2019年11月10日,举世瞩目的第二届中国国际进口博览会(简称第二届进博会)在上海国家会展中心圆满闭幕。清华大学建筑设计研究院联合华东建筑设计研究总院承担了上海国家会展中心规模提升工程的设计任务,这项工程是第二届进博会13项重点配套工程之一。图1为项目实景图。“四叶草”造型的上海国家会展中心坐落于上海市青浦区徐泾镇盈港东路,作为首届和第二届进博会的主办地为世人所瞩目 ^[1]。“四片叶子”共有1～8号8个展厅,其中1～3号展厅为净高30余米的单层展厅。为满足第二届进博会的需求,需要对1,2号展厅进行改造提升,改造范围如图2所示。此次会展规模提升工程的具体内容包括:1)在1,2号单层展厅16m标高处加层将其改造为双层展厅。2)展厅两侧增设汽车坡道并在原结构中部以及展厅与办公楼之间16m标高处增设平台。汽车坡道与16m标高处平台形成闭环,作为交通和疏散环路。3)原展厅四周辅楼80%以上的办公用房改造为设备用房,在辅楼16m标高处增设3个18m宽的入口,使加建的16m标高处二层展厅与16m标高处平台连通,满足货车和消防通行要求。为此需要对辅楼进行结构加固。整个规模提升工程涉及改造面积约10万m²,其中新增展厅和平台坡道等面积约7.5万m²,加固改造面积约2.5万m²。

　　 本工程结构设计标准:结构设计使用年限为50年,结构耐久性年限为100年,建筑结构安全等级为一级,地基基础设计等级为甲级,建筑抗震设防类别为重点设防(乙类);结构耐火等级为一级。结构抗震设防相关参数:抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.10g;设计地震分组为第二组;场地类别为Ⅳ类;特征周期为0.75s,框架抗震等级为三级。

　　 对照会展一期设计图纸和现场实际情况,针对此次提升工程的具体要求通盘考虑,将本工程分为展厅1工程(展厅1,2,见图3)、坡道和16m标高处平台工程(A～K区)、桩基工程、加固工程4大模块,平面分区及剖面示意图如图4,5所示。每个模块又有若干子模块,各模块为相互独立的结构单元,根据各个结构单元的不同特点有针对性地进行结构设计。其中展厅采用箱形钢框柱-双向钢桁架的结构体系,坡道和16m标高处平台采用钢框架结构体系,各结构单元均采用压型钢板-现浇钢筋混凝土楼板体系。

　　 本次规模提升工程在原建筑形象和主要功能不变的前提下进行改造,面临诸多不利条件,结构设计面临巨大挑战。展厅工程和桩基工程两个模块体现了本工程的主要特点和难点,本文将重点进行分析和介绍;坡道和16m标高处平台工程(A～K区)、附楼加固工程两个模块涉及面广,工作量大,内容繁琐,通过深入现场细致调研,采用常规设计方法便很好地实现了建筑功能和效果,本文对此做简要介绍。

　　 由于设计和施工周期短,场地空间限制,不可能进行大体量的湿作业施工,钢结构的设计方案成为必然选择。展厅加层最大柱跨X向为27m,Y向为36m,设计活荷载为15kN/m²,恒荷载为8.5kN/m²。针对重荷载大跨度的特点,展厅采用箱形钢框柱-双向钢桁架结构体系。展厅大量结构杆件板材厚度在60～100mm,大量这种规格的厚板焊接节点在国内民用钢结构工程领域并不多见,需对厚板连接各项性能进行专项研究及多项性能试验。

　　 不改变原结构的抗震性能及抗侧力体系是本工程结构设计的一个重要原则。本工程新老结构关系错综复杂,在改造中需要确保原有结构安全及部分功能不中断。设计中必须处理好新老结构关系,采用了避让、利用、拆除、改造等多种有针对性的处理方案。

　　 已有建筑物内部的桩基基础设计是本工程的另一个重点和难点。成桩工艺要确保原有结构基础不受扰动,成桩过程的振动和噪音不能影响邻近展厅的正常运营。为此,设计团队在桩基础方案选择和设计上不能循规蹈矩,要打破常规。

　　 1,2号展厅Y向最大长度约256m,X向最大长度约106m,呈“半片叶子形”,两个展厅加上外侧的办公楼组成“四叶草”造型的一片“叶子”。通过设置结构缝将加建展厅与原主体结构分开,成为独立的结构单元。

　　 由于展厅楼面活荷载为15kN/m²,楼面恒荷载为8.5kN/m²,设计荷载远超一般工程的楼面荷载,属于大跨度钢结构重荷载楼面工程。由于设计荷载大,结构构件内力峰值大,需要较大的桁架矢高以满足计算要求。但建筑功能要求首层展厅净高12m,这实际上限制了桁架高度。另外,本工程设备系统复杂,设备管线尺寸大、数量多。

