大跨空間結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新與實踐

王東將 邢桂久 劉倩

（中國建筑第七工程局有限公司，河南鄭州 450000）

大跨空間結(jié)構(gòu)在建筑中應(yīng)用所展現(xiàn)的優(yōu)勢與造型魅力，是其他類型建筑結(jié)構(gòu)無法代替的，在深入建筑行業(yè)建設(shè)工程項目的研究中發(fā)現(xiàn)，市場內(nèi)大部分大型公共建筑都是參照大跨空間結(jié)構(gòu)開發(fā)設(shè)計的[1]。隨著現(xiàn)代化建筑設(shè)計技術(shù)的不斷優(yōu)化，多種以此為基礎(chǔ)的建筑成了市場內(nèi)的標志性建筑[2]。此類建筑具有造型獨特、外觀優(yōu)美，但整體外形不規(guī)則的特點，因此，在此類建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要從多個角度，全面考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性[3]。為進一步實現(xiàn)對此項工作的創(chuàng)新與優(yōu)化，本文將以某大跨空間結(jié)構(gòu)為支撐的建筑項目為例，展開深入的探討與研究。

1 工程概況

本次研究的大跨空間結(jié)構(gòu)建筑項目為某地區(qū)的大型公共娛樂建筑，此建筑依附環(huán)境中的深基坑建設(shè)，基坑整體呈現(xiàn)“U”型開口[4]。其中，自由邊界最大橫跨長度可以達到200m以上，預(yù)期此項目建成后，地上建筑的最大高度約為37m，建筑總面積可以達到120570m2。此建筑建成后將成為該地區(qū)的地標性建筑，為社會群體生活、娛樂、休閑、購物提供一個一體化的空間場所。設(shè)計項目的深基坑現(xiàn)狀見圖1。

圖1 項目所在地深基坑現(xiàn)狀

通過與工程方設(shè)計師的交涉，繪制此項目建成后的預(yù)期效果圖與三維結(jié)構(gòu)模型圖，見圖2。

圖2 項目建成后的預(yù)期效果圖與三維結(jié)構(gòu)模型圖

為滿足項目建成后具有更加良好的視覺效果需求，此建筑預(yù)設(shè)采用自由流線造型設(shè)計，整體結(jié)構(gòu)由上、下兩個主要部分構(gòu)成（見圖2中的右側(cè)三維結(jié)構(gòu)模型），建筑上部結(jié)構(gòu)屬于一個具有大跨特征的空間鋼殼網(wǎng)，下部結(jié)構(gòu)為一個直徑約為70m的開洞平板，由平板承載建筑的全部荷載。考慮到建筑上部結(jié)構(gòu)具有外形不規(guī)則的特點，因此，在下部開洞平板受到由上部結(jié)構(gòu)傳遞的荷載，存在分布不均的特點，為實現(xiàn)對此建筑空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的全面優(yōu)化，下述將開展與此方面相關(guān)的進一步設(shè)計研究。

2 大跨空間結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新

2.1 大跨空間結(jié)構(gòu)體系設(shè)計

大跨空間結(jié)構(gòu)憑借其在空間上的優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)類型和形式更加豐富，當(dāng)前大跨空間結(jié)構(gòu)體系包括雜交、張拉整體、張弦等多種類型[5]。從其空間結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，將現(xiàn)有大跨空間結(jié)構(gòu)體系劃分為四大類，分別為空間網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)、張拉整體結(jié)構(gòu)和雜交組合結(jié)構(gòu)。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，根據(jù)其不同需要，可針對性選擇上述四種體系結(jié)構(gòu)中的一種[6]。在組成結(jié)構(gòu)體系時，需要按照一定的規(guī)律對桿件、構(gòu)件等各個節(jié)點進行連接，并形成一個完整的空間結(jié)構(gòu)。同時，在結(jié)構(gòu)體系設(shè)計時，需要確定結(jié)構(gòu)初始設(shè)計域，其相關(guān)體積可用下述公式表示：

式中，V0為大跨空間初始設(shè)計域的結(jié)構(gòu)體積；C0為大跨空間初始設(shè)計結(jié)構(gòu)總應(yīng)變能；C為大跨空間結(jié)構(gòu)的極限應(yīng)變能。

