某演藝中心主體結構體系可行性分析

1 工程概況

某演藝中心項目用地面積3．1萬m2，主體建筑為旅游性質的演藝劇場，為滿足特定劇目的演出使用。總建筑面積1．8萬m2，其中地上建筑面積1．34萬m2，地下建筑面積0．46萬m2，演出座位2000個，總平面如圖1所示。本方案最大特點在于建筑整體由膜材張拉覆蓋，平面功能如圖2所示，主要包括舞臺、觀眾廳及其他輔助區域。建筑南北方向最大跨度約85m，東西方向最大跨度約78m。

地上結構主要設計條件：抗震設防烈度6度（0．05g）；設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類；重點設防類（乙類）；結構安全等級為一級（結構重要性系數1．1）；基本風壓0．4kN/m2（取重現期100年風壓）；地面粗糙度類別為B類。

本文針對項目方案設計階段的主要結構設計難點區域展開可行性論證及初步方案比選，主要工作包括主體結構及張拉索膜結構的概念設計、主體結構體系構成、舞臺剛性屋蓋系統的初步比選。

2 結構方案

2.1 主體結構與張拉索膜結構關系的概念設計

圖1 總平面

圖2 1層平面

圖3 建筑立面

本方案建筑立面如圖3所示，建筑創作與周邊環境融合，形成云霧繚繞山峰的立意。透明膜材營造云霧質感，凸曲率造型與周圍丘陵類比。傳統張拉式索膜結構自然力學形態為凹曲率，而本方案整體視覺采用凸曲率造型，因此需剛性結構輔助形成。

本方案為定制劇場，屋蓋需吊掛很多機械裝置，且對振動控制要求較高。演藝劇場有聲學控制的因素，傳統膜結構多用于對聲學要求不高的建筑，若將膜結構應用于演藝劇場，需克服很多難題，經聲學建筑師綜合評判，單層膜材不能滿足要求，需雙層膜結構，且下層索膜之下應吊掛較多隔聲吊頂；本劇場演藝節目需借用室外風景作為布景，因此在后場采用豎向單索幕墻增強效果，拉索結構需以剛性屋蓋為支撐。

結合以上建筑創意、建筑特點及結構概念，主體結構采用巨型鋼拱骨架+索膜結構體系，分為主體結構和外層索膜結構2部分進行概念方案設計，主體結構設計部分主要包括剛性結構、體系選型及分析，外層索膜結構設計部分主要包括索網方案布置、找形及受力分析，本方案采用力密度法進行初始找型，確定主索及分布索的內力分布關系。本文主要對主體結構的可行性進行分析，外層索網對主體結構的影響采用外加節點力的方式施加于主體結構上。

2.2 主體結構豎向傳力體系

舞臺鋼拱與觀眾廳周邊外墻及框架柱共同形成豎向傳力體系。舞臺區域的吊掛舞臺機械荷載較大，在主舞臺區域采用2道巨型鋼拱結構支撐，巨型鋼拱之間設置次結構連接，加強了整體工作性能；觀眾廳區域周邊的墻柱可作為外表皮膜結構的豎向支點，膜結構傳遞豎向力至拉索、豎向結構，為保證索網平衡及鋼拱穩定，在建筑周邊設置邊緣固定纜索或索網直接固定于地面基礎。剛性結構主要包括：框架-剪力墻主體結構、舞臺拱桁架、舞臺雙層網殼、幕墻拉索、觀眾廳桁架。剛性結構主體結構組成如圖4所示。

2.3 主體結構抗側力體系

鋼拱與幕墻拉索及局部斜撐構件共同構成抗側力體系。拉索作為幕墻結構的同時，還與另一側觀眾廳區域索膜結構及局部斜撐構件的拉力平衡，舞臺鋼拱與兩側的拉索結構及局部斜撐構件形成主要抗側力結構體系（見圖5）。