　　 针对结构特点和上述外部条件,展厅采用箱形钢框柱-双向钢桁架的结构体系。桁架体系刚度大,自重轻,受力简单明确。采用YJK和ETABS有限元软件进行结构计算并相互校核。表1列出了结构整体指标计算结果,图6为展厅结构竖向位移云图。从整体计算结果可以看出,结构周期、最大层间位移角、最大位移比等整体计算指标均满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)的要求。桁架采用单斜式腹杆布置,减少了杆件数量。桁架杆件典型节间关系如图7所示。桁架最大柱跨X向27m,Y向为36m。X,Y柱间布置双向平面主桁架,Y向间隔9m布置次桁架,各桁架边跨悬挑9m,设结构缝与四周辅楼分开。图8为主桁架立面示意。上弦沿Y向桁架间隔3m布置楼面钢次梁,采用压型钢板-现浇钢筋混凝土楼板体系,桁架下弦布置隅撑和水平支撑。

　　 设备管线从结构桁架的节间空隙穿插,解决了结构和设备争用有限空间的矛盾。钢桁架总高度3.8m,上弦杆件上翼缘平齐,下弦杆件下翼缘平齐,展厅不设吊顶。从图9所示的完成效果上可以直观地看到,加层结构线条简明紧凑,经济合理,毫无浪费空间,达到了结构和建筑、设备完美的结合。

　　 桁架杆件计算采用梁单元模型,不考虑楼板面内刚度对桁架杆件轴力的影响。为兼顾经济性,对上弦次梁考虑组合楼板作用,按组合梁计算。箱形钢框架柱最大截面为□1 100×1 100×100×100,钢桁架杆件采用焊接H型钢,最大截面为H900×900×80×80,桁架腹杆最大截面为H700×700×60×60。钢柱最大轴力为47 000kN,主桁架杆件最大轴力为26 000kN。此外,由于杆件尺度较大,还产生了较大的节点次弯矩。结构钢框架柱最大应力比控制在0.75以下,桁架杆件应力比控制在0.80,见表2。桁架节点采用刚接计算、刚接设计,桁架与钢框柱,桁架节点均采用全熔透等强焊接刚接节点。桁架斜腹杆采用端部弯折15°扩大角与上下弦连接,图10,11分别为典型桁架节点示意和3D模型。这种做法满足强节点的特点,杆件轴力传递明确可靠,同时安装简便,节省空间,便于管线穿插。图12,13分别为现场焊接和拼装的状况,由图可知,工程施工很好地实现了原有设计效果。

　　 展厅工程大量结构杆件板材厚度为60～100mm,大量这种规格的厚板焊接节点在国内民用钢结构工程领域并不多见。联合清华大学土木系、华东建筑设计研究总院和上海机施集团组成专项技术团队,对厚板连接各项性能进行专项研究,并进行多项性能试验,研究厚板条件下的梁柱节点受力特点和抗震性能,试件加载装置示意图见图14;分析单调和循环加载 ^[2]下厚板十字形焊接接头的受力状态、破坏特征、承载能力和延性水平等,十字接头试验装置图见图15;通过厚板对接焊缝循环加载试验(图16),研究厚板母材及焊缝力学性能(图17)。通过多个试验,探究板厚、焊接工艺、焊接速度、环境因素对材料和节点各项性能指标的影响。采用理论与工程实际相结合的方法对取得的试验数据进行分析。

　　 本工程柱底内力大,柱脚设计必须做到安全可靠。在上海国家会展中心一期设计时,1,2号展厅内按当时的设想预留了部分桩基础,在本次提升工程中要充分利用预留条件。由于当时并未考虑到此次改造的具体要求和面临的具体条件,设想的结构体系也不尽相同,预留的桩基并不完全和上部结构吻合。

　　 采用了外包式柱脚 ^[3]节点设计,利用现有桩基础,将预留桩截至新的设计标高。外包式柱脚包脚混凝土柱高度2.8m(柱顶标高-0.1m),外包混凝土厚度700～900mm,柱脚下做2m厚钢筋混凝土承台,确保总挖深4.8m,典型柱脚节点如图18(a)所示。对于个别坐落在已有承台上的钢柱,对基础复核确保满足要求后,充分利用已有承台,不影响承台上的现有混凝土柱安全。在柱脚范围内放坡凿出下凹的“柱脚窝”,满足柱脚锚栓埋入深度要求。为使钢柱脚与承台更好地结合为一体,在原承台表面凿毛并刷界面剂,植入竖向抗剪短筋后在承台上浇筑500mm厚叠合层,增加钢柱基础整体性,确保了柱脚节点的可靠性,典型柱脚节点如图18(b)所示。为加强柱脚的受剪承载力,设计在钢柱底部2m范围内灌筑C45混凝土,同时在柱内壁布置栓钉加强抗剪能力。在钢柱底部设置加了劲肋,将底板分格,加强柱脚底板刚度,使其满足计算要求。图19为钢柱脚节点现场施工状况,图20为钢柱与柱脚现场连接情况。