在對其設(shè)計域進行迭代優(yōu)化的過程中，假設(shè)在某一次迭代i中結(jié)構(gòu)相關(guān)體積可用下述公式表示：

式中，Vi為第i次迭代時大跨空間結(jié)構(gòu)體系的總體積；Ci為第i次迭代時大跨空間結(jié)構(gòu)的總應(yīng)變能。在結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計時，可結(jié)合性能指標對其結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計效率進行評價。同時，利用性能指標也可更直觀反映出體系的設(shè)計域體積與應(yīng)變能之間的關(guān)系[7]。性能指標為無量綱量，并且隨著迭代次數(shù)的不斷增加，利用性能指標評價結(jié)果可以更明確需要刪除的體系結(jié)構(gòu)，以此改變原有大跨空間結(jié)構(gòu)的拓撲形態(tài)。

2.2 大跨空間結(jié)構(gòu)材料優(yōu)選

當(dāng)前傳統(tǒng)大跨空間結(jié)構(gòu)常使用的材料包括鋼材、混凝土等，隨著新材料的不斷創(chuàng)新和推廣，高強鋼拉索、鋁合金等材料在大跨空間結(jié)構(gòu)上也十分常見。其中，鋁合金材料具備自重輕、耐腐蝕性強的優(yōu)勢，通常被應(yīng)用于游泳館等水蒸氣含量較高的建筑空間當(dāng)中。同時，在大跨空間結(jié)構(gòu)設(shè)計時，若采用這一類型材料，則能夠?qū)臻g中產(chǎn)生的水蒸氣侵蝕進行更好抵御，以此也能夠進一步降低后期建筑在運營時產(chǎn)生的維修費用，從經(jīng)濟角度上也具備更大優(yōu)勢[8]。木材是一種可再生材料，同時具備環(huán)保、節(jié)能和造型美觀的優(yōu)勢，在大跨空間結(jié)構(gòu)當(dāng)中也十分常見。在部分建筑當(dāng)中，采用了將木構(gòu)件直接作為支撐結(jié)構(gòu)的方式，將其內(nèi)部結(jié)構(gòu)外露，并不對其進行吊頂裝飾設(shè)計，以此能夠充分展現(xiàn)出木結(jié)構(gòu)的親和力，為人們帶來更溫馨的感受。在具體對結(jié)構(gòu)材料進行選擇時，還需要具備更可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。在對大跨空間結(jié)構(gòu)材料進行選擇時，需要考慮到相同屬性材料之間的二維平面問題，結(jié)合VonMises應(yīng)力定義，得到下述計算公式：

式中σ為同屬性材料的正應(yīng)力；σx為材料在橫向上的正應(yīng)力；σy為材料在縱向上的正應(yīng)力；t為材料剪應(yīng)力。

根據(jù)上述計算公式，結(jié)合結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力約束條件，確定結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化模型為：式中A為優(yōu)化結(jié)果；β1，β2，…，n均為結(jié)構(gòu)材料設(shè)計變量，其取值為0或1。

定義足夠大的結(jié)構(gòu)初始設(shè)計區(qū)域，將設(shè)計區(qū)域離散為有限元網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并確定施加荷載以及相應(yīng)的邊界條件，對初始設(shè)置的參數(shù)數(shù)值進行刪除并重新賦值。再對結(jié)構(gòu)進行有限元計算分析，得出各個結(jié)構(gòu)每個單元的應(yīng)力數(shù)值，在對結(jié)構(gòu)的材料進行選擇時，將其對應(yīng)的應(yīng)力數(shù)值代入到上述優(yōu)化模型當(dāng)中，在確保得出的結(jié)果為最優(yōu)解后，確定該材料即為最適合的材料。

2.3 大跨空間穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)找形

為提高大跨空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對其進行穩(wěn)定性找形設(shè)計。在找形過程中，確定力傳導(dǎo)的最佳幾何結(jié)構(gòu)。在遵循用最少材料實現(xiàn)最大功能結(jié)構(gòu)的原則下，確保使用的材料能夠充分發(fā)揮其力學(xué)性能。材料的力學(xué)效率可通過其力流優(yōu)化的方式實現(xiàn)。通常情況下，針對結(jié)構(gòu)較為簡單的體系而言，在找形設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)盡可能避免受到彎矩作用的影響，結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身應(yīng)當(dāng)能夠承受住來自建筑的拉力和壓力。針對上述需要，采用動力松弛法實現(xiàn)找形設(shè)計，將結(jié)構(gòu)的合理受力作為找形的優(yōu)化目標，針對空間結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)與內(nèi)力分布關(guān)系，從而尋找更加合理且有效的結(jié)構(gòu)形態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)。

