深圳国际会展中心是深圳市的重点建设项目，2015年9月成立深圳国际会展中心指挥部，2016年1月进行设计方案国际招标，2019年6月全面竣工。项目选址深圳空港新城，位于珠三角湾区的顶部，穗港深经济走廊的核心部位，珠三角的地理中心，粤港澳大湾区和特色社会主义先行示范区的中心。项目用地联动西侧填海新城构成空港新城，打造出国际一流的会展中心，携手南部深圳宝安机场、北部科技馆和国际会议中心，推动大空港区域经济协同发展。深圳国际会展中心一期由展厅、中央廊道、登录大厅、会议中心和地下车库及设备用房构成，总建筑面积160万m²，地上建筑面积约102万m²，地下建筑面积约58万m²。深圳国际会展中心地上建筑由11栋多层建筑组成，其中1栋由16个建筑面积均为2万m²的标准展厅^[1],2个建筑面积2万m²多功能展厅，1个建筑面积5万m²超大展厅^[2]，南北2个登录大厅^[3,4,5]及会议中心，中央廊道构成;2～11栋为会展仓储、行政办公、垃圾等配套设施。

　　 深圳国际会展中心地上结构可采用钢筋混凝土框架与钢屋盖相结合的形式，也可在地面以上全部采用钢结构。经过工程建设周期、造价、使用要求的反复论证与比较，1栋地面以上全部采用钢结构，1栋地下为钢筋混凝土框架结构;2～11栋采用钢筋混凝土框架结构。以下主要介绍深圳国际会展中心1栋的结构设计与研究。

　　 深圳国际会展中心项目地下室为两层，局部一层(北登录大厅东侧及各出口车道);凤塘大道从深圳国际会展中心中部(靠北侧)穿过，将本项目地下室分隔为南北两部分，南侧地下室与北侧地下室通过设于凤塘大道下方的下穿通道相连，下穿通道与南、北地下室交界处设伸缩缝断开。

　　 深圳国际会展中心项目鸟瞰图如图1所示，功能分区如图2所示。

　　 深圳国际会展中心1栋设计基准期50年，建筑结构安全等级为一级，抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为0.1g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅲ类。

　　 地貌单元主要为伶仃洋东岸冲积海积平原，地形低洼平坦，总体地势东高西低，工程区内原始地貌主要为河涌、沟渠和鱼塘。现状地形正在进行大面积的真空堆载处理，大部分地区已堆载完毕，地面高程0～7m。场地地层从上到下有第四系人工堆积层，第四系海积层，第四系冲洪积层，第四系风化残积层，下伏基岩为加里东期混合花岗岩。第四系人工填土层在场地内分布广泛，用于堆载预压处理场地淤泥，堆填时间小于1年，部分场地尚未堆填完成。第四系海相沉积淤泥层，场地浅部均有分布，厚度厚薄不一，厚度一般在3.5～12m。

　　 室外展区及地坪下为素填土层，下伏地层为淤泥层。由于场地软弱下卧淤泥层分布深厚，真空堆载处理后的淤泥也未完全固结，将会继续产生较大沉降和不均匀沉降，因此对于室外展场、室外停车场、道路及相关场地要进行地基处理。

　　 地基处理前期分别采用了换填、场地平整、堆载预压、堆填碾压等方法，结合场地使用荷载要求，地基处理主要采用高强预应力管桩复合地基，经处理后的工后沉降不大于15cm，承载力不小于100kPa。管桩的典型布置如图3所示，轴网9 000mm×9 000mm，每个轴网交叉点布置4颗桩。经地基处理后的展厅地面做法见图4。

　　 本工程±0.0m为黄海高程7m，地下2层，地上4层，地下室部分框架柱需要支承大跨度钢屋盖结构，其单柱荷载大，柱反力分布不均匀。地下室开挖后，地下室底板下土层为淤泥层，下卧地层为第四系冲洪积粉质黏土、淤泥质土、中粗砂层等。素填土层呈松散状，均匀性较差，密实程度不均、高压缩性、地基承载力低;淤泥层呈流塑状态，抗剪强度及地基承载力低，工程力学性状差，高压缩性、属软弱地层。拟建会展中心主体建筑物荷载大，建筑物对地基强度、沉降量的要求较高，对差异沉降敏感，故无法采用天然地基和人工地基浅基础，应采用深基础桩基。

