漂流瓶公共藝術品結構設計分析

王書偉

[1.上海外服（集團）有限公司,上海 200040；2.尤艾普（上海）藝術設計咨詢有限公司,上海 200040]

0 引言

隨著現代社會經濟水平的發展，人們的生活水平不斷提升，生活質量也得到了顯著提高，人們對生活水平的要求變得越來越高，所以城市發展過程中加強生活環境的改善以及整體形象的提升才能保證其更加符合人們的居住需求。公共藝術作為我國文化建設過程中形成的一種新型藝術，其在社會發展中的應用對改善城市整體面貌、提升城市活力以及凸顯城市個性文化有著重要作用。現在越來越多的公共藝術品出現在大眾的視野里，公共藝術品結構的復雜性引起了諸多學者的注意，他們結合具體工程實際開展了有針對性的研究[1-6]。

1 公共藝術品

公共藝術品具有在城市中以人的交往需求為核心而展開的對空間的體驗、對審美的獲取、包括對形態、意象的親歷和審美活動之意。無論在東方還是在西方，歷史學家在描述古代藝術的時候，往往是公共空間的藝術，藝術在公共空間中形成各異藝術語言，他們互相聯系又互相區別，共同形成時代的物化標志。公共藝術品主要由三部分組成，第一部分是藝術品內在價值，第二部分是支撐藝術品的骨架，第三部分是藝術品與主體結構的連接方式。

2 設計參數

公共藝術品設計參數包括三大部分，第一部分為結構重要性系數γo；第二部分為荷載的分類和參數的選取；第三部分為荷載的組合。

第一部分結構重要性系數γo，公共藝術品結構重要性系數γo的取值同其它結構重要性系數取值一樣，首先根據結構破壞可能產生后果的嚴重性采用不同的安全等級，安全等級劃分為三個等級：一級破壞后果很嚴重；二級破壞后果嚴重；三級破壞后果不嚴重。其次根據工程的使用功能、建造和使用維護成本及環境影響等因素規定設計工作年限將安全等級劃分為三個等級：一級臨時性建筑結構，設計工作年限5 年；二級普通房屋和構筑物，設計工作年限50 年；三級特別重要的建筑結構，設計工作年限100 年。結構重要性系數根據安全等級，一級1.1；二級1.0；三級0.9，對偶然設計狀況和地震設計狀況下的重要性系數取1.0[7]。

第二部分為荷載的分類和參數的選取，公共藝術品樣式千變萬化，不像普通建筑那樣規規矩矩，荷載參數取值可以直接套用現有規范條文。現在的公共藝術品沒有專業的規范和條文來直接解釋相關參數的取值，因此對于公共藝術品荷載參數的取值成了一道難題，但是公共藝術品的荷載同樣是按照建筑結構荷載規范荷載給分為了三大類。

第一類為永久荷載，包括結構自重、土壓力、預應力等。公共藝術品的永久荷載大部分只包括結構自重和預應力等[8]。公共藝術品材料多種多樣，其中以不銹鋼，銅，鋁，玻璃鋼作為結構表皮居多，預應力基本上只有鋼索和膜結構材料才需要添加預應力荷載，只有添加了預應力結構本身才能發揮材料的結構性能。根據《工程結構通用規范》3.1.13 條分項系數的取值：1、永久作用：當對結構不利時，不應小于1.3；當對結構有利時，不應大于1.2、預應力：當對結構不利時，不應小于1.3；當對結構有利時，不應大于1.0[9]。

