深圳国际会展中心项目^[1]位于深圳宝安国际机场以北、空港新城南部，以承接大型展览为主要功能，可举办超大型展览。本项目地上建筑由11栋多层建筑组成，其中1栋由16个建筑面积2万m²的标准展厅^[2],2个建筑面积2万m²的多功能展厅，1个建筑面积5万m²的超大展厅^[3]，南北2个登录大厅^[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、垃圾用房等配套设施。项目总建筑面积160万m²。

　　 北登录大厅为多层公共建筑，建筑高度23.6m，小于24m，屋顶上方设有金属装饰屋面，装饰屋面最高点标高为40.1m，总建筑面积101 463.95m²。北登录大厅建筑外轮廓尺寸约530m×128m，考虑建筑造型需要，装饰屋面切分为两个屋面，东西对称，轮廓尺寸约186m×128m，长度小于300m;最大柱距为45m，柱顶采用分叉柱的形式与装饰屋面网格结构连接，支点间间距为27m，跨度小于120m，建筑效果图见图1^[4]。

　　 该工程抗震设防烈度为7度，设计地震基本加速度为0.1g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，特征周期为0.45s。抗震设防类别为乙类。设计基准期为50年，结构安全等级为一级，结构重要性系数取1.1。地基基础设计等级为甲级，建筑桩基安全等级为一级，钢结构抗震等级为三级，建筑结构构件耐火等级为一级。

　　 风荷载设计参数见文献[4]。方案阶段，风洞试验条件尚未成熟，根据经验，采用的体型系数如表1所示(位置示意见图2)，风振系数统一取1.6。施工图阶段，根据风洞试验的结果复核构件设计。

　　 地下室混凝土部分设计温度:合拢温度取20～25℃，考虑混凝土在使用期间的建筑面层做法及室内空调的影响，最高温度取最热月平均温度，最低温度取最冷月平均温度，则整体温差取升温15℃，降温15℃。地上钢结构部分设计温度:合拢温度取20～25℃，温度取至极值温差，则整体温差取升温20，降温20℃^[4]。

　　 第一轮方案一的结构布置示意图如图3所示，整个登录大厅由18榀空间拱+索结构和主梁组成主要受力体系。拱全长(含悬挑)108～146m不等，悬挑约为20m。各榀之间间距27m，其中正中间拱间距增大为36m。东西两端悬挑，最大跨度约为19m。承压拱呈空间弧形，分为对称的两肢，截面为□1 500×800×50×50，在柱顶汇交。两肢截面在柱顶附近增大为□1 700×800×50×60(悬挑端为□1 700×800×60×60)，最后在柱顶合二为一，给定截面为□2 100×1 400×80×80。楼面主梁有□700×500×28×25，□700×500×15×18、圆钢管Ф219×6等截面。

　　 下部设置钢拉索，采用Ф300实心棒钢，计算模型中定义为只拉不压(计算模型中截面为4Ф150实心棒钢)。钢拉索随拱的弧度变化起坡，同样为上拱的曲线，最大矢高约为6.8m。拱与索之间设置钢拉杆(计算模型中定义为只拉不压)，截面为Ф100实心棒钢，以使索能参与受力，且拉杆与屋面的主钢梁形成稳定的三角形，对拱和索进行约束。

　　 拱两端设置截面为Ф1 600×60的斜柱支承，此斜柱顶底均采用铰接。在结构悬挑的远端设置钢拉杆，以维持整个结构的受力平衡和面外的稳定。

　　 第一轮方案二采用平面拱+索结构，结构布置示意图如图4所示，屋面设置交叉网格结构承受荷载并对平面拱结构形成约束。承压拱为空间弧形，构件截面为□2 000×1 200×80×65，□(1 800～2 000)×1 200×80×65，□1 800×1 200×80×65，□(2 000～2 700)×1 200×80×65等形式，两肢截面在柱顶附近增大为□2 700×1 200×80×65(悬挑端为□(1 400～2 700)×1 200×80×65)。楼面网格结构梁为□650×400×25×20，水平系杆采用圆钢管Ф273×8。

　　 在第一轮方案一的基础上将下部设置的钢拉索在计算模型中截面定义为3Ф150实心棒钢，其余参数同第一轮方案一。

　　 拱两端设置截面为Ф1 600×40的斜柱支承，此斜柱顶底均采用铰接。在结构悬挑的远端设置钢拉杆，以维持整个结构的受力平衡和面外的稳定。

　　 第一轮方案一采用空间拱结构，通过设置下部拉索和各钢拉杆可以维持自身的平衡和稳定，整体性相对较好，但通过分析，该方案结构可能存在以下问题:1)下部索采用上拱的曲线，效率较低，且会对拱结构产生额外的拉力才能达到应力平衡;2)下部索采用只拉不压杆件定义，未考虑风荷载或竖向地震作用下可能引起的下弦受压的问题，一旦风吸力或者竖向地震所引起的压力超过结构自重产生的拉力，结构将无法达到应力平衡;3)如下部索受压，其面外稳定问题需复核;4)柱截面较大，难以实现铰接的设计;5)柱顶节点受力复杂且至关重要，宜重点分析柱顶节点。