　　 桩基础形式可以有两种:1)大直径钻(冲)孔、旋挖灌注桩，以中、微风化作为桩端持力层的嵌岩桩;2)采用高强预应力混凝土管桩基础，以强风化岩上段作为桩端持力层，以桩长及贯入度共同控制。由于本工程地下室开挖后强风化带层顶埋深一般在9.0～22.0m之间，采用管桩时，由于桩长较短，单桩承载力低，部分区域存在连续杂填土(建筑垃圾)、填石层，沉桩困难，由于基坑支护采用衡重式双排桩和大跨度内支撑结构，存在内支撑结构的区域也无法进行管桩施工作业，如在原始现状地面上进行施工，所需送桩的深度较深，且桩基施工完成后因基坑开挖造成断桩的风险太大。

　　 经过基础选型比较及近年来深圳地区的工程实践，最后确定本工程桩基础抗压与抗拔均采用旋挖成孔灌注桩。泥浆护壁成孔，孔口设置钢护筒。当钻孔达到设计深度时，应采用清孔钻头进行清孔，孔底沉渣厚度不应大于50mm。在清孔过程中，应不断置换泥浆，直至浇筑混凝土。

　　 基础的设计等级为甲级，从现状地貌开始施工，桩端持力层为中风化下段，其天然单轴饱和抗压强度为15MPa，桩长约20～50m，平均桩长40m，桩径分别为1 400,1 600,1 800,2 000,2 200,2 500mm，单桩抗压承载力特征值分别为9 000,12 000,15 000,18 000,22 000,28 000kN，单桩抗拔承载力特征值分别为3 200,3 750,4 000,2 000,3 000,3 500kN，桩端进入持力层深度大于1～1.5倍桩径。

　　 桩基施工前应进行单桩承载力的试桩试验，试验数量同类型不应少于3根且满足相关规范的要求。对于单桩竖向抗压承载力特征值≤10 000kN的抗压桩和单桩竖向抗拔承载力特征值≤5 000kN的抗拔桩可采用静载法、钻芯法、低应变法或超声法进行检测;超出以上数值时，可采用钻芯法、低应变法或超声法进行检测。基桩检测数量须满足规范相关要求。

　　 北侧地下室东西向最大宽度为540m，南北向最大长度为415m;南侧地下室东西向最大宽度为516m，南北向最大长度为1 250m，如图5、图6所示。根据本工程地下室的特点，结构体系采用框架结构，以减小整体结构的刚度。地下室底板采用扩大桩基承台加平板式的地下室结构，地下室底板厚600mm。由于工程的建设周期紧，在地下1层与首层规则区域采用带柱帽的无梁楼盖，在不规则区域采用梁板式结构。

　　 本工程地下室底板最大长度1 250m，为削弱底板的刚度，每隔150m左右设置一道2.5m×1.5m的结构沟，结构沟结合后浇带设置;结构沟侧壁厚度取为300mm，以充分释放底板面内刚度，如图7所示。后浇带待两侧混凝土浇筑60d以后浇筑。后浇带之间采用跳仓法进行施工，跳仓区块尺寸约40m×40m，相邻仓块混凝土的浇筑时间间隔不少于7d，建议为10d以上。跳仓法施工缝留置在受力较小处:底板施工缝留在板跨的1/4～1/3处;竖向施工缝留在所在跨的1/4～1/3处;梁、楼板施工缝留在所在跨的1/4～1/3处。施工缝位置采用钢板止水带做好防水处理。