第二類為可變荷載，包括樓面活荷載、屋面活荷載和積灰荷載、吊車荷載、風荷載、雪荷載、溫度作用等。

公共藝術品的可變荷載大部分只包括結構樓面活荷載、屋面活荷載、風荷載、雪荷載、溫度作用等。現在公共藝術品有一部分是建造在大型公共建筑的樓面和屋面，其目的是以吸引顧客為主，為了公共建筑的安全考慮，設計公共藝術品就必須考慮樓面活荷載和屋面活荷載，公共建筑的樓面活荷載取值范圍一般在2～12KN/m2,公共建筑的屋面活荷載取值范圍一般在2～3KN/m2，公共建筑在考慮內部公共藝術品時，需要考慮每種工況下藝術品產生的荷載，在計算公共建筑結構添加活荷載時需要同時考慮上公共藝術品產生的荷載。以保證在增加公共藝術品后公共建筑的結構安全。其次設計樓面和屋面公共藝術品時，藝術品的定位最好考慮在結構柱的位置，以免因公共藝術品自身重量過大，對結構樓板產生過大的變形形成裂縫。

公共藝術品結構設計中風荷載是最重要的控制荷載，風荷載計算：計算主要受力結構和維護結構兩種，公共藝術品主要以計算主要受力結構為主。根據《建筑結構荷載規范》GB500092012 式（8.1.1）

式中：wk—風荷載標準值（kN/m2），βz—高度z 處的風振系數，μs—風載體型系數，μz—風壓高度變化系數，wo—基本風壓（kN/m2），具體參數取值參照規范確定。

公共藝術品風荷載標準值計算中風振系數參數的取值對于風荷載標準值計算準確性尤為重要，根據《建筑結構荷載規范》8.4.3 條對于一般豎向懸臂型結構，例如高層建筑和構架、塔架、煙囪等高聳結構，均可僅考慮結構第一振型的影響，結構的順風向風荷載可按公式（8.1.1-1）計算。Z高度處的風振系數βz可按下式計算：

式中：g—峰值因子，可取2.5；I10～ 10m 高度名義湍流強度，對應A、B、C 和D 類地面粗糙度，可分別取0.12、0.14、0.23 和0.39；R—脈動風荷載的共振分量因子；Bz—脈動風荷載的背景分量因子，具體參數取值參照規范確定。

《建筑結構荷載規范》8.4.2 條對于風敏感的或跨度大于36m 的柔性屋蓋結構，應考慮風壓脈動對結構產生的風振的影響。屋蓋結構的風振響應，宜依據風洞試驗結果按隨機振動理論計算確定。根據《建筑結構荷載規范》上述敘述對于一般豎向懸臂型結構可采用8.4.3 公式計算，對于風敏感的或跨度大于36m 的柔性屋蓋結構宜依據風洞試驗結果取值。其次對于山區的公共藝術品風壓高度變化系數的取值應考慮地形條件的修正，修正系數η具體參照《建筑結構荷載規范》8.2.2條計算確定。風載體型系數；基本風壓具體參數的取值參照規范確定。公共藝術品的風荷載組合值系數、頻遇值系數和準永久值系數可分別取0.6、0.4、和 0.0。

第三類為偶然荷載，包括炮炸力，撞擊力等。作用于公共藝術品結構的第三類荷載比較少，基本可以忽略不計。

公共藝術品結構荷載組合基本只考慮兩種組合，一種計算承載力極限狀態采用的基本組合，另一種計算變形和裂縫采用的標準組合。具體計算詳見《建筑結構可靠性設計統一標準》8.2.4～8.2.5 條。

3 結構設計

公共藝術品結構設計和一般建筑結構；大跨度空間結構結構設計如出一轍，首先設計承載建筑結構的主體結構，其次再設計承載建筑結構的次要結構。藝術品結構設計主要包括三大部分：主體結構設計；表皮結構設計；連接節點設計。

3.1 主體結構設計

公共藝術品主體結構設計主要包括結構概念設計；截面和材料的選擇；荷載參數的取值；荷載組合定義等。具體以蘇州仁恒倉街項目漂流瓶公共藝術品為例，漂流瓶由14 片不同方案元素的不銹鋼表皮組成，藝術品內部燈光折射出精美的光影圖案，活躍著場地間的夜間氛圍（如圖1所示）。

