建筑结构丨华东院周建龙大师：石块堆砌成的音符——深圳湾文化广场结构设计

Original 周建龙建筑结构 2024-05-19

全国工程勘察设计大师，华东建筑设计研究院有限公司首席总工程师周建龙在“第八届工程结构抗震技术交流会”上做了题为《石块堆砌成的音符——深圳湾文化广场结构设计》的精彩报告！

报告以深圳湾文化广场项目为例，详细介绍了项目概况、结构体系选型历程、结构设计标准、上部结构体系（包含体系的构成、南馆设计、北馆设计以及其他特殊类区域）、整体稳定与极限承载力分析、其他专项分析及施工专项技术。

01 项目概况

（1）项目占地50889.24㎡，总建筑面积188080㎡，其中地上建筑面积43213㎡，地下建筑面积144867㎡。

（2）主要功能包括陈列展览区、藏品库区、教育区及服务设施、行政管理区及附属用房、停车及卸货区等。

（3）项目包括两馆及共享部分，其中深圳创意设计馆（北馆）119965㎡，深圳科技生活馆（南馆）68115㎡。

平面和立面布局详情及项目功能分布参见下方建筑图纸。

02 结构体系选型历程

首先介绍了结构选型的过程，设计过程中考虑了如下结构形式：摄云石考虑了单层混凝土壳体、混凝土框架结构、钢结构框架结构、(混凝土)密肋（斜交方向）网格、 (钢结构)密肋（斜交方向）网格、空腹桁架、桁架；悬云石考虑了单层混凝土壳体、钢筋混凝土密肋板方案、钢网架/网壳方案、钢拱架方案等。

然后以礼拜堂屋顶、龙美术馆、奔驰博物馆、荣成少年宫工程（混凝壳）等项目为例，介绍了MAD在建筑设计方面的追求——外露混凝土结构、清水混凝土。

03 结构设计标准

（1）该结构的设计标准基本同一般结构，不同的是对于抗震等级的选择：绿坡之上，主要竖向构件基本均为墙（壳）体，按剪力墙体系确定抗震等级。绿坡之下，框架和墙（壳）体共同作为抗侧力构件。壳体、剪力墙：绿坡屋面以下，一级，地下室逐层降低；绿坡屋面以上，二级。

（2）幕墙变形控制：基于主结构刚度要求，活荷载下的边梁变形(在平行于墙面方向的分量)不应大于1/1000；在可变荷载作用下，水平肋之间的相对变形不超过3mm；在可变荷载作用下，竖向肋之间的相对变形不超过3mm。

04 上部结构体系

从上部结构体系的构成、南馆设计、北馆设计以及其他特殊类区域这4个部分进行了详细介绍。

4.1

上部结构体系（构成）

上部结构体系主要由南馆（悬云石和望云石）和北馆（摄云石和倚虹石）组成，本节从建筑效果、结构特点和布局，构成过程等方面对结构体系进行了详细的介绍。

南馆的构成如下：

北馆的构成如下：

4.2

南馆设计

1、处理措施

南馆建筑条件：1. 石头背部为半环形腔体（环形通道），内含坡道、楼梯及机电空间；石头内部其余空间与上、下层大跨楼面联合形成大跨拱形展厅空间，跨度约为40m，最大高度约为16米；内部总体形成两个腔体。2. 建筑主要功能为展厅，室内大空间无柱，大部分竖向支撑仅能升至3F层楼面。3. 上部望云石悬挑长度大，通过落地电梯筒支撑。

南馆结构处理：1. 背部腔体采用厚板壳体系支撑于两个电梯井上。2. 大跨展厅呈光滑的壳体，采用薄板壳支承于厚板壳和大跨梁柱上。3. 竖向支撑升至展厅2F底面。

2、设计重难点

南馆的设计存在如下重难点：1. 建筑室内带肋现浇清水混凝土效果和外部造型要求特殊，需要两层结构面表达。2. 石头底面兼作博物馆大厅顶盖，超大跨度，且需要支承上部夹层。3. 下方小石头并（电梯筒）作为上部悬云石和望云石的支撑，受力大，需要关注交界面力的传递，以及由于较大压力产生的环向拉应力。4. 望云石落于悬云石和电梯筒上，需要保证交界面可靠传力。