　　 第一轮方案二采用平面拱结构，须通过屋面网格结构才能维持稳定，整体性较差，且同样存在方案一所存在的问题。

　　 统计各单工况下下部索的轴力计算结果，如表2所示。可以看出，恒载作用下下部索的拉力为10 586.9kN，小于风吸力产生的压力11 732.7kN，因此在风荷载作用下，下部索将出现轴力反号受压，不能定义为只拉不压杆件。另外，考虑中震下构件轴力为小震下构件轴力的2.8倍，大震下构件轴力为小震下构件轴力的4～5倍，中大震作用下下部索亦将出现受压。

　　 根据方案公司提供的两个方案和构件截面进行设计复核，按强度(区别于稳定)计算得到的应力与材料强度的比值(应力比)如表3所示，两个方案均有一定数量的构件应力超出材料的设计强度，且绝大部分的构件应力比很低。

　　 拱结构跨度变化较大(65～105m)，杆件内力差异较大，但拱结构构件、撑杆均采用相同截面，材料利用率不高。根据方案公司给出的数据，第一轮方案一钢材用量为247.61kg/m²，第一轮方案二钢材用量为298.80kg/m²。应根据跨度对拱结构构件和索截面进行优化;对于应力超出设计要求的杆件，应增大截面或采取必要的措施。

　　 空间拱在大跨空间结构中应用较为广泛，能将人们对建筑物的功能要求、感观要求以及经济效益完美地结合在一起。为能最大限度发挥此结构方案的优点，对此做了一些拱矢高的参数分析工作:拱间距取27m，拱跨度为104.5m，其两端悬挑的长度均为20.74m，拱矢高分别为8.9,11,12,13,14m(对应方案OP1～OP5)，拱形式如图5、图6所示;方案OP6采用Y形柱以减小拱跨度，拱形式和尺寸如图7、图8所示。

　　 各方案的经济性指标如表4所示。从表4中可以看出，拱矢高越大，屋盖单位用钢量越小;当矢高达到13,14m时，经济性指标已差别不大。采用Y形柱减小拱跨度的方式，效率最高。

　　 经过多次讨论，方案公司提交了第二版结构方案作为终版条件，如图9、图10所示。斜撑柱采用变截面的矩形管，柱顶截面为□2 600×1 500×60×60，柱底截面为□1 300×1 500×60×60;斜向拉杆采用Ф931×34圆钢管;拱结构有三种矩形管截面:变截面□(1 900～2 600)×1 500×70×90，变截面□(1 700～2 600)×1 500×60×60，□1 900×1 500×50×55;下部索采用实心钢拉索3Ф120;上下弦之间的腹杆索采用实心钢拉索Ф100;支撑金属屋面的斜交网格梁次结构采用H800×400×25×25。

　　 在有下部结构的范围，把下部结构柱顶升至屋盖标高，支承装饰金属屋面;金属屋面主体结构采用平面拱结构，取消下部索。无下部结构的范围，依然采用平面的拱索结构。

　　 金属屋面采用层次分明的多重主次结构体系，主体结构如图11所示，金属屋面的檩条主结构如图12所示，两者不在同一个标高，通过在拱结构两侧设置隅撑来支承檩条主结构，再在其上做檩条的次结构及金属屋面的相关构造。

　　 通过分析第二轮方案的结构形式和受力特点可知，主次结构完全独立，不妥;次结构不能有效约束主结构拱的面外变形，拱的面外稳定问题需要采取额外的构造加强措施;次结构的斜交网格未参与整体受力，仅仅作为荷载施加在主结构上，较为浪费。网格结构杆件采用工字形截面，施工和加工较为困难等。

　　 基于经验，提出两种建议方案，其思路为:1)主次结构整体受力;2)网格构件改为箱形截面;3)屋面立柱支承由直立柱改为Y形柱或树状分叉柱，以减小结构跨度;4)取消网格杆件之隅撑，取消纵向支撑;5)斜撑柱由变截面矩形管改为圆钢管截面。