　　 地下1层楼盖后浇带的设置位置同地下室底板，亦采用跳仓法进行施工，分仓尺寸及原则同地下室底板。

　　 地下室顶板南北向最大不分缝长度1 250m，东西向最大不分缝长度约524m，采用设置后浇带(跳仓法施工)、结构沟等措施以减小使用过程中开裂的风险。

　　 地下室外墙因刚度大、长度长、养护条件差，较易出现裂缝。参考文献[6]的做法和结合实际情况，在地下室侧壁设诱导缝，诱导缝沿外墙按间距约30m布置。地下室外墙在各楼层后浇带对应的位置亦留置后浇带，后浇带浇筑时间为两侧混凝土浇筑后的60d。

　　 本工程超长混凝土结构及大体积混凝土采用60d的后期强度作为混凝土强度评定、工程交工验收及混凝土配合比设计的依据，严格控制混凝土的强度值，施工完成后的混凝土强度宜不大于设计强度的1.2倍。

　　 温度荷载取值根据国内工程实际应用经验，考虑到地下室回填土及其上覆土的作用，认为地下室部分降温为地上部分降温(-15.8℃)的60%～70%，即地下室降温为(-11.06～-9.48)℃;根据国内有关实测资料^[7]:地表最大月温差为30.4℃时，距地表1.6m处最大月温差为7.5℃，距地表6.4m处最大月温差为1.3℃;结合本工程实际覆土厚度普遍大于1m的情况，按降温10℃计算本工程的温度应力。

　　 为了真实反映混凝土结构对温度的敏感性，需要将桩的水平刚度及转动刚度考虑到计算模型中。主要通过参考《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)^[8]来计算桩基刚度，在模型中通过定义弹簧刚度约束来实现。

　　 混凝土在使用期间会有一个硬化过程，伴随引起了混凝土的收缩变形，当收缩变形不能自由进行时，便会产生一定的拉应力，从而导致混凝土的开裂，此时混凝土的收缩和徐变效应纳入考虑范围。按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)^[9]附录F计算混凝土的收缩应变和徐变系数。

　　 分析时，考虑施工过程中的跳仓法、后浇带等因素，进行施工模拟分析。假定地下室底板层、地下1层、顶板层施工周期各为一个月，各楼层跳仓施工间隔为10d，后浇带封闭时间均按两侧楼层施工完成后的60d。考虑和不考虑跳仓法施工及后浇带的影响，楼板在施工150d时的混凝土收缩应力如图8所示。可见，跳仓法施工和设置后浇带可以显著降低楼板的收缩应力。

　　 考虑材料的时间依存特性(收缩和徐变)及温度效应、施工模拟等因素对超长地下室结构进行分析，分析结果表明，在采取一系列的设计措施以后地下室底板、侧墙、地下1层楼盖和首层楼盖的混凝土应力可控，可以满足使用要求。

　　 深圳国际会展中心是大跨度空间结构，由于展厅、登录大厅、中央廊道等结构尺度非常大，屋面为复杂的曲面，建筑质量轻、刚度弱、阻尼小，加上地处长期遭受台风袭击的海边，结构容易产生大幅度的风致振动，对风荷载的静力和动力作用都将比较敏感，需要通过风洞模型试验来确定作用在其上的风荷载，并对其风致振动特性进行研究，本工程分别于华南理工大学与同济大学进行了风洞试验与风振分析，试验模型见图9。

　　 进行刚体模型群体建筑测压风洞试验，确定作用在大跨建筑表面上的平均风荷载和脉动风荷载、体型系数及供围护结构设计使用及结构整体设计参考。根据刚体模型测压风洞试验获得的各测点同步脉动压力时程，将其作用于结构动力分析有限元模型上进行时域分析，确定重要部位的风振位移和风振系数。地面粗糙度为A类，50年一遇的基本风压为0.75kPa。

　　 以展厅为例，刚性测压试验表明，50年重现期展厅各测点在所有风向角中的最小平均压力值为-4.88～-0.05kPa，各测点在所有风向角中的最大平均压力值为-0.02～1.22kPa，风振系数为1.9～2.05，展厅的最大负风压出现在展厅间的悬挑部位，其等效设计静荷载为-10.004kPa(-4.88×2.05=-10.004kPa)，负风压较大。

