城奥大厦位于奥体南商务园(简称奥南)中央公园东北角的OS-10B地块,紧邻北京奥体中心区,项目地上总建筑面积约7万m²,建筑轮廓东西向宽87m,南北向长101m,效果图如图1所示。

　　 城奥大厦为地上建筑,在奥南地下公共空间项目范围内。奥南地下公共空间项目设计始于2011年,2014年完工,地下共3层,地下室顶板标高-2.0m。2015年年底奥南地下公共空间项目地上土地拍卖后于2016年委托原设计团队进行地上设计。奥南地下公共空间项目和地上项目(OS-10B地块)相对位置如图2所示。

　　 城奥大厦地上建筑高度95m,主体结构高度83.8m,地上19层,首层和2层层高5.0m,3层及以上层高均为4.5m。结构采用钢框架-混凝土核心筒结构体系 ^[1],框架柱为圆形截面柱,框架梁为焊接工字钢梁,楼板采用钢筋桁架楼承板铺设。混凝土核心筒布置在结构两端,兼作建筑交通核和设备竖向路由,核心筒内设置工字钢骨与钢梁连接。结构各层楼板中间开洞形成通高中庭,如图3所示。主体结构南侧设置12层通高边庭,边庭范围内由蛇形坡道连接地下2层～地上2层。

　　 工程结构设计基准期和使用年限为50年; 建筑结构安全等级为二级。建筑抗震设防类别为丙类 ^[2],抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度为0.2g,设计地震分组为第二组,建筑场地类别为Ⅲ类 ^[3]。

　　 建筑原方案为平屋顶,地上外框柱位置与地下柱位一一对应。新方案为了提高表现力,对建筑的形体和细部进行几何逻辑控制,通过简单多边形空间网格定位控制点,从而定义流线形曲面轮廓,形成曲面的圆坡屋顶,新方案建筑剖面如图4所示。利用轴线进一步控制建筑形体,地下既有轴网仍控制地上核心筒和内部框架柱定位,同时增加一组放射轴线定位外框柱,放射轴线交汇于一点,新方案外框柱底与地下柱位无法对应。如何解决新方案轴网和原方案轴网外框柱位调整是面临的首要问题。新旧轴网关系见图5。

　　 同时,为满足新方案建筑使用功能要求,需在地下已建成结构内新增设备夹层,将原室外-2.0m标高处楼板(图6阴影区域)拆除并降至-3.1m标高 ^[4],拆改剖面如图7所示。

　　 为保证外框柱连续传力,在-2.0m标高处楼板拆除时(图8),在-3.1m标高以上柱内加入型钢(图9),且采用“上大下小”梭形柱。并在首层和3层地面增加封闭环向钢骨混凝土梁(图10(a)),地上采用两层通高的V形柱(图10(b),(c)),其柱顶即为新轴网柱位,完成新旧方案两套轴网结构竖向构件的转换。完成柱网转换,新方案首层结构平面图如图11所示。

　　 3层以上外框柱因其向放射轴线倾斜,会在V形柱顶产生较大弯矩,且V形柱角度不固定,3层地面外框弧梁会产生较大的不平衡轴力。为抵抗V形柱弯矩作用,考虑在V形柱内灌注混凝土,形成劲性混凝土柱。并且,3层地面楼板根据楼板应力值配筋,采用双排双向配筋。

　　 结构各层楼板中间开洞,开洞面积逐层递减,形成通高中庭。根据《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014) ^[5],中庭应作为独立消防单元,顶部也应有钢屋盖。结构利用幕墙分隔,采用不规则球形网壳分别形成整体和中庭屋盖,两层网壳之间无杆件连接。因幕墙系统对屋盖竖向变形要求较高,将核心筒延伸至屋顶层,

　　 可作为屋盖支座,减小其跨度,屋盖最大跨度33m,见图12。

　　 根据新方案,在主体结构南侧,在1～12层顶板高度范围内形成通高边庭。原方案采用格构斜柱+弧形梁结构体系,如图13(a)所示,但格构柱位置与建筑幕墙分隔不对应,结构构件与建筑使用功能不协调。经过方案修改,利用幕墙分隔,幕墙立挺兼做结构柱,形成不连续的竖向构件,通过水平弧形宽扁环梁(或水平桁架)传递竖向力,环梁自6层及以下根据幕墙条件设置变截面方形弧梁,7层及以上改为水平桁架,环梁两端与主体结构铰接,如图13(b)所示。此方案竖向构件不连续,整体平面向主楼倾斜,受力不利,但能与建筑使用功能较好融合,经过方案比选,最后确定边庭结构采用不连续柱方案。边庭施工照片见图13(c)。

