建筑會議中心鋼網架與鋼結構設計方法

胡松波 關杰

中機國際工程設計研究院有限責任公司 湖南長沙 410007

摘要：建筑會議中心加工制作是以鋼網架與鋼結構設計圖作為基礎，是否能夠完善、準確性的進行深化設計對工程施工工期產生直接的影響。深化設計的周期以及深化設計的難度在很大程度上受到施工圖結構體系、設計深度的影響。本文以某建筑會議中心作為案例，對建筑會議中心鋼網架與鋼結構設計方法進行全面探討。

關鍵詞：建筑；會議中心；鋼網架；鋼結構；設計方式

一、工程概況

某國際會議中心位于一線城市東部海邊，具有獨特的造型，建筑總體面積為14m2，分成地上4層與地下1層，建筑總體高度為58m；該國際會議中心以多支撐筒體大懸挑大跨度復雜空間結構體系為主要的主體結構形式。采用鋼骨混凝土核心筒結構作為地上支撐筒體，會議中心的中央舞臺、觀眾廳、宴會廳、會議廳、轉換平臺主要是選擇鋼桁架結構，彎扭箱形結構作為外圍幕墻結構。通過H型剛截面作為桁架桿件與核心筒，彎扭箱形截面利用鋼板焊接后用于幕墻構建。該國際會議中心具有結構形式復雜、建筑造型新穎等基本特征，大量多根H型杠桿空間匯交節(jié)點用于桁架構件、核心筒的施工中，通過分析節(jié)點構造、位置的區(qū)別，可以采用鑄鋼節(jié)點、復雜節(jié)點、一般節(jié)點來劃分節(jié)點結構。幕墻選擇的彎扭箱形構件具有體量大、數(shù)量多等基本特征，同時其扭曲構件具有多桿相交密集、超寬、超高等特點，所以，該工程的加工難度、深化設計難度較大，工程構造圖如圖1所示。

圖1 某國際會議中心工程構造圖

二、核心筒與桁架的深化設計要點

（一）腹桿連接與桁架弦桿的設計要點

腹桿與桁架弦桿以米字型進行連接，在連接位置具有焊縫多、匯交桿件多等基本特征，為了防止出現(xiàn)焊縫重疊的情況，在深化設計之前要確保在節(jié)點位置相交的翼緣板與節(jié)點邊緣距離高于150mm，且采用折板使位于節(jié)點兩側位置的翼緣板同時使用一塊加勁板，按照強節(jié)點弱桿件的設計標準，采用折板操作，促進節(jié)點區(qū)域明顯增加，豎向腹桿與斜向腹桿強軸相交時，可以通過節(jié)點板架構以及貼板封箱型等對策促進節(jié)點有所加強[1]。若豎向腹桿弱軸與斜向腹桿處于相交的狀態(tài)時，可以將蓋板封箱型添加在弱軸一側位置，從而加強節(jié)點。采用深化設計的方式，可以獲得焊縫重疊少、傳力合理、節(jié)點構造簡單等效果，與現(xiàn)場施工、加工的具體需求互相符合，為結構可靠性、安全性提供保障。

（二）核心筒空間和桁架復雜節(jié)點設計要點

該國際會議中心的會議廳邊緣、轉換平臺桁架邊緣、鋼骨混凝土核心筒頂部位置均應用多根H型鋼桿件空間匯交的空間復雜點，詳細情況如圖2所示。由于桿件間具有角度小、空間關系復雜等基本特征，加上節(jié)點位置具有較多的匯交桿件，若按照常規(guī)桁架節(jié)點的方式無法達到現(xiàn)場施工以及工程加工的需求。對桿件在節(jié)點位置的相關性進行分析后，并綜合考慮節(jié)點構造與車間制作工藝、焊接工藝的相關性，通過相關措施完成空間復雜節(jié)點結構、構造等優(yōu)化設計的工作，以期能達到現(xiàn)場施工、工程加工的具體需求。

首先，在桿件翼緣位置進行彎折處理，為了給在節(jié)點位置設置弦桿加勁板或者直腹桿提供便利，降低焊縫應力集中在節(jié)點的情況，應該把斜腹桿翼緣設計為<30度的折角，還將和桿件翼緣有著相同厚度的加勁板增設在折角位置，為有效傳遞翼緣彎折后內力提供保障；其次，在節(jié)點位置桿件上下翼緣添加整版，以圓弧過渡的方式處理角部。若同一標高匯交桿件上存在較多的空間節(jié)點時，可以通過上述方式，促進節(jié)點位置焊縫明顯減少，采用處理角部圓弧的方式可防止應力集中的情況；再次，在節(jié)點處桿件進行變坡處理，若節(jié)點位置弦桿沒有相等的左右截面時，可以合理的把大截面桿件延長至小截面桿件方向，在出節(jié)點位置以1：4變坡的方式往小截面過渡；最后，局部節(jié)點位置應該進行H型鋼封箱處理操作。因為非正交桁架節(jié)點以H型鋼構件作為匯交的直腹桿，因此相互連接斜向腹桿時會以尖角呈現(xiàn)，出現(xiàn)應力集中的情況，無法保證焊接質量。通過封箱節(jié)點處理對策能夠有效避免出現(xiàn)上述問題。

