2017年中国极地中心计划在中国南极中山站加建蔬菜生产温室,温室的建设可以有效改善科研人员的工作与生活,具有重要的意义。新建建筑位于已有综合楼和宿舍楼之间,整体结构分为三层,首层架空,二层为蔬菜温室,平面呈等边梯形,一侧与宿舍楼相连,另一侧只伸至新建建筑的中部,不与宿舍楼相连,三层为联系两栋已有建筑的通廊。新建建筑结构整体长度10m,宽度最窄处2.3m,最宽处6.8m,结构最大高度约为8.4m。新建建筑的效果图见图1。

　　 南极大陆因其独特的地理位置和恶劣的气候条件,使得南极科考站的房屋建造具有以下特点:

　　 (1)可施工时间短。结构主体施工只能在短暂的夏季进行,复杂的气候条件进一步影响了可施工的时间,这使得南极房屋建设周期很长。例如中山站综合楼于2007年设计完成,2009年才施工完毕并投入使用,宿舍楼于2011年设计完成并于该年年底开始施工,2013年才施工完毕并投入使用。

　　 (2)运输与装卸难度大。每年施工用的结构材料均需要一次性从南极洲以外的地区运入,成本很高,很难补充,且无法替换。中山站没有码头,从船上向中山站的运输主要依靠直升飞机或冰上运输两种方式,直升飞机载重有限,夏季冰面运输又有一定的风险,因此建材的重量、尺寸都受到严格的限制,否则会造成物资无法卸货,从而影响整个房屋的建造。

　　 (3)施工效率低。因为运输成本高昂,现场施工人员与设备均不足,施工效率很低。

　　 (4)南极大陆气候条件恶劣。以中山站为例,南极中山站位于东南极大陆拉斯曼丘陵的维斯托登半岛上,其地理坐标为南纬69°22′24″、 东经76°22′40″,距离北京12 553.160 km,地处南极圈之内。 中山站地区年平均气温-9.5℃,夏季最高气温9.6℃,冬季最低气温-33.6 ℃,极端最低温度达-46.5 ℃;中山站地区受来自大陆冰盖的下降风影响,常年风向为东南偏东,8级以上大风天数达174 d,极大风速为50.2 m/s ^[1]。极大风速相当于15级强台风(三级飓风),破坏力巨大。

　　 这些条件的限制决定了南极建筑结构设计和施工具有如下特点:主体结构施工周期短,单个构件的重量和尺寸需控制,以便于运输与施工,尽量减少受气候影响大的施工工序,尽量采用装配式结构,建筑外形应有利于结构抗风,结构材料应具有足够的低温韧性。

　　 根据《南极科考站建筑设计导则(草案)》,笔者结合多年参与南极建筑工程结构设计的经验,总结结构设计应注意以下方面:

　　 (1)尽量提高结构构件的装配化率,减少现场的作业量,尽量减少现场混凝土浇筑、焊接工作。南极建筑宜优先采用钢结构,钢结构拼装连接节点主要采用螺栓连接,不宜采用现场焊接节点。主体钢结构应在国内预装配成功后,再装船运输至南极大陆,避免因为个别构件无法满足安装要求,造成整个工期延误。

　　 (2)尽量使用高强材料,减小结构构材料自重,尽量减少结构材料规格及结构施工工序,结构施工应尽量标准化、简单化。

　　 (3)主体结构钢材宜采用低温韧性良好的钢材(如Q345E级钢),当站区位于极低温的内陆环境下要注意钢材因低温导致的脆化,而在海岸区域则需要考虑耐候性能。

　　 (4)钢结构设计应加强整体抗侧向刚度,尤其是越冬期间考察队员生活或办公的用房,应避免因极端风速情况下结构产生过大水平变形或晃动。

　　 (5)因为南极大陆极端风荷载的存在,南极建筑多为单层建筑或二至三层的低层建筑。建筑物体形选择应有利于减小风阻,总图布置应避免产生过大的局部风速。在积雪可能堆积区域,除个别建筑因为使用功能要求无法架空外(例如车库),其余建筑首层均应采用架空处理,避免出现雪坝。当建筑物底部架空时,架空部分钢结构与上部钢结构需做冷热断桥处理,连接节点同时还要满足结构强度、刚度、耐久性要求,可参考采用耐低温的隔震橡胶支座。