　　 深圳国际会展中心有19个展厅，其中有16个2万m²标准展厅，2个2万m²多功能展厅，1个5万m²超大展厅。标准展厅建筑平面尺寸为219m×106.6m，柱网横向为(21×9+10+8)m、纵向为(3.8+11×9+3.8)m，建筑屋面标高为19～24m，展厅净高为16m。标准展厅的屋盖将2个展厅加上中间的物流通道连为一个整体，屋盖的平面投影尺寸为225m×258m，下部结构的轴测图如图10所示。

　　 图10标准展厅下部结构轴测图

　　 展厅建筑平面为矩形平面，展厅下部采用钢管柱+钢框架梁的钢框架结构，楼面采用压型钢板现浇楼盖。展厅屋盖跨度为99m，设计之初考虑建筑美观、使用、安全性等要求进行了多种方案的比较，投标期间的屋盖结构设计方案为空间网架结构，屋盖表面为双曲面，支承在周边每9m一根的周边柱上，如图11所示。

　　 随着方案的深化，标准展厅屋面的形式采用了平屋面，并采用平屋面上起柱子支承其上的造型装饰屋面的方式。下层平屋面结构采用了平面桁架，每9m一榀平面桁架，如图12所示。

　　 该方案存在的问题是:如果下部展厅钢结构先做，再在其上做造型屋面，其形式与形状都会受到限制，下部结构设计时要如何考虑荷载，该预留多少荷载，且每9m一个的出屋面立柱会造成大量的漏水隐患，如图13所示。

　　 由于深圳处在台风多发地区，风洞试验也表明屋面的风吸力非常大，屋面结构自重较轻，有相当大的区域风吸力大于结构自重。屋顶钢结构设计时，不同工况下平面桁架的杆件拉、压力会变换，采用平面桁架时要特别关注此问题。当平面桁架下弦受压及未设置有效的平面外支撑时，会产生平面外的失稳。

　　 展厅屋盖的结构形式可采用平面桁架或空间三角桁架等多种结构形式，由于每18m一榀的三角桁架空间效果更好，桁架间横梁与檩条间距合适，结构的整体性也较好，经过认证与评审后采用了间距18m的三角桁架的结构方案。

　　 早期屋面的造型是沿展厅长轴成曲线的，如图14所示，桁架上部做平则上部桁架与屋面不在一个面上，在桁架上用二次结构才能做出屋面的外形。如桁架上弦的外形与屋面外形一致，则桁架为异型三角桁架，这样每个桁架都不同，而且屋面的最低点在屋面中间，屋面中间要设置虹吸排水沟，排水沟下方就是展厅的正中间，排水路径较长，屋面建筑造型不合理。经反复讨论最后决定将原曲线反向转90°，这样曲线沿着展厅的短边，桁架外形与屋面外形一致，屋面排水沿短边排向两侧，虹吸排水沟在展厅的室外周边，优化后标准展厅结构轴测图见图15。

　　 展厅外挑部分原设计采用了在柱上直接伸出V形箱梁外挑的方式，标准展厅间采用了箱形钢梁连接在展厅的柱上，如图16所示，这样造成了支撑展厅屋盖的钢桁架不连续，支撑展厅屋盖悬挑部分的结构是采用V形钢箱梁从柱上直接悬挑，支撑展厅屋盖的结构采用三角桁架，支撑展厅间屋盖的结构是钢箱梁与展厅柱直接连接，这样的结构形式结构受力复杂，将本应为一个整体屋盖的结构强行分解成了几个无关的结构，其用钢量大、受力不合理、加工与施工难度也较大。

　　 经反复认证与研究最终修改为与整体屋盖相适应的连续整体三角桁架，即悬挑部分采用支撑展厅的三角桁架连续伸出改变桁架的高度悬挑，改变支撑展厅的桁架高度，从而使得各展厅连续过去，这样形成了一个连续的三角桁架结构，结构受力合理，形态美观，达到了建筑屋盖形式与结构解决方案的和谐与统一，如图17所示。

　　 图1 6 原标准展厅单榀结构效果图

　　 图1 7 优化后标准展厅单榀结构效果图

　　  