3、设计计算

基于上述设计中的难题，进行了结构的设计计算。

（1）模型选取：该项目为多塔结构，但由于两个结构单体南馆（悬云石、望云石）和北馆（摄云石、倚虹石）相隔较远（约90m），且中轴连接区域均为大跨框架，两个结构单体关联性很弱，选取单塔结构进行计算分析，附带裙楼截取原则为主塔周边不超过2跨，且不大20m。相关裙楼部分的构件设计根据整体计算模型确定。

（2）网格选取：对于上部石群结构在计算分析之前先进行了网格尺寸分析，通过试算，对比了不同网格大小（0.6m和1.2m）的计算结果。对比结果在5%以内，计算结果认定基本收敛，综合考虑计算速度与计算精度，选用1.2m网格模型进行计算分析，局部复杂区域网格进行细分。

（3）最后详细介绍了竖向荷载、风荷载作用下的变形，结构最大拉应力，配筋设计，梁式构件（反肋）分析，温度单工况最大拉应力等。

4.3

北馆设计

1、处理措施

北馆建筑条件：1. 52m高摄云石与倚虹石相互依靠形成整体。2. 上层为超高展厅，展览区均为无柱空间。3. 主要功能为展览及餐厅。4. 餐厅层侧面开设条形洞口作玻璃幕墙，超高展厅穹顶开设洞口作采光天窗。5. 幕墙要求有外层混凝土壳体，建筑要求室内结构外露清水效果。

北馆结构处理：1. 超高展厅设有两层壳体，并逐渐合并为一层壳体，内壳通过转换斜撑传力。2. 壳体开洞处布置环梁进行加强，倚虹石与摄云石相连节点进行加强。3.倚虹石考虑不布置肋柱和环梁，对下层壳体加厚处理。

2、设计重难点

北馆的设计存在如下重难点：1. 超高展厅涉及到建筑室内现浇清水混凝土展示面和室外建筑造型展示面，由于空腔较大，在靠近电梯筒处需要两层结构，在天窗附近两层结构收为一层结构。2. 摄云石和倚虹石相互依靠虽有利于稳定，但设计上需要尽量保证竖向力作用下摄云石的稳定性。3. 考虑到混凝土材料，需要控制环向拉应力水平。4. 超高展厅内侧壳体通过转换斜撑传力，斜撑和钢筋混凝土梁板承担超高展厅竖向构件水平分力。5. 倚虹石与摄云石相互倚靠，需要保证截面传力，洞口环梁需作加强处理。6. 倚虹石与下部楼板整体受力设计，需要考虑界面传力和推/拉力的传递。

3、设计计算

基于上述设计中的难题，进行了结构的设计计算。详细介绍了风洞试验计算、风荷载作用下的最大位移角，竖向荷载作用下的变形，结构内力传递，最大拉应力，配筋设计，结构在活载和自重下的应力水平，楼板开洞等特殊区域的计算等。

4.4

其他特殊类区域

对浮水石、流纹石、衔海石、镜面水池等特殊区域结构的位移及应力的计算结果进行了详细的介绍。

05 整体稳定与极限承载力分析

本节对此工程进行竖向荷载作用下的整体稳定与极限承载力分析，以期达到以下目的：1）研究结构可能存在的失稳模式、失稳顺序和失稳荷载因子。2）研究在考虑材料强度破坏的前提下，结构在竖向荷载作用下的极限承载力。3）根据以上分析结果评价结构的稳定安全性，针对不满足的情况或区域提出相应的改善措施。

南馆（悬云石、望云石）和北馆（摄云石、倚虹石）分别进行了如下分析：

（1）特征值屈曲分析

（2）几何非线性稳定分析

（3）双非线性稳定分析（几何+材料非线性）

06 其他专项分析

包括地下结构的减振分析、超长结构温度应力分析、罕遇地震弹塑性时程分析、重要构件的性能化分析及设计、防连续倒塌分析、科苑路天桥设计等。

07 施工

责任编辑：成乐

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