安陽曹操高陵本體保護與展示工程結構設計

馬智剛，賈振林，田文靜，趙曉雷，孟凡磊

（1.清華大學建筑設計研究院有限公司，北京 100084;2.曹操高陵管委會，河南 安陽 455000）

1 工程概況

安陽曹操高陵本體保護與展示工程位于河南省安陽市安豐鄉西高穴村南側。場地北側為西高穴村，東南側為東高穴村，西側為取土坑及農田，南側為農田。

安陽曹操高陵墓葬于2008 年12 月起開始搶救性發掘，依據考古出土文物、墓葬形制規模，并結合文獻，判定墓主是東漢末年丞相、魏武王曹操。

2010 年6 月11 日，安陽曹操高陵入選“2009 年度全國十大考古新發現”之首，2013 年5 月成為“第七批全國重點文物保護單位”。考慮到曹操在中國歷史上的影響力和唯一性，安陽曹操高陵遺址的重要性不言而喻。

安陽曹操高陵是以研究中國歷史上著名政治家、軍事家、文學家曹操為代表的三國歷史人物以及宣傳歷史文化的重要載體，安陽曹操高陵及其周邊區域也將被打造成為一個集社會效益、經濟效益、生態效益為一體的三國文化遺址公園，成為安陽市文化旅游的新名片。

本保護工程建成后將成為研究三國文化及漢魏歷史的一個重要平臺。

安陽曹操高陵本體保護與展示工程地上1 層，局部地下1 層。地上為錯臺建筑，根據建筑功能劃分為3 大部分：A 區遺址展館、B 區遺址保護棚和C 區能源中心，總建筑面積32 500 m2（見圖1）。

圖1 曹操高陵建筑效果及分區圖

安陽曹操高陵本體保護與展示工程采取對曹操墓遺址（M1 和M2）進行整體遮蓋保護的設計理念，遮蔽與覆蓋遺址及其周邊必要的范圍，最大程度上減少對遺址的潛在破壞與干擾，為遺址本體提供利于其保存的室內穩定環境，并在此基礎上增加展示功能。為與后續遺址發掘及保護工作銜接，采用封閉與半開放結合的空間設計手法，既為參觀人群提供充分的觀賞條件，又有效保護遺址本體不受游客參觀活動的負面影響。

2 結構設計

2.1 基本參數

本工程結構設計使用年限100 a，結構設計基準期5 a，結構設計耐久性年限100 a，結構安全等級一級，建筑抗震設防類別乙類。基本風壓（100 a 一遇）為0.55 kN/m2，基本雪壓（100 a 一遇）為0.45 kN/m2。擬建場地及附近區域地基土不液化，地下水埋深相對較深，不考慮地下水的影響。抗震設防烈度8 度，場地土類別為Ⅱ類，設計地震分組二組，場地特征周期0.4 s。

2.2 結構體系

A 區遺址展館，地上1 層，局部地下1 層，建筑高度8.45 m，結構形式為鋼框架結構；鋼框架軸網間距8 m、10 m、6 m 等，主展廳局部大空間跨度最大達22 m，框架柱主要采用D300 mm×25 mm、D350 mm×30 mm、口300 mm×300 mm×25 mm×25 mm、口200 mm×200 mm×20 mm×20 mm 等截面，框架梁主要采用H450 mm×250 mm×18 mm×25 mm、H600 mm×300 mm×20 mm×25 mm、H950 mm×300 mm×25 mm×40 mm 等截面，基礎采用獨立基礎。

B 區遺址保護棚，地上一層，外形為對稱四坡矩形體，結構形式為周邊混凝土柱（2 m×2 m）+119 m 跨度鋼屋蓋。鋼屋蓋結構形式為雙向正交正放H 型鋼桁架，長為160 m，寬為140 m，檐口高度為23.0 m，屋脊高度為25.6 m，屋蓋室內吊頂高度為17.35 m，總建筑面積為20 397.00 m2，短向跨度119 m。鋼屋蓋為四坡頂形式，屋脊位置最大矢高達8 m，沿口矢高為4.3 m。整個建筑物四周分別對應設置30 根11 m 高混凝土獨立柱作為支撐，室內全部區域無任何輔助支撐。獨立柱下采用樁基礎，樁徑1 000 mm。

C 區能源中心，地上1 層，建筑高度8.45 m，結構形式為鋼筋混凝土框架。軸網8 m×8 m，框架柱截面600 mm×600 mm，框架梁截面有300 mm×600 mm、400 mm×800 mm等，基礎采用獨立基礎。