　　 (6)南极建筑按所在场地分为两类,一类是沿海陆地区域,另一类是永久冰盖区域。中国南极长城站和中山站位于沿海陆地区域,长城站场地土主要为砂卵石层,中山站站区一般基岩裸露或基岩埋深较浅;昆仑站和泰山站位于内陆冰盖上。南极建筑应针对不同的场地条件选择合适的基础形式,首先宜优先采用预制独立基础,冰盖上建筑可采用预制钢靴基础,沿海非基岩裸露区域宜采用预制钢筋混凝土独立基础,基岩裸露区域可采用现浇钢筋混凝土礅式基础或微型钢管桩基础。其次要考虑在极端风荷载作用下,基础能抵抗柱底出现的上拔力。裸露基岩区域墩式基础应设置抗拔岩石锚筋,微型钢管桩应设置岩石锚杆;独立基础的自重及覆土重量应能抵抗上拔力,当不满足时应调整结构设计。

　　 (7)当内部房间采用标准集装箱单元组装时,钢结构的设计要便于主体钢结构、集装箱单元以及外围护结构的流水安装。当建筑楼板采用钢筋混凝土楼板时,楼板宜优先选用预制楼板,预制板与钢结构应有方便施工的可靠连接,预制板的设计和选用要考虑能适应海上运输的恶劣天气影响,预制楼板宜选用小跨度、标准化板,板要双面配筋,板厚不宜过小。

　　 (8)在南极地区,尤其是越冬期间,气候恶劣且缺乏专业的维修人员,围护结构出现问题会造成越冬人员人身安全受到威胁,所以要加强围护结构安全。设计时应增加安全储备,当采用夹芯彩钢板材时,要控制檩条、墙梁间距,加强板材与檩条、墙梁的连接。

　　 根据南极建筑的特点,连廊主体结构方案的确定应根据以下原则:1)主体结构采用钢结构,目前来看上部结构采用钢结构的形式,是非常符合南极建筑工程的特点的;2)尽量减小单根构件的结构尺寸,避免因为单根结构构件重量过大,造成从船上向南极中山站运输难度增大,同时尽量减小整体结构的总重量;3)楼板、屋面板和墙板尽量采用轻质的装配式构件,例如玻璃幕墙、玻璃楼板等,便于运输和施工;4)尽可能减少混凝土的浇筑量。

　　 根据上述原则对可行的结构方案进行比选,主要的结构方案有以下两种:1)连廊结构采用与原结构完全脱开的钢结构框架体系(方案一),见图2;2)连廊结构完全支承在两侧原有建筑结构上,做成空中的联系走廊(方案二),见图3。根据南极建筑建造的特点,对两种方案进行分析比较。

　　 在原有建筑旁边新建建筑,一般采取完全独立的结构体系比较适宜。独立结构自身受力分析明确,传力途径直接,并且对原有结构的影响小。但是在南极地区采用此方案存在以下两个问题:1)新增钢柱的基础,存在岩石锚杆施工,钢筋绑扎,钢柱锚栓预埋,混凝土浇筑、养护等多道施工工序。多道工序造成基础施工的湿作业较多,材料自重较重,施工工序多,周期长,与南极建筑建造的特点不符;2)南极气候恶劣,风荷载很大,新增钢结构在单方向为单跨框架结构,自身若要保证风荷载下的侧向刚度,需设置支撑,这样不仅影响建筑效果,且自身抗侧力刚度偏小,为满足风荷载作用下结构的刚度要求,框架柱和支撑的截面势必要增大;南极气温低,架空层钢结构需与上部钢结构设置断桥节点,节点处理复杂。综合考虑,连廊采用与原结构完全脱开的钢结构框架体系不符合南极建筑建造的特点。

