某演艺中心项目用地面积3.1万m², 主体建筑为旅游性质的演艺剧场, 为满足特定剧目的演出使用。总建筑面积1.8万m², 其中地上建筑面积1.34万m², 地下建筑面积0.46万m², 演出座位2000个, 总平面如图1所示。本方案最大特点在于建筑整体由膜材张拉覆盖, 平面功能如图2所示, 主要包括舞台、观众厅及其他辅助区域。建筑南北方向最大跨度约85m, 东西方向最大跨度约78m。

地上结构主要设计条件:抗震设防烈度6度 (0.05g) ;设计地震分组为第一组, 场地类别为Ⅱ类;重点设防类 (乙类) ;结构安全等级为一级 (结构重要性系数1.1) ;基本风压0.4kN/m² (取重现期100年风压) ;地面粗糙度类别为B类。

本文针对项目方案设计阶段的主要结构设计难点区域展开可行性论证及初步方案比选, 主要工作包括主体结构及张拉索膜结构的概念设计、主体结构体系构成、舞台刚性屋盖系统的初步比选。

本方案建筑立面如图3所示, 建筑创作与周边环境融合, 形成云雾缭绕山峰的立意。透明膜材营造云雾质感, 凸曲率造型与周围丘陵类比。传统张拉式索膜结构自然力学形态为凹曲率, 而本方案整体视觉采用凸曲率造型, 因此需刚性结构辅助形成。

本方案为定制剧场, 屋盖需吊挂很多机械装置, 且对振动控制要求较高。演艺剧场有声学控制的因素, 传统膜结构多用于对声学要求不高的建筑, 若将膜结构应用于演艺剧场, 需克服很多难题, 经声学建筑师综合评判, 单层膜材不能满足要求, 需双层膜结构, 且下层索膜之下应吊挂较多隔声吊顶;本剧场演艺节目需借用室外风景作为布景, 因此在后场采用竖向单索幕墙增强效果, 拉索结构需以刚性屋盖为支撑。

结合以上建筑创意、建筑特点及结构概念, 主体结构采用巨型钢拱骨架+索膜结构体系, 分为主体结构和外层索膜结构2部分进行概念方案设计, 主体结构设计部分主要包括刚性结构、体系选型及分析, 外层索膜结构设计部分主要包括索网方案布置、找形及受力分析, 本方案采用力密度法进行初始找型, 确定主索及分布索的内力分布关系。本文主要对主体结构的可行性进行分析, 外层索网对主体结构的影响采用外加节点力的方式施加于主体结构上。

舞台钢拱与观众厅周边外墙及框架柱共同形成竖向传力体系。舞台区域的吊挂舞台机械荷载较大, 在主舞台区域采用2道巨型钢拱结构支撑, 巨型钢拱之间设置次结构连接, 加强了整体工作性能;观众厅区域周边的墙柱可作为外表皮膜结构的竖向支点, 膜结构传递竖向力至拉索、竖向结构, 为保证索网平衡及钢拱稳定, 在建筑周边设置边缘固定缆索或索网直接固定于地面基础。刚性结构主要包括:框架-剪力墙主体结构、舞台拱桁架、舞台双层网壳、幕墙拉索、观众厅桁架。刚性结构主体结构组成如图4所示。

钢拱与幕墙拉索及局部斜撑构件共同构成抗侧力体系。拉索作为幕墙结构的同时, 还与另一侧观众厅区域索膜结构及局部斜撑构件的拉力平衡, 舞台钢拱与两侧的拉索结构及局部斜撑构件形成主要抗侧力结构体系 (见图5) 。

舞台刚性屋盖采用钢拱桁架及屋面网壳, 网格布置结合建筑表皮所要表现的竹篓编织线条肌理, 采用双向斜交布置形成四边形。

1) 刚性屋盖结构荷载条件 屋面网壳承载吊挂荷载, 传递至两侧巨型钢拱, 舞台外侧钢拱同时承担拉索幕墙荷载, 内侧钢拱同时承载观众厅外层索网荷载。

2) 刚性屋盖结构约束条件 外侧、内侧2个拱交于一点, 形成铰接支座固定于岩石墩基础上, 外侧拉索下端锚固于地下室结构顶板, 内侧拱由2个V形支撑支于观众厅的剪力墙上。