圖2 空間復雜節(jié)點設計圖

三、會議中心幕墻鋼結構深化設計要點

（一）幕墻結構設計難點

通常情況下，幕墻結構設計難點主要來自屋蓋與幕墻連接節(jié)點、與桁架相交節(jié)點、彎扭構件相交節(jié)點等位置，設計難點主要體現(xiàn)如下：（1）兩個扭曲構件相互連接時，相交扭曲面選取公共相交弧線的精度，對牛腿構件產生誤差的數(shù)值有直接的影響；（2）全部采用彎扭類型的板件，外輪廓板與內加勁板相交時產生較小的夾角，控制構件定型定位有一定的難度[3]；（3）同一時間相交多個牛腿時，相交位置獲得較小的夾角，內加勁板與牛腿板件焊接有一定的難度；（4）主體構件寬度方向沒有超過400mm，設置3道縱向勁板后，造成施焊內部焊縫有一定的難度。

（二）幕墻結構設計流程

（1）彎扭零件展開圖設計。彎扭構件深化設計工作中零件展開圖占據(jù)非常重要的位置，扭曲板件長、寬分別為5m、2m，扭曲板兩條對角線空間最大的垂直距離為≤0.4m。要按照焊接檢測和組拼要求、構件加工精度要求、加工工藝要求等完成零件展開圖的設計工作。通過分析不同試驗的結構，通過Rhinoceros軟件完成零件展開圖的設計工作，對彎扭構件加工精度給予有效控制，為彎扭構件加工質量提供保障。通過分析設備工藝的實際情況完成等分處理，在展開圖上直接對應標示不同等分點的平面坐標值，且將不同等分點的豎向坐標值有效的提供，通過對角線數(shù)據(jù)良好的控制以及校核加工過程的精度；對于扭曲較小的構件成形圖可以通過三點形成一平面的方式直接定義，前三點與第四點標示構成平面之間的豎向坐標值。

（2）內加勁板定位圖與展開圖的設計要點。彎扭構件深化設計工作中內加勁板定位圖與展開圖的設計具有一定的難度，通過在線模型可以將構件外表面上內加勁板具體定位的相關性全面反映，但不能構成內加勁板的下料尺寸[2]。因為外板扭曲，在給予壁厚后無法將壁厚直接的減掉，在外板扭曲面增加厚度是比較有效的方法，通過求差集的方式將內加勁版要求減少的厚度減去[4]。采用Auto CAD2010軟件可以將三維處理功能良好的補充，特別是在扭曲面賦予厚度設計中開發(fā)這項功能，能夠更為良好的補充工程模型處理，對于其他模型處理存在的不足可全面彌補。

（3）牛腿及彎扭構件的組拼圖設計要點。通過空間三維坐標來代表彎扭構件組拼圖，為了與車間加工工藝的需求互相符合，構件長邊、構件短邊、構件厚度分別采用水平X方向、水平Y方向、豎直Z方向來表示。通過相對坐標表示牛腿的組拼定位圖，坐標水平面為主構件與牛腿的接觸面。

（4）若彎扭構件節(jié)點特別復雜，則要采用焊接工藝流程圖來處理。因為構件自身需要密集的增加勁板且大幅度的連接牛腿，因此要全面對比、分析、研究后，按照先后順序合理調整焊縫施焊，確保主要焊縫質量能夠與設計要求互相符合。若焊縫局部有著特別嚴格的要求且不能保障焊縫質量時，則需要全面優(yōu)化構件模型，為良好解決工藝問題提供保障。完成構件成型后要直接給予預拼裝，從而保障順利開展現(xiàn)場安裝施工。

四、鋼網架與鋼結構的設計展望

綜上所述，我國建筑會議中心銀網架與鋼結構的施工技術已經達到發(fā)達國家的基本要求。最近幾年，隨著我國逐漸深入研究鋼結構分析理論以及快速發(fā)展計算機技術，為鋼結構設計方法的發(fā)展與研究提供良好的條件。建筑會議中心高技術發(fā)展趨勢是目前設計人員需要關注的問題。內容上，高技術化的設計原則主要包括表皮、結構、空間等技術處理原則?？臻g上，建筑會議中心高技術發(fā)展主要在建筑空間簡練、有序等方面體現(xiàn)，重視會議中心空間的靈活性以及向同性。結構方面，建筑會議中心的高技術化則在綜合運用現(xiàn)代建筑美學、力學方面體現(xiàn)，不但能夠與建筑實用的要求互相符合，同時要與建筑結構美學全面符合。在表皮處理技術方面，建筑會議中心的高技術在全面運用現(xiàn)代化外墻材料體現(xiàn)，尤其是出現(xiàn)新型復合材料，為建筑會議中心外觀設計的改變奠定良好的基礎。