A、B、C 三區結構模型見圖2～圖4，B 區鋼屋蓋剖面圖見圖5。

圖2 A區鋼框架模型

圖3 B區屋蓋鋼結構模型

圖4 C區鋼筋混凝土框架模型

圖5 B區鋼屋蓋剖面圖

2.3 結構設計關鍵點

A 區遺址展館，地上1 層，局部地下1 層，建筑高度8.45 m，結構形式為鋼框架結構；鋼框架軸網間距主要為8 m 和10 m。

A 區、C 區采用Yjk 進行設計，B 區大跨度結構是本工程重點，采用Yjk 和Midas 進行設計。B 區鋼屋蓋跨度大，結構布置受現場條件限制，是本工程結構設計關鍵點和難點。

1）大跨屋蓋對荷載比較敏感，準確確定本工程屋面及吊頂做法，考慮施工及使用過程中大跨度屋蓋所受荷載大小是保證結構安全的關鍵。主體結構荷載包括：結構自重、外加恒荷載（吊頂、燈具、屋面做法）、雪荷載、風荷載、地震作用、溫度荷載等。根據施工工期，確定合理合龍溫度，盡量減小溫度變化對主體結構受力影響。鋼屋蓋合龍溫度10～154 ℃，計算溫差±30 ℃[1，2]。

2）大跨度屋蓋采用正交正放鋼桁架，鋼屋蓋支撐在周邊30 根混凝土柱上，由于現場條件及文物工程施工要求，混凝土支撐柱需盡量遠離遺址本體，以降低施工振動對遺址本體的影響。混凝土柱基礎采用人工挖礦樁，樁長18 m，根據受力不同，采用不同的擴底樁直徑，樁基承臺采用偏心設置方案，既有利于躲開遺址本體，又大大提高了基礎的抗推抗彎能力。樁基水平承載力由理正工具箱中樁基礎設計模塊進行設計，為進一步加強樁基抗推能力，承臺間加設拉梁，同時承臺四周土體分層夯實回填以加強對承臺的嵌固能力并進一步增強基礎抗推力。

3）大跨屋蓋為四坡屋頂，鋼屋蓋桁架上弦存在非常復雜的空間關系，通過Xsteel 軟件進行精確放樣、推敲構件連接關系，在滿足焊接工藝和方便施工基礎上，確定坡口尺寸。鑒于工程的重要性，屋蓋桿件對接焊接均采用一級全熔透焊縫。由于工程焊接量大，根據結構受力對焊縫進行重要性區分，主桁架上與次桁架連接的加勁板三邊全熔透，等級一級；其余主桁架上加勁板，當加勁板凈距大于或等于150 mm，其與桁架弦桿翼緣的焊縫采用全熔透，等級一級，當凈距小于150 mm，做等強焊縫（按全熔透要求開坡口）并按20%比例檢測熔深是否符合要求，與桁架弦桿腹板的焊縫采用部分熔透焊。B 區鋼屋蓋典型節點見圖6。

圖6 B區鋼屋蓋典型節點

2.4 基礎設計

本工程基礎形式根據安陽市建筑設計研究院有限公司提供的《安陽曹操高陵本體保護與展示工程巖土工程勘察報告》進行設計，場地內未見對工程不利的埋藏物及不良地質作用。由于B 區支撐柱柱底反力非常大，巖土工程勘察報告建議B 區采用樁基礎。為保護文物，樁基施工中盡量減少施工振動影響，采用人工挖孔樁，樁徑1 000 mm，樁長18 m，根據樁受力大小，采用不同的擴底做法，擴底直徑1 900 mm、2 900 mm。

A 區為鋼框架、C 區為混凝土框架，柱底反力在正常范圍，采用柱下獨立基礎形式，為增強基礎整體性，在地面附近加設基礎拉梁。

2.5 施工技術

為確保遺址本體安全，對B 區雙向正交大跨度鋼屋蓋進行高空累積滑移安裝（見圖7）。采用2 條軌道（軌道間距119 m）對重達近5 000 t 的鋼屋蓋進行同步滑移，同時對施工進行全過程監測，確保滑移同步和施工過程安全[3-5]。

圖7 B區鋼屋蓋現場滑移安裝施工圖片

3 結論

安陽曹操高陵本體保護與展示工程是文物保護與現代工程技術相結合的經典項目，根據建筑功能及文物保護要求，進行了3 個分區，并根據每個分區的具體情況進行結構設計。

1）A 區、C 區相對簡單，采用常規的鋼框架、混凝土框架結構體系，基礎采用獨立基礎，并在地面附近加設拉梁增強基礎整體性。

2）B 區跨度大，荷載大，且位于文物本體正上方，屋蓋采用正交正放鋼桁架結構，采用多種軟件進行比較分析，確保鋼結構受力安全。

3）為保護文物，減少施工振動影響，B 區基礎采用人工挖孔樁，承臺偏心設置盡最大可能降低對文物本體的擾動。