植物馆 (图1) 是2019北京世园会唯一以热带植物为主题的展馆, 建筑设计理念为“升起的地平”, 建筑表面机理以植物根系为灵感, 庞大的垂坠根系向下不断蔓延, 将植物原本隐藏于地下的强大生命力直观呈现给参观者, 不仅产生强烈的视觉冲击, 更带领参观者踏上一场以感受植物根系力量为起点的奇妙植物世界之旅。

　　 项目位于北京市延庆县, 外形呈矩形, 南北长约94m, 东西长约69m, 建筑总高度为23.5m。建筑功能为植物馆, 北部局部地下1层为机房, 地上分为3层, 1层设有热带植物温室, 占地约3 000m², 汇聚600多种珍贵植物。2层为绿色多功能报告厅, 会期举行红树林、植物科学画等分主题展览。从1层沿着展厅东部的垂直交通路径向2, 3层攀爬时, 能够享受到从高空俯视红树林植物冠部的极致美景。 16.7m屋顶局部为屋顶观景平台, 设有中信植物主题咖啡书店和纪念品商店, 其他为绿化屋面和木地板屋面, 总建筑面积约为10 000m²。因该工程的造型奇特, 受力复杂, 温室内为高温高湿环境, 具有一定的工程代表性, 通过本工程的设计介绍可为其他类似工程的运用提供一定的借鉴, 具有一定的参考意义^[1,2,3]。

　　 植物馆地上采用钢框架结构体系, 采用MIDAS软件建立结构模型见图2。其中北侧展览区和东侧灰空间均采用钢框架结构体系, 北侧展览区楼面梁最大跨度20m, 灰空间楼面梁最大跨度24m;温室区域采用周圈框架+ V柱的结构体系, 框架柱采用埋入式刚性柱脚, V柱上下端铰接, 铰接节点采用带关节轴承的销轴节点 (图3) , 其中销轴材质为40CrMo, 关节轴承转动能力不小于±4°, 摩擦系数不大于0.04, 销轴均要求调质处理, 热处理硬度控制在25～35HRC。

　　 温室中心采用单层网壳结构, 单层网壳落在V柱支承的箱形钢环梁上;为满足植物采光要求, 网壳上采用可开启ETFE气枕, ETFE膜采用透明膜, 3层膜结构总厚度为650μm (其中上层膜厚度为250μm, 中层膜厚度为150μm, 下层膜厚度为250μm) 。上部钢框架柱主要截面形式为矩形和圆形, 钢梁主要采用H型钢。

　　 2, 3层楼板及温室屋面采用压型钢板组合楼板, 16.7m标高非温室区域的屋面采用轻质钢边框屋面板。

　　 本工程设计基准期50年, 设计使用年限50年, 结构安全等级为二级, 抗震设防烈度为8度 (0.2g) , 地震分组为第二组, 场地类别为Ⅲ类, 建筑抗震设防类别为标准设防类, 上部钢结构计算时采用阻尼比为0.02。

　　 植物园的设计基底绝对标高约为479.0m, 直接持力层为第四纪沉积的粉质黏土、黏质粉土③层, 局部下卧黏土、重粉质黏土③₁层, 地基承载力标准值为120kPa, 天然地基难以满足建筑对地基承载力、变形的要求, 因此采用CFG桩复合地基方案对地基进行处理, 处理后的地基承载力不小于250kPa, 有地下室部分基础采用梁板式筏形基础, 基底标高为-7.3m, 非地下室部分基础采用独立基础, 基底标高分别为-4.0m和-5.5m。

　　 植物馆前三阶模态见图4, 结构第一阶动力特性以Y向平动为主;第二振型以X向平动为主;第三振型以扭转为主。动力特性其他信息见表1。

　　 温室中心区域屋顶为40m跨单层网壳结构, 单层网壳每个节点汇交6根P299×10杆件, 杆件要承受轴力、弯矩 (包括扭矩) 和剪力, 为保证节点承载力, 同时兼顾建筑美观要求, 节点采用鼓形的焊接球节点 (图5, 6) 。

　　 根据《空间网格结构技术规程》 (JGJ 7—2010) ^[4]的第4.3节要求, 对单层网壳进行了稳定性验算。网壳整体缺陷最大值按网壳跨度的1/300取值。网壳所有杆件均采用纤维梁单元, 该单元基于Timoshenko梁理论, 可以考虑剪切变形刚度, 而且计算过程中单元刚度在截面内和长度方向由两次动态积分得到。钢材采用双线性随动硬化模型 (图7) 。

　　 根据结构的特征值屈曲分析结果及受力特性、截面校核等方面的结果分析, 选取标准组合 (1.0恒荷载+1.0活荷载) 作为分析工况, 其中恒荷载为0.2kN/m², 活荷载为0.5kN/m²。选取跨中节点作为典型节点, 跨中节点的整体网壳承载力-位移曲线见图8, 图中P为不断施加在屋面上的荷载, P₀为标准组合的荷载值 (1.0恒荷载+1.0活荷载) 。由图可知, 结构的极限荷载可达荷载标准值的30倍, 满足K>2的要求;在荷载加至荷载标准值的25倍后, 刚度出现轻微退化;随着荷载的增加, 结构刚度也逐渐变小, 但退化很小。由于网壳上围护结构采用膜结构, 荷载小, 因此结构冗余度较大。网壳在不同荷载倍数下的应力、变形分布及塑性应变如图9～11所示。在2倍荷载下网壳最大应力为50.71MPa, 杆件应力水平较低;在2倍荷载下网壳竖向变形为0.004 32m, 变形很小;20倍荷载下网壳刚出现塑性, 30倍荷载下网壳的最大塑性应变也仅为0.000 007 824。结果表明单层网壳因采用膜结构, 荷载小, 结构具有足够的安全允许度。

