限额设计^[1,2,3]是项目在可行性研究阶段基于以往同类工程的投资估算, 以经济性为优先考虑因素的设计。限额设计本质上是减少工程投资, 而影响工程投资的两个主要因素是材料类型和材料用量。因此, 其对结构设计提出了三方面的要求:1) 优化结构体系; 2 ) 节省材料用量; 3 ) 减轻结构荷载。本文结合实际工程案例, 以景观公园中的构筑物为研究对象, 针对限额设计提出了一系列措施^[4,5], 通过结构方案比选、构件截面验算、建筑高度和轮廓调整、楼面墙面材料选取等对结构进行优化设计。

　　 近年来, 随着国家和社会对生态文明建设的大力推进, 人民对美好生活环境的需求日趋增长, 风景秀丽的公园成为了人们休闲健身青睐的去处。2019北京世界园艺博览会 (简称2019北京世园会) 作为世界园艺界一大盛事, 是未来北京城市公园不可缺少的组成部分。在世园会的配套建设中, 1号门和2号门作为主入口大门, 是体现世园会园林特色的重要景点。

　　 1号入口“礼乐大门”位于中国园艺轴起点, 造型与中国馆遥相呼应, 如图1所示, 钢结构擎起琉璃色檩条与深远的出檐, 充满中国韵味。布局上, 大门由中间5榀构筑物和两侧门房组成。构筑物和门房围合的区域为门区前广场排队等候区。中间的5榀构筑物形成5个入园票检通道, 穿过入园通道则进入安检区。构筑物和两侧门房之间的区域则为左右出园闸机通道。构筑物沿中轴对称, 匡山入门, 进退错落。

　　 5榀构筑物采用钢框架结构, 耐火等级三级, 建筑高度9m, 总平面尺寸95.4m×48.6m。中间一榀构筑物跨度为16.2m, 两侧4榀每榀跨度皆为14.4m, 礼乐大门平面图如图2所示。每榀构筑物由6根钢柱擎起, 南北两侧悬挑8.1m的工字形钢梁形成出檐。钢梁上均布琉璃色矩形钢椽, 椽上覆浅灰色半透明阳光板, 板上压琉璃色铝方通。构筑物出檐区域下表面以琉璃色格栅为装饰。特色上, 礼乐大门深远的出檐呼应了传统木构建筑的出檐做法。

　　 2号入口“林荫大门”位于国际园艺轴起点, 造型与国际馆遥相呼应, 花束柱撑起的曲面钢网架屋面, 仿佛生长着的自然植物拥抱四方来宾, 如图3所示。林荫大门由构筑物和两侧门房构成。从大门前区望去, 两侧门房和中间构筑物掩映在曲线树阵之中, 仅仅露出曲面网架上部区域, 凸显“林荫中的大门”的设计理念。

　　 构筑物为11组向上展开的花束柱撑起的单层曲面钢网架。花束柱与景观设计相结合, 宛如蓬勃生长的植物。两侧门房平面流动有机, 形似张开的双臂, 迎接八方来客。立面为灰色条状文化石, 肌理自然和谐。材料上, 构筑物选用阳光板、膜、钢材;门房选用石材立面。建筑高度11.7m, 总平面尺寸130m×20m。

　　 根据礼乐大门建筑造型的要求, 初步考虑可采用的结构形式有钢框架结构和混凝土框架结构, 对这两种结构方案在同等条件下进行定性对比分析。

　　 如表1, 2所示, 在满足计算要求的情况下, 钢框架截面尺寸比混凝土框架减小30%～50%。混凝土框架构件截面较大, 会影响建筑方案效果, 故礼乐大门结构方案选择钢框架结构, 如图4所示。

　　 建筑初始方案中每榀框架的平面尺寸为18m×36m, 建筑高度12m。在保证园区入口功能和建筑效果的前提下, 为了凸显出大门的主次感和层次感, 适当缩小柱网, 将中间榀跨度减小到16.2m, 两侧4榀跨度减小到14.4m, 如图5所示;根据调整后的柱跨, 适当减小建筑高度, 优化后建筑高度减小到9m, 如图6所示;选择重量较轻、性价比较高的屋面材料以减小构件截面尺寸和材料用量, 最终屋面选用了轻质的铝方通作为檩条, 选用轻质的阳光板作为屋面板材料。

　　 林荫大门的曲屋面钢网架由11个花束柱支撑, 如图7所示, 按方案一进行试算, 如图8 (a) 所示, 根据建筑造型的要求, 所有杆件截面暂取ϕ273×8, 由图9 (a) 可知, 撑头圈杆最大应力比达到1.863, 曲撑最大应力比达到1.268, 可知钢网架受力最大部位在柱帽区域, 所以应加强柱帽设计, 提高柱帽刚度, 使柱帽传力更有效。

　　 由此提出柱帽增加加强环方案, 即方案二, 如图8 (b) 所示。由表3可知, 撑头圈杆最大应力比为1.910, 曲撑最大应力比达到1.037, 柱帽处杆件受力仍然很大, 屋面杆件应力比基本没有变化, 说明增加加强环仅能提高曲撑协同作用, 并不能使柱帽有效传力。

　　 依据上述应力结果, 提出增加加强环和加强柱帽撑方案, 即方案三, 如图8 (c) 所示。由表3可知, 曲撑和撑头圈杆应力比均不大于1.0, 且屋面杆件应力比显著减小, 说明增加加强柱帽撑能显著提高柱帽的有效传力。

　　 前述3个方案的屋面杆件在柱帽处不连续, 考虑到柱帽处屋面杆件连续对柱帽传力更有效, 在方案三的基础上增加了柱帽处屋面杆件连接即方案四, 如图8 (d) 所示。由表3可知, 所有部位杆件的应力比都有所减小 (图9 (b) ) , 说明柱帽处屋面连续能显著使得柱帽有效传力。

　　 如表3, 4所示, 随着柱帽刚度的增加, 结构杆件应力比减小, 结构传力更有效;柱帽处屋面杆件连续, 应力比减小, 结构传力更好。综合考虑建筑效果和受力合理性, 林荫大门最终选用了方案四, 如图10所示。　

　 不同柱帽方案构件应力比对比结果 表3

 柱帽方案优化受力性能对比 表4

　　 注:柱底反力在各方案中对应同一位置。

　　 图10 典型花束柱模型

　　 在相同荷载条件和杆件截面下, 大三角形单元比小六边形单元的工作效率更高。为了节省钢材用量, 同时降低施工难度, 屋面网格单元由正六边形优化为正三角形, 节间长度由1.2m改为4m, 如图11所示。

　　 为了减小柱跨和悬挑长度, 将花束柱位置进行了调整, 使其尽量靠近屋面轮廓边缘。在保证园区入口功能和建筑效果的前提下, 缩小屋面轮廓, 如图12所示。根据屋面轮廓调整建筑高度, 最终建筑高度从13m减小到11.7m。

　　 以2019北京世园会主入口大门构筑物结构设计为例, 针对限额设计提出了一系列措施, 从比选结构方案、优化结构布置、优化构件截面、优化建筑轮廓和高度、选择质轻且性价比高的楼面墙面材料等几个方面对结构进行了优化设计, 在保证建筑功能需求和建筑方案效果的同时使结构受力更合理, 建造成本更节约。