观看节目。
4.蝴蝶腹部”的“绒毛”脉络清晰可见，它经历了10.4万次的手工操作才最终呈现出栩栩如生的效果，为达到这个效果，妫汭剧场的建造采用了传统编织和三维建模相结合的手法，在接近10000平米的铝合金丝勾花网上绑了5.2万个扎带，据统计，一个工人干一天下来，平均只能完成2.6平方米。
5.“蝴蝶背上”6色混搭层次丰富丝毫不乱，“蝴蝶翼”采用的是ETFE超薄膜结构，厚度小于0.22毫米，还没有三张A4纸厚，而且张力极好、阳光可直接穿透，场馆内可最大限度采用自然光，且无论是风吹日晒、霜打冰封，还是时间的考验，“蝴蝶”上的颜色都不会掉。
6.妫汭剧场的夜景照明灯带总长900米，由2451盏投光灯构成，入夜后的妫汭剧场要成为这条gai上最靓的崽儿。
图片来源：央视新闻
图片来源：网络
图片来源：央视新闻
最后，话不多说，直接上干货，一起来看看妫汭剧场（演艺中心）的结构设计。
主体结构
工程位于北京市延庆县，项目用地14000平方米。主要包括混凝土工程（连桥及半地下室部分）和钢结构工程（钢屋面）2个分块工程。
1）混凝土连桥及半地下室：建筑面积1150平方米，主要建筑使用功能为人流通行及少量办公室、化妆间等室内空间，主要由一条南北向穿行于蝶状屋面中部的混凝土连桥及桥面板下部设置的少量半地下室空间构成，选用剪力墙结构体系。
2）钢结构屋面：展开建筑面积约8700平方米，由26榀呈伞状排开的悬挑钢桁架支撑，屋面为蝴蝶状外形，最大悬挑长度约50m，最大平面尺寸119mx113m，屋面高度20.0m。
3）为明确受力关系并简化施工流程，混凝土部分与钢结构部分结构关系相互独立，分别按照两个结构单体进行计算设计。
结构计算SAP2000
结构计算ABAQUS
稳定验算
整体稳定验算ABAQUS
稳定验算结论：
1）本工程通过在悬挑钢结构屋面设置上弦满铺交叉拉索水平拉杆；屋面中部内侧各设置2榀纵向桁架；屋面设置纵向水平系杆，同时，上、下弦杆间设置交叉拉杆等方式，有效提升屋面体系整体性，合理控制悬挑钢桁架受压下翼缘稳定。
2）本工程整体稳定极限承载力分析结果表明，计算得到的极限承载力对应的荷载比例系数为2.5，大于规范限值，主体结构的整体稳定得到有效保障。
风洞与风振验算
风洞试验
变形（向上）
变形（向下）
风荷载响应专篇结论：
1）本工程依据风洞试验结果施加等效静力风荷载，计算得到最大竖向位移（向下）为-323.3mm，达到悬挑长度的1/145；最大竖向位移（向上）为78.4mm，达到悬挑长度的1/326，均可以满足规范限值的1/125。
2）本工程采用风洞试验报告确定等效静力风荷载进行结构风荷载响应分析后，结构承载力和变形验算可以有效满足规范要求，且保有一定设计冗余，结构抵抗风荷载性能安全可靠。
性能化设计
关键构件
性能化设计专篇结论：
1）设定的一般构件、重要构件、关键构件其承载力验算均可以较好的满足性能化设计等级和设计水准要求，设定的性能目标有效实现。
2）通过采用性能化设计方法，主体结构可以有效满足全面提升、重点加强的设计目标。
罕遇地震弹塑性时程分析
地震波时程
结构变形
罕遇地震弹塑性时程分析专篇结论：
1）本工程3条地震波大震弹塑性时程分析结果表明，主要桁架杆件均未进入塑性状态，说明基于大悬挑空间钢结构的固有属性，地震作用下结构承载力冗余度较高。
2）本工程在3组地震波作用下，主体结构的弹塑性层间位移角最大值为1/68，满足规范限值（1/50）要求，主体结构在罕遇地震下结构变形得到有效控制，满足大震不倒的设计目标。
防连续倒塌
防连续倒塌验算
防连续倒塌专篇结论：
1）考虑个别榀悬挑钢桁架根部拉索破断后，进行防连续倒塌设计模拟，断索桁架及其相邻榀桁架前柱压应力均未超过材料屈服强度，主体结构承载力依然满足安全性要求。
2）考虑悬挑长度最大的最不利桁架根部拉索破断后，主体结构最大竖向变形368mm，小于悬挑长度的1/125，满足规范变形验算需求，亦可以满足不倒塌设计要求。
温度应力与施工模拟
温度应力
施工模拟（地拉索施工前工况）
温度应力与施工模拟专篇结论：
1）依据主体结构温度应力补充计算，考察各种温差条件下对应工况计算结果，构件尚处于弹性范围内，可以较好的满足结构安全性需求。
2）选取典型施工状态进行分阶段施工模拟，计算结果表明，在主要施工节点状态下，主体结构承载力和变形均可以较好的满足规范要求，主体结构在施工状态下安全可靠。
单榀包络设计
单榀验算
单榀桁架包络设计专篇结论：在侧向约束充分条件下，悬挑长度最大的最不利单榀桁架结构安全性可以得到有效保障。
关键节点有限元分析
桁架关键节点
拉索关键节点
拉索关键节点
关键节点有限元分析专篇结论：
1）钢桁架结构典型复杂节点结构安全性能可以得到有效保证。
2）拉索与桁架、拉索与基础的连接节点结构安全性能可以得到有效保证。
整体结论
1）本工程大跨屋盖建筑悬挑长度超限。属于大跨度屋盖超限建筑。
2）本工程由于在结构设计中采取了较为合理的结构体系及布置，设定了相应的性能目标，并采取了有效的超限设计措施，从而减轻了结构超限所带来的不利影响，使得结构具有较好的抗震、抗风性能，计算结果满足现行规范和规程的要求。
3）SAP2000作为主要计算软件，ABAQUS作为辅助计算软件，计算结果相互辅助。结构计算分析得到的得到的层间位移角、位移比、剪重比等计算指标均能较好满足规范要求。
4）本工程各类钢结构杆件应力比包络设计值大部分控制在0.75以下，最大值不超过0.85，可以较好的满足承载力设计要求。
5）本工程各荷载工况（包括风荷载相关设计工况）计算得到的最大竖向变形均为超过1/125的规范限值，结构竖向变形得到有效控制。
6）本工程通过结构整体稳定设计专篇、风荷载响应设计专篇、性能化设计专篇、地震响应时程分析专篇、防连续倒塌设计专篇、温度应力分析专篇、典型施工状态分析专篇、单榀桁架复核设计专篇、节点设计专篇，共计9个分析设计专篇，本工程的结构安全性能得到有效保证。
7）罕遇地震动力弹塑性时程分析（ABAQUS）得到的结构最大层间位移角小于规范要求的1/50，构件性能状况满足规范要求，可以满足大震不倒的抗震设防要求。
图片来源：新华社
翩翩起舞的蝴蝶
是大自然五彩斑斓的美好缩影
而2019北京世园会
集纳世界各地之美景与人文情怀
让这个异彩纷呈的世界
能够在这里
各美其美
美人之美
美美与共
或许，这就是
妫汭剧场这只“大蝴蝶”
乐于展现的
博大胸怀
穿花蛱蝶深深见
如斯美景相待
你还来不来？
糟了！心动的感觉！
这只又大又美的“蝴蝶“
是否让你流连忘返？
no no no
明天将继续推出惊艳世界的国际馆
敬请期待
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