圖1 工程效果圖

漂流瓶公共藝術品地處蘇州古城，位于蘇州市姑蘇區，場地設防烈度7 度，設計基本地震加速度0.1g，設計地震分組第一組。漂流瓶公共藝術品建筑高度7m，中間部位最大直徑4.6m。結構設計工作年限50 年，結構重要性系數根據《建筑結構可靠性設計統一標準》二級安全等級取1.0。漂流瓶半徑2Km 范圍內建筑物的平均高度大于9m 小于18m，根據地面粗糙度類別劃分為C 類。漂流瓶公共藝術品根據前期藝術家提供的結構截面，豎向龍骨和環形龍骨均采用寬50mm×6mm 的S30408不銹鋼鋼板組成，為了完美地復制藝術品的效果，漂流瓶藝術品結構采用原來藝術家提供的結構截面，經過結構復核藝術家提供的藝術品結構截面，遠遠不能滿足現有場地藝術品結構截面，經過與藝術家溝通，才知道原來藝術家提供的藝術品是室內藝術品不是室外藝術品。后經與工廠和藝術家的雙面溝通及以往藝術品安裝經驗，藝術品結構還是采用原有結構形式，藝術品安裝采用每片藝術品形成一個結構總體，豎向和底部全部采用不銹鋼螺栓連接形式。結構截面考慮了是室外藝術品結構受力比較大，螺栓一般采用在16～20mm 之間，螺栓孔中心至構件邊緣距離垂直內力方向最小容許間距在1.5do，結構材質考慮了后期維護成本，決定采用S30408 不銹鋼以減少后期因材料生銹產生的維護費用。結構截面初步采用寬65mm×16mm不銹鋼鋼板，漂流瓶公共藝術品因獨特的造型，結構荷載只考慮恒載；風載和地震荷載。恒載為2mm S30408 不銹鋼表皮，表皮重量為0.16KN/m2,風載根據《建筑結構荷載規范》GB500092012 式（8.1.1）計算，風載計算中風振系數的取值對于風荷載標準值計算準確性尤為重要，根據《建筑結構荷載規范》GB500092012 式（8.4.3）。

其中要計算R-脈動風荷載的共振分量因子；Bz-脈動風荷載的背景分量因子。Bz計算需要先計算ρx-脈動風荷載水平方向相關系數；ρz-脈動風荷載豎直方向相關系數。

《建筑結構荷載規范》GB500092012 式（8.4.5）代入參數ρx；ρz

計算R-脈動風荷載的共振分量因子首先需要計算

根據《建筑結構荷載規范》GB500092012 式（8.4.4-1）代入參數

根據《建筑結構荷載規范》GB500092012 式（8.4.3）代入參數R 和Bz

根據《建筑結構荷載規范》表8.3.1 項次37（b）整體計算時的體型系數取μs=0.73

μz根據《建筑結構荷載規范》表8.2.1 μz=0.65

地震荷載根據《建筑抗震設計規范》5.1.1-1 條，一般情況下，應至少在建筑結構的兩個主軸方向分別計算地震作用[10]。荷載組合應考慮承載能力極限狀態組合和正常使用極限狀態標準組合，分別用于計算結構的強度和剛度，其中承載能力極限狀態基本組合：組合1：1.3 恒+1.5 風；組合2：1.3 恒+1.4 水平地震；組合3：1.0 恒+1.5 風；組合4：1.0 恒+1.4 水平地震；正常使用極限狀態標準組合：組合5：1.0 恒+1.0 風。主體結構考慮到結構是個豎向懸臂型結構，為了減少結構的頂點位移，結構柱腳決定采用剛接柱腳。根據正常使用極限狀態標準組合結構頂部最大位移為23.224mm＜7000/250=28mm，滿足《鋼結構設計標準》表B.2.2規范要求[11]（如圖2 所示）。