3 舞臺剛性屋蓋初步選型

3.1 計算條件

舞臺剛性屋蓋采用鋼拱桁架及屋面網殼，網格布置結合建筑表皮所要表現的竹簍編織線條肌理，采用雙向斜交布置形成四邊形。

1）剛性屋蓋結構荷載條件 屋面網殼承載吊掛荷載，傳遞至兩側巨型鋼拱，舞臺外側鋼拱同時承擔拉索幕墻荷載，內側鋼拱同時承載觀眾廳外層索網荷載。

2）剛性屋蓋結構約束條件 外側、內側2個拱交于一點，形成鉸接支座固定于巖石墩基礎上，外側拉索下端錨固于地下室結構頂板，內側拱由2個V形支撐支于觀眾廳的剪力墻上。

根據單索幕墻在風荷載作用下各拉索的相對變形確定拉索初始預張力，確保各拉索的變形量為1/50L（L為拉索長度）。各拉索上端均固定于外側鋼拱，各索間的張力具有相關性，在整體模型中經過數次迭代，得到初始預張后的各拉索內力分布，如圖6所示。

內側鋼拱還承擔了外層索網荷載，根據初步估算，外層索網的初始預張力為170kN/m，按水平夾角30°方向施加于內側鋼拱上。

圖4 主體結構組成

圖5 抗側力體系

3.2 雙層網殼形式比選

內外側鋼拱間采用雙層網殼，共比選3種形式（見圖7），方案1為抽空雙向桁架；方案2為棋盤式四角錐雙層網殼；方案3為抽空四角錐雙層網殼。

各方案在恒荷載下的基本受力如圖8所示。方案1上弦中間區域受壓較大，約為800kN，下弦雙向受拉，典型拉力約1250kN；方案2上弦中間區域典型受壓，壓力約為400kN，下弦雙向受力性質顯著不同，長向受壓，典型壓力約700kN，短向受拉，典型拉力約500kN；方案3上弦中間區域典型受壓，約700kN，下弦雙向受拉，典型拉力約1000kN。

圖6 索幕墻初始預張后內力分布（單位：kN）

圖7 雙層網殼形式

圖8 雙層網殼恒荷載受力分析

各方案在截面及用鋼量相似的情況下，恒荷載作用下網架中心點短向撓度分別為：方案1為1/445，方案2為1/823，方案3為1/564。

方案1與方案3形式類似，均為抽空形式的雙層網架，方案1為平面桁架的雙向編織，方案3為空間桁架的雙向編織，均為雙向斜交傳力，受力大小及剛度類似，整體而言，方案3較方案1整體性更好。方案2呈現出有別于方案1和方案3的傳力路徑，上弦受力較小，下弦在長向成為典型的拱效應傳遞壓力，短向受拉，各相似桿件受力較均勻，整體性最好，但荷載傳遞相對復雜。

經過比選，最終選定方案2作為深化方向。該方案不但受力特點鮮明，且能更好地滿足建筑要求，上弦斜交編織，與外表皮索網紋理相呼應，下弦正交，與舞臺角度一致，方便舞臺吊掛布置及安裝。

3.3 整體計算

舞臺剛性屋蓋受力如圖9所示，以鋼拱支座和V形支撐為支座，除承受剛性屋蓋自身恒荷載與活荷載外，在外側鋼拱承受豎向拉索拉力，在內側鋼拱上承擔外層索網拉力。

幕墻拉索使用索單元，采用非線性并考慮大變形對結構進行整體分析：①恒荷載作用下預張豎向拉索；②恒荷載作用下施加外層索網拉力；③恒荷載作用下預張豎向拉索及施加外層索網拉力；④在③的基礎上施加幕墻風荷載。計算結果如表1所示。

表1 舞臺剛性屋蓋整體計算結果

圖9 剛性屋蓋受力簡圖

幕墻豎向拉索拉力與外層索網拉力相互平衡，幕墻豎向拉索拉力對整體屋蓋的位移起控制作用。外層索網拉力作用點距V形支撐較近，對其受力起控制作用。在幕墻水平風荷載作用下，幕墻拉索拉力變化較小，對舞臺剛性屋蓋整體位移及V形支撐影響較小。

4 結語

1）本結構采用巨型鋼拱骨架的索膜結構體系，共分為外層索網結構和主體結構2部分。本文主要對主體結構的豎向及抗側力體系進行概念分析。

2）對舞臺剛性屋蓋的雙層網殼進行多方案比選，最終選擇棋盤式四角錐雙層網殼形式，其受力特點鮮明，整體性強，符合建筑要求，充分體現了結構成就建筑之美。

3）對剛性屋蓋進行整體分析，證明本結構體系成立，受力合理，可深入進行設計與分析。