　　 采用SAP2000,MIDAS,YJK软件对结构整体进行了竖向荷载、风荷载、温度作用下全过程施工模拟分析，根据建筑结构性能目标进行小震、中震作用下受力分析，采用ABAQUS软件进行大震作用下的受力分析及考虑几何与材料非线性整体稳定分析。

　　 建筑结构的前三阶自振周期为1.1s(Y向平动)、0.95s(X向平动)、0.91s(扭转)。分析结果表明，屋盖的设计主要由恒荷载、活荷载、风荷载、温度作用控制，桁架上弦最大应力比为0.76，桁架下弦最大应力比为0.81(跨中)和0.74(端部)。

　　 本工程设南北二个登录大厅，南北登录大厅作为与地铁枢纽接驳的主要人流入口，将人流引导至中央廊道二层，使人流和货流避免交叉干扰，使布展和撤展的货流组织更为灵活。同时登录大厅承载了宴会、餐饮、会议等会展中心必备的核心配套功能，其中北登录大厅结构模型见图18。

　　 在登录大厅之上因建筑造型的需要做了一个大屋盖，其最早采用的结构形式为上弦相互交叉巨型箱梁，下弦采用钢拉索，巨型箱梁间纵向采用钢梁连接，采用斜柱支承屋盖，在斜柱根部与屋盖V形悬挑箱梁端部采用实心棒钢拉杆连接，提供平面内与平面外的刚度。屋盖跨度为108～146m，柱横向间距27m。该方案由于跨度较大，用钢量很大，下弦钢索曲线向上未能很好地发挥作用，负风压作用下无法发挥作用，该方案的特点是屋盖结构与下部登录大厅无关，是完全独立的结构，如图19所示。

　　 由于该结构方案复杂并存在较多问题，随着方案深化改为上部采用巨型钢箱梁，在无下部结构的钢架下弦采用钢拉索，在有下部结构的地方将下部结构的框架柱延伸用以支承上部屋盖钢架以减小钢架的跨度。钢架间在钢架的上部采用斜交单层网格用于连接钢架与支承屋面系统。该结构方案是由平面刚架加上空间网格结构，其用钢量大，空间作用小，未发挥空间网格的作用，在风吸力作用下钢索退出工作，如图20所示。

　　 经过进一步优化，将直接支承屋盖的柱改为四分叉树状柱，利用登录大厅的框架柱，并在登录大厅屋面以上改为四分叉树状柱支承屋盖，屋盖为箱形空间网格结构，见图21。修改后的结构形式，简化了结构构成与形式，减少了结构的层次，减小了结构跨度，柱间横向跨度为27,45m，纵向跨度27m，屋盖支撑树间跨度27m，降低了用钢量，并减小了加工与施工难度。箱形网格梁截面为□1 000×500×a×a(a为壁厚，取20,30,40,50mm不等)，网格尺寸为9m×9m;支撑柱截面为Ф1 500×b(b取50mm或者75mm)，树状分叉柱截面Ф800×34(施工图阶段优化后，支撑柱截面为Ф1 300×c(c取25,34,40mm)，树状分叉柱截面为Ф850×32，网格梁截面为900mm×250mm，详细信息见文献[4])。

　　 采用SAP2000软件作为主程序对地上钢结构构件进行设计。根据屋面构造做法，屋面恒载为1.5kN/m²，屋盖结构风荷载按风洞试验荷载取值，下部楼层结构按规范取值，考虑温度作用及竖向地震作用。

　　 建筑结构的前三阶自振周期为1.99s(Y向平动)、1.89s(X向平动)、1.87s(扭转)。钢构件应力比控制为不超过0.9，荷载组合考虑结构重要性系数1.1，楼盖采用压型钢板组合楼板。为降低构件尺寸，并增大钢管柱刚度，部分钢管柱内填充混凝土，并按相关规范复核钢管混凝土柱的承载力。