　　 Y形柱建议方案的结构模型如图13所示，优化后的截面分别为:斜撑柱和Y形柱立柱采用圆钢管柱，截面为Ф1 400×50;斜向拉杆和Y形柱分叉柱采用圆钢管柱，截面为Ф900×30;拱结构有两种矩形管截面:变截面□(1 500～2 100)×700×40×60，□1 500×700×30×50;下部索采用实心钢拉索3Ф120;腹杆索采用圆钢管，截面为Ф245×10;支撑金属屋面的斜交网格次结构经细化后采用三种截面:□600×300×10×14，□700×300×12×16，□800×400×14×20。

　　 树状分叉柱建议方案的结构模型如图14所示，优化后的截面分别为:斜撑柱和树状分叉柱立柱采用圆钢管柱，截面为Ф1 400×50;斜向拉杆和树状分叉柱采用圆钢管柱，截面为Ф900×30;拱结构有两种矩形管截面:变截面□(1 500～2 100)×700×40×60，□1 500×700×30×50;下部索采用实心钢拉索3Ф120;腹杆索采用圆钢管，截面为Ф245×10;支撑金属屋面的斜交网格次结构经细化后采用两种截面:□700×300×10×14，□800×400×14×20。

　　 图1 3 Y形柱建议方案结构模型

　　 图1 4 树状分叉柱建议方案结构模型

　　 第二轮方案在保证屋盖建筑造型不变的同时，充分利用了主次结构共同受力。优化网格结构构件的截面和形式，以节省用钢量、易于施工焊接。改变屋面立柱的支承形式，减小结构跨度，有效降低大跨主拱钢梁的截面尺寸。然而，出于建筑效果等考虑，建议思路均未被方案公司采纳，依然维持原方案设计。

　　 由于钢结构用量超标，甲方要求对屋盖结构进行优化，方案公司提交第三版结构方案，即树状分叉柱+网格结构方案，如图15所示，更新后的建筑效果图见图16，基本采用了之前建议的树状分叉柱方案。树状分叉柱与网格梁的连接节点采用图17所示的形式^[5]。主要构件截面为:树状分叉柱立柱采用圆钢管柱，截面为Ф1 500×50，Ф1 500×75两种规格;树状分叉柱采用圆钢管混凝土柱，截面为Ф800×34;斜交网格结构采用三种截面:□1 000×500×20×20，□1 000×500×30×30，□1 000×500×40×50。第三方造价咨询单位根据方案公司提交的图纸得出的统计用钢量为471kg/m²，大于常见经验数据的范围。

　　 根据方案公司移交的第三轮方案图纸，基于不调整结构布置和构件外轮廓尺寸要保持一致的要求，对屋盖结构构件的尺寸进行了优化。优化后的构件截面为:树状分叉柱立柱采用圆钢管混凝土柱，截面为Ф1 300×25，Ф1 300×34，Ф1 300×40三种规格，内填充C60混凝土;树状分叉柱采用圆钢管柱，截面为850×32;斜交网格结构采用四种截面:□900×250×18×18，□900×250×18×24，□900×250×18×30，□900×250×30×100。第三方造价咨询单位统计的用钢量为212kg/m²(屋盖主体结构实际为172kg/m²)，比第三轮方案的用钢量大幅降低。

　　 网格梁构件节间取为直线，以减少弯扭构件的数量。为保证屋盖的建筑效果，两侧悬挑部分的下凹区域仍采用弯扭构件，便于与支承柱连接节点对接^[5]。

　　 分叉柱与屋盖网格结构的连接节点原方案拟采用变截面锥管柱与网格梁下翼缘板连接(图18)。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^[6]。通过计算分析，该连接形式存在较大的结构安全隐患。通过各工况的受力分析，确定采用等截面柱的连接形式，可满足受力需要^[5]。

　　 各树状分叉柱仅有一个点与下段柱相切，其余柱壁板均悬空，且四个柱的壁板分布在不同的区间，需要通过一定的构造措施来实现过渡，实施困难且难以保证直接传力，故采用铸钢节点的连接形式。铸钢节点的剖面图和三维实体模型如图19和图20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。

　　 本文主要介绍了深圳国际会展中心登录大厅装饰金属屋面屋盖主体结构的设计，包括设计标准，荷载取值，结构方案的演变过程等，对一些设计过程中的关键技术问题和解决思路进行了阐述。第一轮方案采用拱+索的结构形式，拉索上拱，效率较低，且在风吸力或竖向地震作用下，索会出现受压的情况，布置不合理，用钢量大;第二轮方案宜将工字形梁改为箱形，下部结构的柱可支撑屋盖大梁以减小跨度，檩条主结构与主体结构分层设置、单独受力不合理;由于用钢量超标，方案公司修改结构方案，但用钢量仍较大。基于受力分析和方案公司定的原则，对屋盖结构进行优化设计，并确定了最终的落地形式即树状分叉柱+空间网格梁结构，为类似项目的设计提供参考。