根据单索幕墙在风荷载作用下各拉索的相对变形确定拉索初始预张力, 确保各拉索的变形量为1/50L (L为拉索长度) 。各拉索上端均固定于外侧钢拱, 各索间的张力具有相关性, 在整体模型中经过数次迭代, 得到初始预张后的各拉索内力分布, 如图6所示。

内侧钢拱还承担了外层索网荷载, 根据初步估算, 外层索网的初始预张力为170kN/m, 按水平夹角30°方向施加于内侧钢拱上。

内外侧钢拱间采用双层网壳, 共比选3种形式 (见图7) , 方案1为抽空双向桁架;方案2为棋盘式四角锥双层网壳;方案3为抽空四角锥双层网壳。

各方案在恒荷载下的基本受力如图8所示。方案1上弦中间区域受压较大, 约为800kN, 下弦双向受拉, 典型拉力约1250kN;方案2上弦中间区域典型受压, 压力约为400kN, 下弦双向受力性质显著不同, 长向受压, 典型压力约700kN, 短向受拉, 典型拉力约500kN;方案3上弦中间区域典型受压, 约700kN, 下弦双向受拉, 典型拉力约1000kN。

各方案在截面及用钢量相似的情况下, 恒荷载作用下网架中心点短向挠度分别为:方案1为1/445, 方案2为1/823, 方案3为1/564。

方案1与方案3形式类似, 均为抽空形式的双层网架, 方案1为平面桁架的双向编织, 方案3为空间桁架的双向编织, 均为双向斜交传力, 受力大小及刚度类似, 整体而言, 方案3较方案1整体性更好。方案2呈现出有别于方案1和方案3的传力路径, 上弦受力较小, 下弦在长向成为典型的拱效应传递压力, 短向受拉, 各相似杆件受力较均匀, 整体性最好, 但荷载传递相对复杂。

经过比选, 最终选定方案2作为深化方向。该方案不但受力特点鲜明, 且能更好地满足建筑要求, 上弦斜交编织, 与外表皮索网纹理相呼应, 下弦正交, 与舞台角度一致, 方便舞台吊挂布置及安装。

舞台刚性屋盖受力如图9所示, 以钢拱支座和V形支撑为支座, 除承受刚性屋盖自身恒荷载与活荷载外, 在外侧钢拱承受竖向拉索拉力, 在内侧钢拱上承担外层索网拉力。

幕墙拉索使用索单元, 采用非线性并考虑大变形对结构进行整体分析: (1) 恒荷载作用下预张竖向拉索; (2) 恒荷载作用下施加外层索网拉力; (3) 恒荷载作用下预张竖向拉索及施加外层索网拉力; (4) 在 (3) 的基础上施加幕墙风荷载。计算结果如表1所示。

幕墙竖向拉索拉力与外层索网拉力相互平衡, 幕墙竖向拉索拉力对整体屋盖的位移起控制作用。外层索网拉力作用点距V形支撑较近, 对其受力起控制作用。在幕墙水平风荷载作用下, 幕墙拉索拉力变化较小, 对舞台刚性屋盖整体位移及V形支撑影响较小。

1) 本结构采用巨型钢拱骨架的索膜结构体系, 共分为外层索网结构和主体结构2部分。本文主要对主体结构的竖向及抗侧力体系进行概念分析。

2) 对舞台刚性屋盖的双层网壳进行多方案比选, 最终选择棋盘式四角锥双层网壳形式, 其受力特点鲜明, 整体性强, 符合建筑要求, 充分体现了结构成就建筑之美。

3) 对刚性屋盖进行整体分析, 证明本结构体系成立, 受力合理, 可深入进行设计与分析。