　　 桩基工程是本次规模提升工程另一个重点和难点。原工程采用预应力混凝土管桩 ^[4],成桩工艺为打入式。在本次规模提升工程中,此成桩工艺完全不可采用。例如,本工程展内外环境复杂,室内作业空间有限,大型施工机械很难施展;整体高度限制了机械作业空间,部分改造区域邻近原有结构,桩基与现状建筑物最小距离仅50cm,必须确保桩基施工不影响原有结构安全;1号展厅少量桩基邻近地铁50m影响线,保护难度大;在展览外围(坡道等)进行桩基施工第一阶段,需要保障1,2号展厅内仍正常商业运营布展,不能产生过大的施工噪音和振动等。面对上述难题,不能采取常规的桩基成桩工艺和施工手段。为此,采用了在民用工程中较少应用的一种成桩工艺——钢管桩高频免共振沉桩工艺 ^[5]。钢管桩的施工和截桩现场情况如图21和图22所示。这种工艺具有免共振、噪声小、无泥浆、挤土效应小、对土体几乎无扰动、对周边建筑影响小、施工速度快、对环境友好等优点,有效解决了本工程的相关问题。

　　 单桩竖向抗压静荷载破坏性试验结果表明,钢管桩单桩竖向承载力能够达到设计要求。本工程采用免共振锤施工钢管桩330根,桩径ϕ700,桩身为螺旋焊缝钢管,钢材Q355B,壁厚14mm,设计桩长40m和56m,最小接桩长度6.5m,最大接桩长度21m。如图23钢管桩构造详图所示,在桩顶以下2m范围内配置螺旋箍筋和纵筋,并灌注混凝土,形成局部钢管混凝土段。在桩顶设置环向钢板,环向钢板上焊接8块加劲肋,焊接在加劲肋上的纵筋向上深入到承台1m,同时在这段纵筋范围内设置螺旋箍筋。通过计算和细部构造措施确保钢管桩在压桩过程中不发生局部受压屈曲变形,同时使得钢管桩与承台可靠连接,确保上部结构柱底内力通过承台可靠传递给钢管桩。此工程采用的高频免共振施工钢管桩工艺是在民用建筑工程领域的一次创新,达到了很好的预期效果。

　　 坡道和16m标高处平台工程(A～K区)为比较繁琐的工程模块。由于需要在原有8m标高处平台之上增加16m标高处车道平台(B区),如图24所示。增设的钢框架柱需要穿过8m标高平台楼板与原结构相互独立;展厅和办公楼之间增加的16m标高处平台(J,K区),需要将在原地下室的混凝土柱上接出钢柱并按铰接设计柱脚。经过结构设计,通过多种结构方案相结合,多种工艺手段的运用,将A～K区环通,形成重要的交通运输和疏散环路。从图25所示的加建平台的完成情况看,完全达到了设计的预期效果。

　　 为了满足本次提升工程需求,辅楼很多办公用房需要改造为设备用房,并有较多楼板需要重新开洞。通过对改造前后模型的对比计算,改造后结构刚度和重力荷载代表值的变化分别不超过原来的10%和5%时,结构周期、位移等整体指标均满足要求,可不计入地震作用变化的影响。需加固的主要是梁、板构件,按照改造前后静载作用下配筋的差值进行构件补强。加固方法以粘贴碳纤维复合材、增设钢次梁加固为主,此方法具备基本不显著增加结构自重,施工周期短,耐腐蚀耐潮湿的优点。

　　 本工程设备管线尺寸大,数量多。其中暖通静压箱尺寸达到3m×2.3m,主管3m×0.8m,支管直径900mm。为了做到精细化精准化设计,笔者团队与设备专业及其专项深化单位密切配合,引入BIM进行三维碰撞设计 ^[6],如图26所示。将矛盾和问题提前在设计阶段解决,避免工作反复和重大调整。在结构合理的前提下,结合设备管线布置方案,桁架腹杆体系采用单斜式布置,节间段形成轴线宽高均为3m的三角形空间,便于管线布置。展厅边缘不设封边桁架而采用悬挑次梁的形式,形成较大空间,使较大设备主管线能够从辅楼伸出进入展厅。主管道进入展厅边缘区域后通过一分多,转换为多个较小管道后进入展厅内部各区域。

　　 针对不同工程模块的特点和难点,逐个分析问题,确定结构方案。加建展厅采用箱形钢框柱-双向钢桁架结构体系,针对重荷载楼面、厚板连接和柱脚节点进行了专门研究和合理设计;针对加建16m标高处平台和坡道环路与原有结构关系错综复杂的特点,划分多个独立结构单元,结合现场条件采取不同解决方案;采用民用建筑工程领域较少应用的高频免共振施工钢管桩工艺,达到良好的预期效果;采用BIM技术进行精细化设计,设计过程中动态处理建筑结构和设备专业条件的复杂关系,实现了合理的空间布置和经济性。