　　 为提升对温室内植物景观的观赏效果, 建筑在温室内设置了旋转步道, 旋转步道一端与7m标高景观平台连接, 一端与北侧3层楼面连接 (11m标高) 。步道中间位置通过2道拉索和V柱支承。为保证旋转步道结构安全, 提高步道抗扭转能力, 步道端部杆件与景观平台及3层楼面连接处均为刚接 (图12) 。计算还考虑了活荷载不均匀分布的影响。旋转坡道结构的竖向变形在恒荷载+活荷载标准值下为45mm (图13) , 最大挠跨比为1/468。由于旋转步道跨度较大, 对步道进行了舒适度计算, 布置人群密度为1.5人/m², 并考虑人群密集时的折减效应, 采用持续接触性模型模拟连续行走, 按国际桥梁及结构工程协会 (IABSE) 提供的人行荷载。经计算, 在人行激励下最大加速度响应为0.086m/s², 小于《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[5]关于室内连廊的0.22m/s²限值要求。

　　 图12 温室内旋转步道结构

　　 图13 恒荷载+活荷载标准值下旋转步道结构挠度/mm

　　 由于屋面最大跨度为24m, 且屋面存在绿化等布置, 荷载较大 (均布恒荷载为7.5kN/m²) , 为减小结构自重, 采用轻质钢边框屋面板, 轻质钢边框屋面板的自重均小于90kg/m², 大幅减小结构自重。设计的轻质钢边框屋面板最大板厚为200mm, 板厚超过了图集13CG12-1的型号, 最大板跨为3.4m, 为此对加厚屋面板的配筋和构造进行了重新设计。屋面板检测结果表明在试验荷载达到12kN/m²时, 楼板未发生破坏, 所采用的屋面板承载力和变形均满足设计要求 (表2) 。

　 屋面钢边框屋面板检测结果 表2

　　 由于温室内为高温高湿环境, 且部分植物为红树林 (红树林周围水为海水) , 根据钢结构涂装保护的国际标准ISO12944的规定, 对于温室内部环境的腐蚀级别为C4高。钢结构防腐使用年限为15年, 为保证结构防腐要求, 钢结构考虑防火的防腐涂装系统为:底漆为干膜厚度75μm环氧富锌、中间漆为干膜厚度150μm环氧中间漆、防火涂料、30μm环氧封闭漆、面漆为干膜厚度75μm丙烯酸聚硅氧烷面漆 (不含异氰酸酯) 。　  

　　 对于温室内旋转步道的悬挂拉索, 由于拉索难以保证防腐涂装质量, 因此拉索采用06Cr17Ni12Mo2不锈钢拉索 (S31608) , 索锚具采用不锈钢材质 (CD3MN) 。

　　 为满足“升起的地平”的建筑设计理念, 在建筑四周设置了自屋顶下挂的根须 (图14) 。为保证根须布置的均匀和建筑效果, 在屋顶钢梁下设置了悬挂根须的桁架。根须悬挂长度在2.57～15.5m之间, 一共有3 138根根须, 总长度接近2万m, 为满足不同长度根须在风荷载下的承载力和变形要求, 对于长度较短的根须采用铝管, 对于长度较长的根须采用钢管, 铝合金根须材质采用6063-T6, 钢根须材料为Q235B。

　　 本文对2019年北京世园会植物馆的结构体系、结构特点、关键设计内容进行了介绍, 总结如下:

　　 (1) 结构采用框架+ V柱的结构体系, V柱减小了结构跨度, 满足了结构受力要求, 实现了建筑结构的完美结合。

　　 (2) 采用CFG桩复合地基方案对地基进行处理后, 地基承载力大于250kPa。有地下室部分基础采用梁板式筏形基础, 非地下室部分基础采用独立基础。

　　 (3) 对温室屋顶40m单层网壳, 采用有限元软件ABAQUS建立了合理的有限元模型, 考虑整体缺陷和双非线性, 进行了竖向荷载下的稳定承载力分析, 结果表明温室顶单层网壳稳定承载力满足设计要求。

　　 (4) 通过设置悬挂在V柱上的不锈钢拉索, 以及步道与楼面连接处的抗扭构造措施, 保障了旋转步道的结构安全和舒适度。

　　 (5) 为减轻结构自重, 部分屋面板采用轻质钢边框屋面板, 经检测承载力均满足设计要求。

　　 (6) 针对温室内钢结构在高温高湿环境下的防腐需求, 设计了配套的防腐涂层系统, 并采用不锈钢拉索保证拉索防腐性能。

　　 (7) 为实现“升起的地平”的建筑设计理念, 在建筑四周设置了自屋顶下挂的根须, 根须材质根据受力选择铝管和钢管两种。