　　 不落柱的空中连廊方案与独立结构体系对比,主要是没有了新增柱和新增基础。没有了基础施工,不仅可以减少运输钢筋、水泥等建筑材料,降低成本,同时也减少了主体施工的工序和工期,可以有效保障主体结构的顺利完成。不再增设立柱且新增结构与原结构连为整体,使得建筑外围护结构施工更为便利和可靠,无需进行冷热断桥处理。因此此方案可以很好地符合南极建筑建造的特点。考虑原有建筑地基为裸露的基岩,地基承载力有很大富裕,而新建结构整体跨度为10m,中间不设置立柱,将新建结构完全支承在已有建筑的结构上,是完全可行的,而新增结构利用两侧多跨框架的原有结构作为主要抗侧力构件,对于抵抗风荷载也是比较有利的。

　　 空中连廊方案需要解决的问题有以下两点:1)连廊荷载最终传递到原有建筑的主体结构上,原主体结构构件可能需要进行加固改造,才能满足使用要求,尽量减少原有构件的加固量,同时避免对基础进行加固;2)三层连廊底板水平钢梁因为跨度较大,下部蔬菜温室的吊柱连接在此构件跨中,钢梁承受的竖向荷载较大,造成单根构件的尺寸较大,重量较大。设计中将新增结构钢梁尽量与原有结构的框架柱连接,使得传力更加直接,从而避免过多的结构加固。同时利用玻璃幕墙竖向龙骨和屋顶及楼板处的水平龙骨作为主体结构的一部分,使得三层连廊顶层和底层钢结构可以形成竖向和水平向的空间空腹桁架受力体系,此做法不仅可以提供较大的竖向刚度,同时可以提供较大的水平向刚度,对于连廊自身在风荷载下的变形控制有很大好处。空腹桁架同时也减少了单根水平横梁的尺寸,减少了单根构件的重量,便于结构构件的运输。

　　 为了减小结构自重,围护结构均采用自重较轻的玻璃幕墙、玻璃楼板或轻质楼板。为了合理地确定结构尺寸,既保证结构的安全,又避免荷载取值过于保守,造成结构尺寸过大,因此确定风荷载是南极建筑结构合理设计的前提条件。

　　 根据南极建筑结构设计及施工的特点确定了结构方案后,为了准确计算结构受力,应明确结构的风荷载中基本风压的取值,使得结构设计即安全又合理。对南极建筑结构设计而言,通常是风荷载起控制作用,因此获得项目所在地准确的气象资料非常重要。在已有科考站新建和改建时,一般都已有多年的观测数据,可以根据风速观测资料按规范换算出基本风压;当新建站点风速观测数据不足时,应结合周边气象站资料作合理性订正。

　　 风荷载的基准压力,一般按当地空旷平坦地面上10m高度处10min平均的风速观测数据,经概率统计得出50年一遇最大值确定的风速,再考虑相应的空气密度,按贝努利公式确定风压。

　　 本工程设计时并没有拿到完整的气象资料。中山站基本风压按以下条件进行推算:基本风速v₀=45m/s(设计任务书中提供的中山站离地10m高度处10min平均风速的最大值),冬季最低气温t=-46.5℃,没有气压和水汽压数值观测值,考虑到中山站海拔高度约为10m,且站点临近海洋,空气湿润,不考虑气压的影响,将其计算值取为1.0,基本风压的计算结果应偏于安全。

　　 根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012) ^[2]式(E.2.4-2)计算可知:

　　 $\begin{array}{l}\rho =\frac{0.001276}{1+0.00366t}\times \frac{p-0.378p{}_{\text{v}\text{a}\text{p}}}{100000}\\ =0.001538\text{t}/\text{m}{}^3\end{array}$

　　 根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012) ^[2]式(E.2.4-1)计算可知:

　　 $\begin{array}{l}\omega {}_0=\frac{1}{2}\rho v{}_0^2\\ =1.56\text{k}\text{Ν}/\text{m}{}^2\end{array}$