圖2 主體結構正常使用極限狀態標準組合結構頂部位移圖

不銹鋼龍骨經過非線性分析驗算，漂流瓶不銹鋼結構在承載能力極限狀態組合下，鋼結構的最大應力比為0.675＜1 滿足《鋼結構設計標準》要求（如圖3 所示）。

圖3 豎向龍骨極限承載力狀態下應力分布圖

3.2 表皮結構設計

公共藝術品表皮作為結構的重要組成部分，表皮安全至關重要。漂流瓶由14 片相同尺寸的2mm S30408 不銹鋼表皮組成，每片藝術品表皮與豎向龍骨和環向龍骨采用焊接連接，每片表皮形成一個單一的結構體。藝術品表皮結構復核可以只計算一片不銹鋼表皮在承載能力極限狀態組合下藝術品表皮結構應力和正常使用極限狀態標準組合藝術品表皮的結構位移。根據圖4漂流瓶標準片表皮在承載能力極限狀態組合1：1.3 恒+1.5 風；組合2：1.0 恒+1.5 風；結構的最大應力為0.315kN/m2＜178 kN/m2，滿足S30408 不銹鋼標表皮抗拉強度設計值，滿足《建筑幕墻工程技術規范》表3.2.7 規范要求[13]（如圖4 所示）。

圖4 藝術品表皮極限承載力狀態下應力分布圖

漂流瓶標準片表皮在正常使用極限狀態標準組合3：1.0 恒+1.0 風，結構最大位移為8.4mm＜822/90=9.13mm，滿足《建筑幕墻工程 技術規范》表10.1.6 規范要求[12]（如圖5 所示）。

圖5 藝術品表皮正常使用極限狀態標準組合下位移圖

3.3 連接節點設計

公共藝術品連接節點比較考究，不像鋼結構連接節點那樣比較隨意，節點設計上不僅要求節點要精致還要施工方便。對漂流瓶公共藝術品連接節點設計是個極大挑戰。

漂流瓶公共藝術品豎向和環向龍骨結構經計算采用寬65mm×16mm S30408 不銹鋼鋼板滿足設計要求，結構安裝每片藝術品形成一個結構總體，豎向和底部全部采用不銹鋼螺栓連接方式。這時豎向龍骨采用兩片寬65mm×8mm S30408 利用不銹鋼螺栓連接在一起，環向龍骨還是采用寬65mm×16mm S30408 不銹鋼鋼板。外表皮采用2mm S30408 不銹鋼表皮與豎向龍骨；頂部和底部環向龍骨焊接在一起，底部連接采用底部寬100mm×16mm 環向龍骨與柱腳頂寬140mm×16mm 環向連接板采用M16@140不銹鋼螺栓采用等強連接，具體連接方式（如圖6 所示）。

圖6 豎向龍骨與底部環向連接板連接節點

柱腳連接一般可采用兩種方法，一種是預埋，一種是后錨固。傳統的預埋方法容易給設計、施工帶來極大的不便，甚至不容易出差錯，致使影響設計、施工進度；而后錨固技術恰好為這一難題提供了簡便而又有效的解決方法。考慮了前期水池混凝土基礎需要，先施工和現場預埋錨栓施工的偏差影響柱腳底板的定位，決定采用特殊倒錐型化學錨栓施工，特殊倒錐型化學錨栓一方面通過化學粘結劑保證錨栓與混凝土體的粘結強度，另一方面又通過倒錐體與混凝土機械鎖鍵保證螺栓與混凝土體的連接強度，具有較好抗震性能。根據《混凝土結構加固設計規范》16.1.5 條當在抗震設防區承重結構中使用錨栓時，應采用后擴底錨栓或特殊倒錐形膠粘型錨栓，且僅允許用于設防烈度不高于8 度并建于Ⅰ、Ⅱ類場地的建筑物。經計算漂流瓶14 個柱腳每個柱腳采用4 個M16 特殊倒錐型化學錨栓滿足剛接柱腳連接要求。

4 總結

從公共藝術品的定義到結構設計，發現影響公共藝術品結構設計和安裝的三大要素，風振系數；體型系數和節點設計。風振系數和體型系數取值的大小直接影響藝術品的整個藝術品的效果及造價，其次節點設計的好壞直接影響施工安裝的進度，通過漂流瓶公共藝術品項目對從事公共藝術品結構設計者有一個淺顯的認識，以此促進公共藝術品行業健康有序地發展。