　　 在边庭范围内设置3段蛇形坡道,行人可从地下2层步行至地上2层,蛇形坡道效果图如图14所示。各坡道两端与主体结构铰接,为减小跨度,每隔约10m坡道与主体结构侧墙拉结。因地下部分已先行施工,坡道跨中支座需后植筋埋件,并对相应位置框架柱和剪力墙进行加固处理。坡道Ⅲ段可利用边庭幕墙柱(考虑幕墙柱参与结构计算)作为跨中支座,且在坡道跨中布置4道拉索,拉结于主楼框架柱4层地面标高。

　　 图15为结构标准层平面,采用SATWE V2.2和MIDAS Gen软件对主体结构进行小震弹性反应谱计算,整体结构计算模型见图16,计算结果见表1。由表1可以看出,两种软件主要计算指标基本一致,结构X,Y向楼层位移沿竖向无明显突变,结构周期比和层间位移角均能满足规范的限值要求。

　　 采用MIDAS Gen软件对双层屋盖建模,分别进行屋盖单独结构分析及屋盖与主体结构整体分析,取包络设计。屋盖网壳结构构件应力比如表2所示。由表2可以看出,包络工况下屋盖网壳结构构件最大应力比为0.776,满足规范要求。

　　 钢屋盖位移验算结果表明,恒载+活载工况下,外层屋盖、中庭屋盖竖向挠跨比分别为1/1 500,1/1 620,均满足规范要求和幕墙位移限值。

　　 根据《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010) ^[6]要求,单层网壳结构应进行稳定性计算。本文选取外层网壳作为研究对象建立模型,考虑几何非线性,采用MIDAS Gen软件进行屋盖结构屈曲分析 ^[7]。

　　 首先进行外层网壳结构线弹性稳定验算,得出其屈曲特征值为16.0,第一阶模态如图17所示。找出第一阶屈曲模态中屈曲向量最大的节点作为控制点,得到结构的初始缺陷,将初始缺陷添加到原有模型中,考虑结构几何非线性,经计算,屋盖结构屈曲分析荷载-位移曲线如图18所示,图中得到曲线最高点,即结构屈曲特征值为10.98,满足规范安全系数结构屈曲特征值K≥2.0要求。

　　 边庭结构由于竖向构件不连续,无法连续传递竖向力,且边庭自下而上逐渐收进(图19(a)),为保证边庭受力整体性和安全性,采用如下措施对边庭结构方案进行优化:1)6层及以下弧梁内,在上下层立柱腹板位置设置加劲肋,且每隔一定间距也设置肋板。7层及以上水平桁架在上下层立柱位置均设置方钢腹杆,且每隔一定间距设置相同腹杆(图19(b)虚线)。 2)在边庭跨中,立柱采用“隔一布一”的原则设置,在边庭两端与主体结构相接处,每道立挺均作为结构柱,加强竖向力传递。 3)从5层起每隔一层沿放射轴线布置4道水平支撑,减小边庭平面外计算长度,加强与主体结构的拉结。4)在边庭结构两侧的主体结构上,分别设置一榀竖向格构柱,以增强边庭结构的支座约束作用。

　　 边庭结构基本受力单元为梁(转换)柱结构体系,并在梁两端进行拉结与主体结构协同受力。竖向荷载通过各榀立柱向下传递,宽梁(或桁架)承受上层立柱的弯矩内力,并将内力传递给下层立柱。计算分析时,首先计算边庭结构在竖向荷载作用下的结构响应,通过计算得出,竖向荷载作用下结构竖向变形较小,说明竖向荷载可以有效向下传递。当边庭结构承受水平荷载时,从形态上看边庭结构是类似于拱结构的受力机制,环梁(或桁架)将压力传给两侧主体结构,设置水平撑杆可以增加边庭结构的安全储备。