五、結束語

大型復雜鋼結構工程設計工作中節(jié)點深化設計占據(jù)非常重要的位置，核心筒和桁架節(jié)點由于具有較多的匯交桿件導致深化設計難度有所加大，為了促進節(jié)點深化設計能夠與剛度、強度的設計要求互相符合，則需要按照焊接條件與節(jié)點焊接工作來完成深化設計工作。現(xiàn)今，大多數(shù)工程在進行建筑設計時過分重視建筑效果，導致會出現(xiàn)彎扭構建、復雜節(jié)點深化加工的難題，因此，相關設計部門對彎扭構件、復雜節(jié)點的問題要有效處理，從而改善成本控制以及施工工期的問題，為提高鋼網架與鋼結構深化設計水平奠定良好的基礎。

參考文獻：

[1]汪道金，曾繁娜.大跨度屋面鋼網架（殼）結構施工技術[J].施工技術，2010，39（02）：24-26+29.

[2]周光毅，劉進貴，劉桂新等；大連國際會議中心關鍵施工技術[J].施工技術，2011，40（04）：32-36.

[3]葉鵬.施工實測缺陷對網架結構性能的影響研究[D].長安大學，2013.

[4]夏培，程志敏，周觀根，雷振宇.大連國際會議中心鋼結構深化設計方法研究[J].鋼結構，2012，03：37-40.

作者簡介：

胡松波（出生于1982年12月-），男，漢族，碩士研究生，工程師，主要從事混凝土結構設計和鋼結構設計。

關杰（出生于1982年5月-），男，漢族，本科，工程師，主要從事混凝土結構設計和鋼結構設計。

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內從未有超過三層的建筑，高層建筑的出現(xiàn)無疑會破壞城市景觀整體的協(xié)調性。在斟酌之后，常茂惠旅館最終的改建方案在原基礎上縮減一層，建筑也采用與周邊調和的設計。

經歷了此次事件，居民討論后決定將“老規(guī)矩”立法規(guī)范。制定故里景觀條例，限定建筑的高度、材料、顏色；對采用古川町傳統(tǒng)建筑法的設計進行補助，保持傳統(tǒng)街區(qū)特色；頒發(fā)“古川町建筑設計獎”，獎勵符合傳統(tǒng)且具有美感的設計。

2.4.3 改善人居環(huán)境

古川町在城市建設過程中，未必所有的舉措在建設之初都會有利于街區(qū)整體發(fā)展。典型的例子是，曾有一處天橋由于設計不周而占用人行道，破壞了街道上的景觀。居民和町公所傾力尋找解決問題的方法，最終天橋被改修成地下道，出入口巧妙地偽裝成傳統(tǒng)的木造房子，整合了步行區(qū)、休息空間、公共廁所。改修后的地下道不僅是居民和町公所交出的一份令人滿意的答卷，也是社區(qū)營造所強調的社區(qū)參與與議題整合得以落實的典范。

2.4.4 營造休閑空間

古川町的社區(qū)營造令人驚嘆的另一個原因是社區(qū)營造協(xié)會對街區(qū)每一個角落無微不至的關心。在社區(qū)營造協(xié)會與町公所的合作下，街區(qū)中出現(xiàn)了更多有利于改善周遭環(huán)境、方便居民生活的休閑空間。這一點從無數(shù)實例中可見一斑，無論是街角無人繼承的照相館或是將被夷為停車場的建材行，都有了更好的結局——前者被改建成充滿人文關懷的茶屋，而后者則被一家由民間與公家資本共同運營的餐廳所代替。這些休閑空間的營造使得古川町的街道富有特色而且適宜日常生活及觀光。

2.4.5 保護城市歷史文化遺產

古川町聞名全日本的另一原因是，當?shù)負碛兄娘w驒工匠及其工匠技藝和工具。飛驒工匠不僅手藝精良，而且富有創(chuàng)造力，當?shù)仉S處可見做工精良且造型各異的云飾便是最好的印證之一。當?shù)氐拿裾蠖嘤晒そ掣鶕?jù)古法建造，完美地保留了當?shù)靥厣?。更加令人驚訝的是，當?shù)啬昃枚枰慕ǖ膫鹘y(tǒng)建筑經由工匠之手后，反而會變得越來越好，再次印證出工匠們的精湛技術。