　　 参考之前设计的中山站综合楼和宿舍楼结构设计图纸中结构设计总说明,基本风压取值为1.6kN/m²,且通过已有建筑物多年的使用验证,并没有出现异常情况,因此设计中基本风压取值为1.6kN/m²可以保证结构安全,且具有一定的合理性。

　　 采用盈建科建筑结构计算软件(YJK-S1.7.1)对结构进行整体分析。整体模型及连廊部位局部详细模型见图4,5。

　　 结构主要构件尺寸为:X向(长向)水平钢梁截面为工字形,截面尺寸为H400×200×18×20,水平钢梁与原结构的连接均采用铰接节点;Y向(短向)水平钢梁截面为箱形,尺寸为□200×100×8×8;竖向钢拉杆为□180×80×8×8。钢材均采用Q345E级钢。

　　 连廊结构初步计算结果显示,新增结构的重力荷载下变形和应力比均能满足现行规范要求,风荷载作用下变形略大,新增结构对原主体结构边跨有影响,需要进行局部加固。主要加固措施包括:综合楼在边跨利用楼梯间室外裸露的钢框架结构,增设支撑,提高边跨刚度,减小连廊在风荷载作用下的变形。宿舍楼端部四根钢框架柱,中间两根钢柱未伸至顶层,顶层Y向钢梁跨度13.6m,无法承受连廊水平钢梁传递的荷载,将中间框架柱延伸至顶层。采取加固措施后,最终计算分析结果为:风荷载作用下,连廊部位X,Y向位移角分别为1/798和1/417,连廊在重力荷载下整体挠度与跨度的比值为1/416,新增结构和原结构构件最大应力比为0.76,均满足现行规范的要求。

　　 原结构基础核算:在Y向风荷载作用下,仅考虑恒荷载压重,宿舍楼所有框架柱柱底均不存在上拔力,综合楼有两根框架柱下部存在上拔力。原结构均建在中山站的裸露基岩上,基岩均为中风化细粒花岗岩,原基础均设置有岩石锚杆,经计算可知原结构基础可以满足要求。

　　 为了减少现场焊接工作,南极建筑项目所有复杂的连接节点均可在工厂焊接完成,然后采用杆件的全螺栓拼接节点完成安装,从而可以避免现场大量的焊接工作,提高工作效率,减少现场施工工期。我国昆仑站主体结构就是采用的现场全螺栓连接设计的,取得了很好的效果。但是由于本工程是加建项目,水平钢梁要在已有结构上就位,可能存在偏差,需要进行现场调整,由此可能造成预先焊接的节点杆件在空间上很难保证对位整齐,也无法在内地采用预拼装方式保证结构的安装满足现场要求。因此立杆和Y向水平杆件与X向水平钢梁的连接,还是大量采用了现场焊接的工艺,以便于现场的误差调整。

　　 本工程所有结构构件均安装在原有的结构上,由于原有结构存在施工误差、结构变形等不确定因素,设计的结构尺寸可能在实际安装中存在偏差,为了确保钢结构的顺利安装,钢结构深化设计及实际施工中采取的措施为钢梁一端正常加工,另一端预留50mm,现场根据实际尺寸机械切割钻孔加工,确保主体结构可以顺利施工完成。在实际施工过程中,连廊主体结构已经施工完毕。

　　 南极大陆的地理位置和气候条件决定了其材料运输困难、费用高、可施工时间短、风荷载大,因此在其上进行房屋建造,应充分考虑这些特点。结构的设计方案应能够适应上述特点的要求,整个结构设计在满足结构安全的前提下,要有较短的施工周期,这样运输和施工总体费用较为经济。本工程的结构方案减少了施工工序,缩短了施工周期,避免了大型构件,减小了结构自重,增加了水平刚度利于抗风。这些设计均是根据南极建筑的建造特点进行深入分析确定的,根据现场施工的情况,取得了很好的效果。因此,南极建筑结构设计应充分考虑其特点,以满足经济、安全的要求。