建筑结构丨北京院总工束伟农：城奥大厦、银河SOHO等复杂体形建筑结构设计要点

北京市建筑设计研究院有限公司设计总监/总工程师束伟农在“第二届建筑结构可持续发展创新论坛”上做了题为《复杂体形建筑结构设计》的精彩报告！

报告主要分为五部分：前言及城奥大厦、银河SOHO、珠海歌剧院、桂林两江国际机场四个复杂体型工程的结构设计要点。

前  言

在本节，束伟农总工首先简要介绍了多个复杂体型建筑，后相对详细地介绍了凤凰国际传媒中心的结构设计概况，其面临的挑战有：参数化曲面成型、双向叠合网格结构体系、多重结构系统组合抗震、特殊结构构件。对凤凰国际传媒中心进行了多模型抗震分析，包括：钢结构和混凝土结构的整体模型、混凝土结构的整体模型、外壳钢结构单体模型、办公楼混凝土单体模型、、带部分钢结构的办公楼混凝土单体模型、演播楼混凝土单体模型、拱桥单体模型、通天扶梯单体模型。

北京城奥大厦

北京城奥大厦结构体系为钢框架-钢筋混凝土筒体结构，运用BIM技术实现了参数化曲面成型。该项目地下部分属地下空间项目，于2014年施工完毕。根据新的建筑功能要求，新方案地上部分重新定义一套新轴网，为实现地上与地下的结构转换，首层采用V型柱，以转换新旧轴网。边庭结构从首层到F12层顶板，在每层楼面标高设一道环梁，环梁两侧与主体结构铰接拉结，环梁截面F6层及以下根据幕墙条件设置宽度不等的变截面方钢实腹弧梁，F7层及以上因幕墙需要环梁宽度过大，环梁改为格构式弧梁。从F5层起每隔一层沿放射轴线设置4道水平支撑。结构体系中存在大量斜度不同的柱子及曲梁曲柱，部分还有扭曲，产生了大量复杂节点，定位及加工难度系数均很大。必须借助BIM技术来进行精确加工制作、定位安装。

银河SOHO

四个塔楼采用钢筋混凝土框架-核心筒结构，弧型结构外边柱采用型钢混凝土柱；四个塔楼分别在建筑的第3层、4层、6层、7层、13层、14层、15层采用连体连接，连体跨度约20～40m，大跨度连体结构采用钢桁架结构体系。弧型结构外边柱较直线柱受力情况相对复杂，采用型钢混凝土柱，以提高其延性，改善受力性能。外边柱周围的框架梁增设少量型钢承受梁内拉力，也可以提高梁柱节点的延性，增强整体框架的抗震能力。塔1与塔4之间、塔2与塔3之间的连桥采用刚接，形成连体结构；其他连桥均采用一端刚接，另一端滑动连接。

珠海歌剧院

珠海歌剧院有以下结构特点：结构体型复杂，贝壳钢结构，结构计算分析复杂、节点和构造复杂，结构复杂且抗震超限。屋顶天窗钢桁架与贝壳空腹桁架刚接，形成巨型钢框架，为短轴方向主要抗侧基本单元；环向弦杆与空腹桁架弦杆刚接，组成连续钢框架结构，形成长轴方向主要抗侧体系。观众厅和贝壳之间采用钢结构连桥，连桥钢梁两端铰接，可为钢结构提供部分水平支撑。

对珠海歌剧院进行计算分析：

分析模型：

1、贝壳钢结构与主体钢筋混凝土结构的整体分析模型

2、主体钢筋混凝土结构模型（不含钢结构）

3、纯贝壳钢结构模型（不含钢筋混凝土结构）

分析软件：

1、PK-PM系列软件 (规范2005版本)

2、MIDAS/GEN V.7.3.1中文版结构分析与计算软件

3、有限元软件ANASYS V11.0。

分析内容：

1、静力分析：恒+活、风荷载作用、温度作用

2、地震作用分析：反应谱、小震弹性时程、整体稳定、施工模拟、防连续倒塌

3、节点有限元分析

观众厅弧形混凝土墙的最大应力出现在顶板与竖墙过渡区域，在屋顶梁与弧形墙身相交部位应力集中，此处墙身最大拉应力为7.7MPa，超过混凝土抗拉强度，采取措施如下：在墙体对应梁部位设置暗柱，柱内配置型钢，提高了墙身刚度，增强了稳定性和抗震性能，相应楼座及池座处梁内设置型钢；观众厅空间弧形墙内设置构造型钢，在位于墙顶与平板交界处设置型钢环梁与其连接，形成型钢骨架。便于墙身定位找形；提高混凝土墙体配筋率；除梁墙相交部位，观众厅弧形墙大部分区域拉应力均为2.5MPa以下，墙体混凝土强度等级取C50（混凝土拉应力为2.64MPa）；单独将弧形墙及支承结构取出，进行稳定性分析验算。

桂林两江国际机场T2航站楼

桂林两江国际机场T2航站楼屋盖结构有如下特点：

特点一：复杂多变的拱结构

航站楼屋顶采用拱结构支承体系，中心区采用倾斜方向相反的对拱支撑，指廊采用单片拱支撑，中心区拱轴方向随屋盖走向旋转。

特点二：复杂的三维屋面造型

航站楼的主屋面整体设计简洁优美，中心区屋面造型为波浪起伏，均为双曲面，投影面积约6万平方米。

特点三：自由多变的单层网壳

航站楼屋顶采用单层网壳结构，为建筑美观，网壳采用环向梁与径向梁成矩形的布置方式，网壳节点采用刚接节点。支撑拱与网壳之间采用斜杆过渡连接，钢结构制作安装及空间定位难度高。

屋盖结构体系采用：

结合建筑屋面波浪起伏的造型及天窗采光要求，采用拱壳结构，屋盖结构为单层壳体，支撑体系为空间拱。屋盖单层壳体构件跟随屋顶曲面变换，保证结构与建筑造型的完美统一。中心区支撑拱共有6对拱+两边各一榀单向拱，支撑拱最大跨度为120m，拱截面为变截面箱型。

钢结构屋面进行找形：

整个拱壳横向形成连续波浪形，为使波浪起伏的屋盖受力合理，将屋盖按起伏的脊线和谷线包括的范围作为一个分段面，分段面采用一系列近似抛物线的曲线拟合而成，完整屋盖由各分段面组成，各分段面之间光滑过渡，使最终拟合的面为建筑和结构均能接受，脊线、谷线、天窗投影线及屋盖轮廓线由建筑提供，脊线、谷线为圆弧线。

对结构进行了支撑体系实体模型与杆件模型对比分析，分析结果表明：

实体模型比杆系模型应力计算结果普遍大10%~14%，拱脚附近大26%。在用杆系模型计算时，将杆系模型计算所得拱的应力放大15%，为考虑扭曲和扭矩带来的影响，对于拱脚附近采用加大拱脚钢板厚度及加强拱脚构造的措施。

责任编辑：程哲

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