　　 深圳国际会展中心南北长1.7km，建筑总体布局采用高效便捷的鱼骨式，沿中央廊道两侧串联了南区16个2万m²的标准展厅、北区的2个多功能展厅和1个5万m²的超大展厅。南北近1.7km长的中央廊道，大大提高了人行交通的效率，并为展览的运营提供了极大的灵活性。

　　 中央廊道为2层建筑，采用钢管混凝土柱钢框架结构。二层以下大部分区域为9m×9m的标准柱网，中央廊道与展厅的连接处为18m×27m的大柱网，在中央廊道柱上设置滑动支座，支撑展厅与中央廊道的连接楼盖。根据展厅与登录大厅的布置设10道防震缝将建筑分为11段，在缝一端的柱牛腿上设置滑动支座以支承其上的楼盖并将建筑断开(图22)。

　　 二层楼盖以上柱网为18m×27m,18m×36m,18m×45m，用4分叉树状柱支承空间网格屋盖。支承屋盖柱截面为Ф1 200×40，分叉柱截面为Ф800×30,Q345B。箱形网格结构根据受力的大小其截面有□1 000×500×20×20，□900×400×25×40，□800×400×16×16mm等，钢材为Q345B。

　　 展厅、登录大厅、中央廊道存在许多复杂节点，根据节点的受力与建筑效果要求，采用了两种节点形式:1)对焊条件较好的节点采用钢板焊接节点;2)对于建筑效果要求高的节点采用铸钢以满足受力与美观的要求，如图23所示。采用ABAQUS软件进行各控制工况下内力的复核验算，包括小震、中震和大震。有限元分析结果表明，铸钢节点满足小震各工况弹性、中震弹性和大震不屈服的性能目标，节点设计合理可靠。

　　 节点的构造要保证力有效传递，兼顾美观与安全。根据以往项目经验，节点设计应全面分析其传力路径的可靠性和节点细部构造可能产生的影响，方能确保设计安全^[10]。根据整体分析结果提取杆件内力，采用实体有限元进行分析计算，以保证节点承载能力，并满足强节点的抗震设计要求。如分叉柱与屋盖钢梁连接节点、铸钢节点等，采用ABAQUS软件进行了实体有限元分析。

　　 分叉柱采用等截面设计，满足小震各工况弹性、中震弹性和大震不屈服的性能目标^[5]。其中，中震下插板与柱壁板接触的部位存在应力集中(图24、图25)，这与部件的接触定义和网格相关，且该处实际焊接可实现平滑过渡，缓减应力集中现象，依据经验，可以忽略，满足中震弹性的性能目标。

　　 图2 3 树状分叉柱节点铸钢模型

　　  

　　 图2 4 中震弹性下分叉柱梁节点应力状态/MPa

　　  

　　 图2 5 中震弹性下柱头的塑性应变云图

　　  

　　 (1)会展类建筑对展厅地面、室外展场及周边室外场地的要求较高，结合场地使用荷载要求，深圳国际会展中心地基处理主要采用高强预应力管桩复合地基，经处理后的工后沉降不大于15cm，承载力不小于100kPa。

　　 (2)会展类建筑跨度大，单柱受荷面积、单柱下轴力、弯矩均较大，深圳国际会展中心采用旋挖成孔灌注桩抗压和抗拔，方便成桩，承载能力有保证，可有效控制沉降量及避免差异沉降。

　　 (3)深圳国际会展中心地下室超长，考虑桩基刚度的影响、钢筋混凝土的收缩徐变、根据实际的施工组织，进行全面的模拟施工分析，并采取了一系列的构造措施，解决了超长结构的设计问题，为超长结构的设计提供了宝贵的经验。

　　 (3)风工程的研究对沿海地区会展类大跨建筑的设计非常重要，应重点关注风荷载取值对设计的影响。

　　 (4)空间结构屋盖的结构形式应根据屋面造型、使用与安全经济的要求合理选择，做到建筑结构和谐与统一。

　　 (5)巧妙合理地利用下部建筑框架柱支承上部屋盖结构，可有效减小屋面跨度，降低用钢量，降低施工难度，提高建筑的安全性。

　　 (6)节点实体有限元的分析是保障节点设计安全的有效方法。