對于面內(nèi)以受壓為主的大跨空間結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性十分關(guān)鍵，一旦出現(xiàn)失穩(wěn)情況，則會造成結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大范圍的凹陷或凸起，進而使得結(jié)構(gòu)表面平整度降低，影響結(jié)構(gòu)的外觀，同時，對于建筑結(jié)構(gòu)的安全性也會造成極大影響。因此，在大跨空間結(jié)構(gòu)找形時，需要將穩(wěn)定性作為重要前提。找形時，應(yīng)當(dāng)結(jié)合下述公式，將其作為結(jié)構(gòu)承載力的約束條件，設(shè)計出符合穩(wěn)定性要求的結(jié)構(gòu)：

式中Nmin為大跨空間結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具備的最小承載力；f為結(jié)構(gòu)抗壓強度；δ為結(jié)構(gòu)換算面積；δk為結(jié)構(gòu)受壓面積；δkk為結(jié)構(gòu)核心截面面積。

3 實踐應(yīng)用案例分析

為確保設(shè)計的大跨空間結(jié)構(gòu)建筑滿足或符合其實際運營管理需求，應(yīng)在設(shè)計前，對建筑的設(shè)計條件與業(yè)主方提出的設(shè)計要求進行集中整理。相關(guān)內(nèi)容見表1。

表1中的相關(guān)數(shù)值均由《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）中記錄的數(shù)據(jù)獲取。

設(shè)計時考慮到建筑樓面的荷載分布呈現(xiàn)不均勻狀態(tài)，空間結(jié)構(gòu)屋頂中間位置呈現(xiàn)漏斗狀下凹椎體，因此，需要全面考慮建筑不同位置的荷載分布情況，具體內(nèi)容見表2。

表1 大跨空間結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計條件

表2 大跨空間建筑下部結(jié)構(gòu)荷載分布

表2中的X、Y、Z對應(yīng)此建筑在橫向、豎向與縱向方向上受到的恒載作用力，表2中對應(yīng)的①～⑦區(qū)域見圖3。

圖3 大跨空間建筑下部結(jié)構(gòu)荷載分布對照區(qū)域

按照上述方式，完成對大跨空間結(jié)構(gòu)建筑的綜合受力分析，在此基礎(chǔ)上，按照本文設(shè)計的步驟，進行建筑結(jié)構(gòu)的計。完成設(shè)計后，在①～⑦區(qū)域中隨機選擇測試點，檢測承載力。對比檢測結(jié)果與設(shè)計承載力數(shù)值，分析按照本文設(shè)計方法進行大跨空間結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計，是否能確保建筑結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計需求。整理測試結(jié)果見表3。

表3 大跨空間結(jié)構(gòu)建筑測點承載力檢測結(jié)果與設(shè)計承載力對比結(jié)果

根據(jù)表3所示的實驗結(jié)果可以看出，測點承載力檢測結(jié)果＞設(shè)計承載力，說明設(shè)計的大跨空間結(jié)構(gòu)建筑整體結(jié)構(gòu)承載力符合設(shè)計需求，即結(jié)構(gòu)整體具有足夠的安全性與穩(wěn)定性。總而言之，按照上文提出的方法進行大跨空間結(jié)構(gòu)建筑的創(chuàng)新設(shè)計，可以在滿足外觀美化、造型獨特的基礎(chǔ)上，提高建筑結(jié)構(gòu)的承載力，確保設(shè)計的建筑在投入使用后具有較高的可靠性。

4 結(jié)語

通過本文此次的研究，明確了大跨空間結(jié)構(gòu)建筑在我國未來建筑行業(yè)具有發(fā)展勢頭較猛的趨勢，在這一背景下，多元化形式的建筑結(jié)構(gòu)空間、全新的建筑結(jié)構(gòu)體系、現(xiàn)代化建筑工程設(shè)計材料、高新技術(shù)開始涌現(xiàn)。目前，中國在相關(guān)大跨空間結(jié)構(gòu)建筑方面的研究已經(jīng)位于世界前列，但相關(guān)此方面的創(chuàng)新性成果仍存在缺陷。因此，在后續(xù)的研究中，還應(yīng)進行此方面研究成果的進一步深化，通過此種方式，進一步實現(xiàn)對大跨空間結(jié)構(gòu)建筑研究的深化，為我國建筑與相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展提供全面的指導(dǎo)與幫助。