這門寶貴的工匠手藝在古川町不僅得到了保護和傳承，更是被國家指定為珍貴的文化財產好好的保存起來。町公所為了向世人展示這門令當?shù)仳湴恋募妓嚕瑫r進一步喚醒民眾對文化遺產的保護意識，籌建了飛驒工匠文化館，文化館通過其建筑本身和陳設在其內部的展品，一并將飛驒工匠技藝的精妙絕倫展露無遺。同時，町公所還在文化館附近規(guī)劃建設了廣場，帶動了周遭的環(huán)境改造。

2.4.6 重視傳統(tǒng)節(jié)日與習俗

古川町每年有兩項重要的民間習俗，一者是一月十五日的三寺朝拜，另一者是四月的春祭。每逢這兩個時節(jié)，由當?shù)孛癖娭鲗У某莼蚣漓牖顒佣紩诠糯ɡ_帷幕，歸鄉(xiāng)的游子和外來的游客都會被這些盛大的活動所感染。更令人佩服的是，這些習俗不僅吸引了老年人，而且也得到了年輕人的大量參與。全民參與且參與對象不分年齡可謂是古川町重視傳統(tǒng)節(jié)日與習俗的不俗成果。

居民積極參與傳統(tǒng)節(jié)日的慶典活動反映出了古川町深厚的歷史文化底蘊，而這些歷史悠久的傳統(tǒng)也是當?shù)厣鐓^(qū)營造的基礎。沒有這些傳統(tǒng)，古川町的居民也難以凝聚起來，難以尋得對故鄉(xiāng)如此之高的歸屬感和認同感。

2.5 古川町社區(qū)營造對塑造城市特色風貌的啟示

2.5.1 對傳統(tǒng)的充分尊重

無論何時，一座城市都不能忘記它自己本身的面目。喪失傳統(tǒng)的城鎮(zhèn)如同喪失靈魂的人，隨波逐流，泯然眾生。一個城市的傳統(tǒng)是其最原始、最本質、最吸引人的特色，這是一個城市的魅力和優(yōu)勢，所以尊重傳統(tǒng)是塑造一個城市特色風貌的基礎。

具體說來，對傳統(tǒng)的充分尊重需要做到：對城市中保有傳統(tǒng)風貌的歷史街區(qū)進行保護、將“老規(guī)矩”成文化并且嚴格的執(zhí)行、對傳統(tǒng)行業(yè)和生活方式的保存和延續(xù)、重新發(fā)掘傳統(tǒng)節(jié)日和民俗文化的魅力并吸引年輕人的參與。

2.5.2 “多米諾”式的景觀改造

改造城市景觀的最好做法，不仰仗宏大的計劃，不需要天文數(shù)字的資金投入，不依賴過多的人手，而是從社區(qū)中的一件小事開始做起，從一個簡單的計劃開始實施，把一座建筑、一條街道當作起點，最后的結果卻可能是驚人的：清掃河道垃圾這件小事可以演變成數(shù)十年的社區(qū)營造；放養(yǎng)鯉魚這一活動帶動了瀨戶川沿河道景觀的改頭換面；一座飛驒工匠文化館的佇立讓周遭的大片景觀也得到了改善。

這一策略的困難之處在于，推倒環(huán)境改造的第一塊骨牌如何才能引起接下來的多米諾反應。而事實上，最常見的現(xiàn)象是一條街道路面剛剛整修完成，便不再關心這條街道的基礎設施是否影響了景觀，或者街道兩旁的房屋是否需要修繕，似乎一切都有了交差，似乎已經從西天取回了真經，這樣的淺嘗輒止除了帶來一些心理安慰并不能真正起到壞境改造應有的作用。只有政府真的愿意讓城市的街道更加美觀，讓居民的社區(qū)環(huán)境更加怡人，讓城市展現(xiàn)出特色和魅力，對社區(qū)營造給予充分的支持和引導，才能讓社區(qū)營造的氛圍由一個點、一條線逐漸蔓延向覆蓋整座城市的一個面，才能以城市某一景觀的建造或改善為中心，逐步帶動周遭乃至全城的環(huán)境改造和個性化塑造。

2.5.3 將曾經的經歷轉化為永恒的經營

一次社區(qū)營造活動看似微不足道，但是它能在居民心中播下社區(qū)營造的種子，讓更多的社區(qū)營造活動成為可能。通過一次社區(qū)營造的經歷，能夠讓居民發(fā)展出對社區(qū)和城市的關心、珍惜，進而發(fā)展出持續(xù)的社區(qū)營造理念，通過民眾與政府間的協(xié)作，將這種情感逐步具體化為優(yōu)美的人居環(huán)境和富有特色的城市風貌。