生活体验馆是2019北京世园会主场馆“四馆一心”之一, 坐落于世园区的东北部。生活体验馆秉承“阡陌交通、田园集市”的设计理念, 将建筑的体块打散, 像乡村中的一个个小村社一样, 与大地紧密地结合在一起;为参观者营造了一个轻松、开放、能够触发人们交往和体验的空间。图1为建成后的实景照片。

　　 生活体验馆总建筑面积为2.1万m², 结构屋面最高点为23.85m, 地上共有7个单体, 平面位置示意如图2所示。1#主展馆地上2层, 地下1层;2#～7#展厅地上1层。本文将以1#主展馆为主介绍生活体验馆的结构设计。

　　 1#主展馆1层主要功能为展厅, 层高为8.4m;2层主要功能为展厅及以果、菜、药、茶为主题的空中园林。空中园林为种植屋面, 范围为图2的阴影填充区域;屋顶层采用曲面屋面, 屋面标高为16.70～23.85m, 两相邻标高控制点以直线连接, 实现整体屋面造型。

　　 建设场区表层为人工堆积层, 其堆积时间短, 土质不均, 厚度变化较大, 在地面荷载或受雨水等的影响作用下, 易发生沉降变形, 未经处理不宜直接作为天然地基持力层使用;表层下为新近沉积的粘性土层, 层位基本稳定, 土质较软, 承载力较低, 对轻体建筑物或对地基土承载力要求较低的建筑物宜可采用。第四纪沉积层层位基本稳定, 承载力较高, 可直接作为地基持力层。

　　 1#主展馆局部设置地下室, 地下室区域采用筏板基础, 其他区域为独立柱基。因筏板与独立基础之间存在较大的不均匀沉降^[1], 对独立柱基部分采用CFG桩复合地基;处理后的地基承载力特征值f_spk≥240kPa。处理后的地基沉降量≤50mm, 框架倾斜变形斜率不大于2‰。

　　 生活体验馆建筑结构的安全等级为二级, 设计使用年限为50 年, 混凝土耐久性使用年限为100 年;建筑设防类别为标准设防类 (丙类) , 抗震设防烈度为8 度 (0.2g) ;场地类别为Ⅲ类, 设计地震分组为第二组, 特征周期为0.55s;基本风压为0.45kN/m²;基本雪压为0.40 kN/m²;场地标准冻深为1.2m。

　　 本工程采用的主要材料为:基础混凝土强度等级为C40, 其他部位混凝土强度等级均为C35;受力钢筋为HRB400钢筋;钢材为Q345B。

　　 生活体验馆具有展览及互动体验的功能, 要求场馆具有大空间、空间分隔灵活等特点。基于该特点, 初步选择框架结构为本场馆的受力体系。分别按照钢框架和混凝土框架进行初步设计, 并分析对比设计结果, 选择合理的结构体系, 主要设计结果如表1所示。

　　 因本工程2层层高为8.5～15.6m, 框架柱截面主要受层间位移角控制。由表1可知, 在满足规范要求的前提下, 混凝土柱截面为1 200mm× 1 200mm, 远大于钢柱截面^[2,3,4]。

　　 通过与建筑专业协商, 并考虑施工等因素, 得出如下结论:1) 采用混凝土结构, 柱截面过大, 影响展陈面积, 及展厅装饰效果和室内景观布置;2) 世园会项目为国家重点项目, 绿色建筑目标为三星级目标, 产业化装配率要求高, 采用钢结构满足绿色建筑及装配建筑的相关要求;3) 因本工程层高较大, 采用混凝土结构施工时需设置满堂脚手架, 还存在高支模等难点, 施工周期长, 且脚手架及模板需求量巨大, 成本较大。综上可知, 本工程采用了钢框架结构体系。

　　 建筑平面接近正方形, 总平面尺寸为99m×99m;主要柱距为9m×9m;局部最大柱距为27m×27m。

　　 地上结构形式为钢框架结构;钢柱采用箱形截面;钢梁采用H型钢, 顶部设置栓钉与钢筋桁架楼承板连接;楼板为现浇钢筋桁架楼承板。结构整体模型如图3所示。

　　 2层室外平台处为种植屋面, 因覆土楼板需要局部降板, 室内外结构标高相差450mm;为满足景观设计需要, 室内局部展厅上空, 开设27m×27m大洞。降板和开洞造成2层楼板有较大范围的不连续性。为使2层楼板不仅能承受和传递竖向荷载, 并保证在地震作用下仍能可靠传递水平力^[5], 对2层楼板进行楼板应力分析。2层结构平面图如图4所示, 阴影填充区域为降板区域。

