建筑与人类共生, 与文明相伴。人们对美好建筑的向往, 是建筑师和结构工程师孜孜不倦的追求。随着时代的不断发展, 建筑物的功能也日趋多样化和复杂化, 结构工程师需要深刻思考建筑与结构的关系, 使结构与建筑功能、造型达到完美的统一。

巨型结构即是能够成就宏伟建筑的良好体系, 其具有良好的建筑适用性、灵活多样的体系和高效的结构性能等, 能够完美地应用于超高层建筑、大跨度建筑、大悬挑建筑及其他特殊造型建筑。

巨型结构体系又称超级结构体系, 是由巨型的柱、梁、撑等构件组成的结构, 其作为建筑的主体结构, 与其他结构构件组成的次结构共同工作, 从而获得更大的灵活性和更高的效能。

合肥高速·滨湖时代广场C1栋是一栋高241.5m的超高层建筑, 地下3层, 地上56层, 地上建筑面积11.7万m²。建筑功能为下部办公、上部酒店, 建筑主要特点为沿竖向分布有4个10层通高和1个5层通高的共享中庭, 形成多个空中花园, 在平面上除避难层外, 建筑整体呈“凹”形。

在结构上“凹”形平面属于典型的平面不规则结构, 一般情况下, 这种不规则结构的质量、刚度不均匀, 在地震作用下整体抗震性能差, 容易因局部突变和扭转效应形成薄弱部位。结构计算分析结果表明, 当采用一般框架-核心筒结构体系, 且未对“凹”形两肢采取加强措施时, 结构较多楼层扭转位移比会超过1.4, 不满足规范要求;并且结构在第2阶X向振型下, “凹”形两肢的X向位移明显大于结构整体相应位置的位移, 两肢的局部振动比较明显。

针对本项目自身特点, 创造性地提出在“凹”形的两肢端构成“巨型钢框架”, 即在各肢端钢管混凝土柱之间设置柱间跨层巨型支撑, 形成“巨型钢框架”的桁架巨柱, 两肢之间的跨层连体桁架作为“巨型钢框架”的巨型桁架梁。由此建筑整体形成“巨型钢框架+框架核心筒”的结构体系, 结构的各层扭转位移比均可满足规范要求, 不会出现两肢的局部振动。

厦门北站是一栋极具代表性的采用巨型结构成就大跨度建筑的优秀作品, 荣获2015年国际桥梁与结构工程协会杰出结构奖 (Finalist) 。厦门北站实现了具有闽南民居“燕尾脊”特色的国内最大跨度无柱候车厅, 双向无柱跨度为132m×220m。

在结构设计中, 结合建筑造型, 沿屋脊向设置两端支承于A形钢骨混凝土巨型塔柱上的大跨薄腹巨型钢桁架梁, 在垂直于屋脊向的塔柱之间及塔柱与相邻柱间设置了弧形预应力混凝土箱梁, A形钢骨混凝土巨型塔柱、大跨薄腹钢桁架及弧形预应力混凝土箱形梁一起构成了大屋盖结构在两个方向上的抗侧力体系和主承重体系, 形成了“A形钢骨混凝土巨型塔柱+弧形预应力混凝土箱梁+大跨薄腹钢桁架梁”的新型双向巨型混合框架结构体系。

对于巨型结构的A形塔柱, 在屋架主桁架下弦标高以下做成双肢柱, 以上做成双肢合一, 可以减小结构顺轨向的温度作用。由于轨间距的要求, A形塔柱截面的厚度仅为1.8m, 高宽比达27, 为保证施工及使用期间的侧向稳定性, 由垂直于屋脊向的弧形预应力混凝土箱梁来提供支承。弧形预应力混凝土箱梁与A形塔柱相连, 形成沿垂直轨道方向的巨型框架, 提供足够的抗侧刚度, 组成完整的抗震体系。为满足建筑造型的要求, 大跨薄腹钢桁架梁高度在跨中为18.95m, 支座处为23.8m。另外, 由于塔柱截面宽度仅1.8m, 造成大跨薄腹钢桁架梁的弦杆中心距仅1m, 故称为薄腹钢桁架梁。为增加薄腹钢桁架梁的面外刚度和方便施工, 桁架梁的各层弦杆及竖腹杆截面采用哑铃形组合截面。

另外, 在厦门北站的屋盖设计中为了实现中国传统闽南民居的单向檩条的建筑效果, 在结构设计上创造性地提出采用由双向不等高交叉桁架组成的新型空间网格结构;为保证较高桁架的下弦杆的平面外稳定, 采用加粗的竖腹杆, 双向下弦杆在不等高处分别贯通加粗的竖腹杆, 受力简单、合理, 既保证了节点连接强度的可靠性, 又实现了建筑与结构的完美统一。

广东科学中心项目将富含广州地域特质的木棉花外形及饱含进取意蕴的科技舰队造型融为一体, 气势恢宏、形态优美, 建筑面积达到13.75万m², 是目前世界上建筑面积最大、功能最齐全的科学中心, 是广东省政府投资兴建的大型公益性科普教育基地和广东省首批“十大工程”项目之一。