　　 考虑主体结构影响,采用MIDAS Gen软件分别建立边庭单体模型和考虑主体结构的整体模型,取包络设计。经计算,边庭结构构件应力比如表3所示。由表3可以看出,边庭构件应力比均满足规范要求; 边庭结构在恒载+活载工况下,结构竖向位移26mm(挠跨比1/1 920),地震作用下结构水平位51mm(挠跨比1/1 020),如图20所示。综上,边庭结构承载力和位移指标均满足规范要求。

　　 由于边庭结构自下而上渐变内收,上、下层钢柱不在同一垂直面内,施工安装过程相对困难。为提高边庭环梁在安装定位过程中的整体稳定性,施工时对未设水平支撑的楼层增设临时水平撑杆,临时撑杆与环梁(或环桁架)及主楼楼层钢梁焊接固定,待上一层结构环梁安装完成后,该环梁以下的临时撑杆方可拆除,如图21所示。边庭结构实景照片如图22所示。

　　 蛇形坡道结构体系为悬挑桁架+连系梁,借鉴凤凰国际传媒中心旋转坡道的成熟经验 ^[8],地下部分的坡道通过已建成结构墙体或框架柱上伸出悬挑桁架,地上坡道则从边庭立柱伸出桁架作为主要受力构件,桁架平面外通过三道连系梁拉结,同时地上坡道设置拉索以减小坡道跨度。

　　 采用MIDAS Gen软件对蛇形坡道分段建模,同时为考虑坡道Ⅲ段(1～2层)与边庭结构和主体结构的相互作用影响,将坡道与主体合模计算,坡道Ⅲ段合模计算模型如图23所示。

　　 根据建筑外观要求,坡道纵向主梁为弧梁,采用焊接方形和梯形截面,坡道横向檩条采用槽钢(每600mm一道),坡道与主体结构拉结采用圆管侧向销轴支承,如图24所示。

　　 各段坡道计算结果见表4。由表4可以看出,各构件应力比均满足规范要求,且有一定冗余度; 恒载+活载工况下坡道挠跨比满足《钢结构设计规范》(GB 50017—2003) ^[9]附录B楼梯梁竖向挠跨比限值1/250要求,施工中可考虑适当起拱,以降低结构竖向感官挠度。各段坡道频率均大于3.0Hz,满足规范要求。图25为各坡道段第一阶振动模态。

　　 工程结构形式复杂,结构体系中存在大量斜度不同的钢柱和弧梁等异形构件,产生了大量复杂节点。在钢结构设计中,对构造和传力复杂的节点应予以重视,本节选取三个关键位置的复杂节点,进行有限元分析 ^[10],以保证节点安全性。

　　 Joint1为选取的外层网壳屋盖结构构件与主体结构连接处的节点,Joint2为外层网壳屋盖与屋顶平台连接处的节点,Joint3为边庭结构水平撑杆端部铸钢节点。钢部件材料为理想弹塑性,采用Q345B钢材,弹性模量为2.1×10⁵N/mm²,钢部件屈服强度为345MPa。在有限元模型柱端或主杆端部施加相应边界条件,次杆件端部施加轴力,梁端施加剪力和弯矩,杆件端部施加荷载为小震弹性分析结果的包络设计值。

　　 各节点von Mises应力云图见图26。由图26可知,各节点核心区没有出现大面积的应力塑性区,整体应力值小于335MPa ^[9],只有在杆件相交处局部很小的范围内出现应力集中,对于节点整体性能影响不大,满足设计要求。

　　 为减小节点连接处应力集中现象,施工阶段对关键节点采取构造加强措施 ^[11],如在框架柱、屋盖结构主杆内增加加劲板,框架梁内增加横向加劲肋等。采用加强措施后节点易于加工,可保证结构内力在节点处的传递,满足相应抗震性能目标。

　　 城奥大厦工程目前已建成并投入使用,地下部分于2014年先行完工,本文研究对象为地上部分,本项目形体复杂,分项设计多且难度较大,设计中在保证结构安全的基础上,对结构体系和细部构造进行创新研究,以实现建筑的美学表现力。采用多软件抗震计算分析,对整体结构进行多遇地震下的反应谱分析,结构形成多重抗震体系,以保证其安全可靠。同时,对各分项结构进行构造研究和体系比选,分别进行屋盖强度和稳定性分析、边庭承载力验算、蛇形坡道舒适度分析、复杂节点有限元分析等分项验算,使结构与建筑协调统一,让结构可以成就建筑之美。