　　 2层楼板采用150mm厚钢筋桁架楼承板, 计算采用MIDAS/Gen软件进行建模, 用弹性板模拟该层楼板^[6]。设计目标为:小震工况下楼板混凝土不开裂。小震作用下楼板应力云图如图5, 6所示。

　　 因1#主展馆沿45°对称布置, X向与Y向地震作用下的结构响应极为相似, 以X向地震为代表进行楼板应力的设计分析。由楼板应力云图可见:

　　 (1) 本层绝大部分楼板在小震作用下楼板应力均小于1MPa, 即小于混凝土的抗拉强度设计值。可以保证小震作用下楼板不会出现裂缝, 能够有效地传递水平力, 协调本层各构件的变形。

　　 (2) 钢柱周边楼板存在较大的应力集中, 钢柱周边楼板的应力在1.4MPa左右, 但仍小于混凝土的抗拉强度设计值1.57MPa。考虑到柱周边楼板应力水平较大, 接近混凝土的抗拉强度设计值, 配筋时对该范围楼板进行局部加强, 如图7所示。

　　 (3) 室内外楼板有高差处, 楼板也有较大的应力集中。本层楼板最大应力值出现于楼板高差处且位于柱周边范围内, 最大的应力为4MPa。高差位于非柱边处的楼板应力平均值为2MPa左右, 大于混凝土的抗拉强度设计值1.57MPa。设计时对楼板高差处采用加强措施, 增大楼板厚度并加强配筋, 如图8所示。

　　 (4) 其他应力集中位置主要在扶梯开洞、中庭大开洞及楼梯间四角处, 特别是当开洞较为密集时, 楼板应力水平较高, 但楼板应力均小于混凝土的抗拉强度设计值。对楼板水平应力大于1MPa处增加附加钢筋进行加强。

　　 图8 降板处楼板做法示意图

　　 施工图设计时, 考虑到屋面为双向曲线, 各梁斜率均不相同, 若按照普通做法采用钢筋桁架楼承板, 难以保证楼承板与屋面钢梁的可靠连接, 也难以可靠传递水平力;故屋面板采用现浇混凝土板。而在施工过程中, 施工单位反映若采用现浇混凝土楼板, 需要设置满堂脚手架, 施工周期较长, 影响施工进度, 且屋面标高为16.70～23.85m, 2层楼面至屋顶标高差为8.5～15.6m, 屋面板施工需要高支模, 施工过程中危险性较高, 施工难度大。

　　 综合考虑多种因素后, 屋面板采用钢筋桁架楼承板, 并根据实际梁板的不同情况设计了不同的节点, 以保证屋面板在斜梁之间的可靠连接。典型节点形式如图9所示。

　　 图9 楼承板与钢梁连接节点示意

　　 在钢梁上设置垫板, 可保证施工过程中梁与桁架板可靠连接, 从而保证施工过程的安全。由于梁板相交位置处的混凝土厚度增大, 在保证原受力筋贯通的基础上, 在钢梁顶设置附加钢筋。

　　 综上可知, 在施工阶段, 特别是层高较大时, 与采用现浇混凝土板相比, 采用钢筋桁架楼承板有诸多优势, 如避免高支模、减少脚手架数量、降低造价、加快施工速度等。

　　 本工程钢结构防腐及防火设计除满足相应规范要求外, 还需注意:防腐保护层设计使用年限为10～15年。防腐涂料的防护设计年限是指整个钢结构表面从建造至需要重新涂装的时间。每隔10～15年应对钢结构进行全面检查, 在建筑物使用阶段, 应对钢结构进行健康监测, 发现损伤等情况应及时进行局部清理及涂层维修。

　　 本工程的耐火等级为一级, 主要钢结构构件的耐火极限为:钢柱为3h, 钢梁为2h。防火涂料必须通过国家检测机关检测合格及消防部门的认可, 防火涂料与钢结构防锈漆必须相容与适应。应选择绝热性好, 具有一定抗冲击能力, 能牢固地附着在构件上, 又不腐蚀钢材的防火涂料。

　　 本工程因建筑场地土质堆积时间短, 土质较软, 承载力较低, 基础采用独立基础和筏板基础两种形式。为减小基础不均匀沉降, 独立基础部分采用了CFG桩复合地基。通过对不连续楼板进行的楼板应力分析可知:楼板在柱边、高差变化处、洞口周边特别是相邻洞口间存在较大的应力集中, 在工程设计过程中需引起重视, 采取适当加强措施, 保证楼板在地震作用下仍能有效地传递水平力, 协调本层各构件的变形。

　　 双曲屋面采用钢筋桁架楼承板需采取适当措施使楼板与钢梁可靠连接, 保证施工和使用阶段的安全。