由于各区展厅的立面造型意为航行中的“船”, 为满足建筑造型及功能的要求, 采用巨型钢框架结构——“格构式钢巨柱+纵向巨型桁架+横向桁架”的结构体系;利用楼电梯间及设备间设置格构式巨型钢柱, 每区以4~6个格构式巨型钢柱 (每个尺寸为4m×9m) 支承, 巨型钢柱净间距40m左右;再沿纵向建筑外侧在二层整层高度设置跨层巨型钢桁架 (桁架总高度15m) , 巨型桁架外挑40~50m, 承担整个船头的重量, 然后每层沿横向在巨柱之间设置格构式“框架梁”, 共同构成巨型框架结构, 形成抗侧力体系及承重体系。采用巨型钢框架结构体系后, 整个展厅内除格构式巨型钢柱外, 无任何其他竖向构件, 布展灵活方便, 不受竖向构件限制。

本项目另一个设计特点是, 为保证贵重展品及仪器的安全, 对巨型结构采用无统一隔震层的隔震设计。由于底层柱网亦为双向超大跨度, 难以设置统一的隔震层, 因此, 每个巨柱下设独立的局部叠震层。为实现巨型结构在地震作用下的整体平动, 增加了相应的加强措施。振动台试验和有限元分析结果表明, 在大震作用下, 每根巨型柱在各个时间点上的位移基本一致。这表明格构柱自身刚度能保证支座共同工作, 不设置隔震层也是可行的。

湖北省科技新馆是另一个采用巨型结构用于大悬挑建筑的典型案例, 其造型犹如一枚倒置的方形印章, 下小上大, 四周悬挑突出, 最大悬挑处为32.4m。

在结构设计中, 结合用于竖向交通的四个电梯间井筒, 采用“矩形钢管混凝土柱-钢支撑 (或屈曲约束钢板墙) ”的结构体系, 组成四个格构式巨型框架柱。三、四层具有悬挑跨度大 (结构最大悬挑跨度为32.4m) 、层高大 (最大层高为12m) 及荷载大的显著特点, 采用跨层钢桁架, 组成四榀巨型框架梁。整体结构体系为巨型钢框架-支撑结构 (防屈曲耗能钢板墙) 。

三层的展厅均设置于由纵横向跨层桁架分割的悬挑范围内, 为尽量减小跨层钢桁架梁的斜腹杆对室内展厅之间的交通和视觉的影响, 展厅范围内只设置一道斜腹杆。为进一步减小悬挑端部挠度, 在该道斜腹杆内设有预应力拉索。在施工中, 先行张拉预应力索达到预设值, 再焊接斜腹杆。

在湖北省科技新馆的结构设计中还采用了其他新方法和新技术, 以满足建筑设计的要求, 如浮空影院步道竖向振动采用TMD (调频质量阻尼器) 控制。浮空影院环向人行步道最大跨度为23.090m, 为弯曲箱梁结构, 为了保证舒适度要求, 采用TMD1型减振装置。TMD1为磁流变阻尼器, 连接走道和环形走道一共布置了24个。每个质量初步定为0.5t, 布置的总质量为减振区域总质量的5%。

中国动漫馆造型特殊, 建筑主体依据内部不同功能空间高度, 呈现出高低起伏、圆润流畅的“动漫云”的自然形态。同时, 结合建筑首层的“动漫森林”广场, 展现出一种与优美山水环境自然融合的“云下的森林”般如诗如画的意境。

“动漫森林”中有几个巨型通透网格幕墙筒体, 按照建筑师的设计意图和完成效果要求, 巨型网格筒体既是主体结构的竖向承重构件, 又要作为玻璃幕墙的龙骨构件。在结构计算中, 由于巨型网格筒的侧向刚度极大, 在地震作用下会分担大部分地震力, 而这种水平力的过度集中, 会增大巨型网格筒发生失稳或其他失效的可能, 造成整体结构不安全。为了解决这一矛盾, 结构设计中创造性地采取释放巨型网格筒的侧向刚度的措施, 即在大网格筒上部与二层楼面结构之间设置叠层橡胶隔震支座。由于橡胶支座的侧向刚度很小, 可以大大地减小巨型网格筒对上部结构的约束, 将巨型网格筒设计成主要承受竖向荷载, 极少承担上部结构的水平地震力, 可使整体结构地震力分布均匀, 整体地震作用下降 (表1) 。

“动漫森林”中除有巨型网格筒之外, 还有几个尺度相对较小的网格筒, 相比大网格筒, 侧向刚度减小较多, 分担的地震力占比不会很大, 因而小网格筒顶端与主体结构之间没有释放约束, 仍然采用固定连接。解决了上述建筑与结构之间的矛盾之后, 中国动漫馆的主体结构形成下述结构体系:一层采用“巨型网格筒 (释放侧向刚度) +钢框架支撑 (屈曲约束钢板剪力墙) ”结构体系;二层及以上采用“钢框架—支撑 (屈曲约束钢板剪力墙) +跨层桁架”结构体系。

未来的建筑将需要更多的灵活性, 形成多样化的造型, 实现更丰富的功能, 集各种结构体系的优点于一身且简单、有效的结构形式将成为发展方向。巨型结构作为一种新型高效的结构体系, 具有良好的应用前景, 已在建筑中逐步显示出其优越性, 希望未来其能助力成就越来越多的宏伟建筑。