上海植物園北區(qū)新建展覽溫室結構設計

崔大光，陸 健

（1. 上海應用技術大學 城市建設與安全工程學院, 上海 201418；2. 上海市園林設計研究總院有限公司, 上海 200031）

園藝博覽建筑中的溫室建筑往往是植物園的標志性建筑，溫室空間常需要較大的跨度和高度，以滿足不同種類植物的生長需求，針對溫室的研究多與園藝相關，對溫室結構體系的研究相對較少[1]。溫室結構常采用大跨空間結構，結構材料常采用鋼結構和鋁合金結構等輕型材料，結構體系常采用單層網格結構。如上海辰山植物園四期溫室建筑，除門框采用矩形鋼管外，其它桿件均采用鋁合金工字形截面，節(jié)點形式為板式螺栓連接[2]。北京世園會植物館溫室屋頂采用圓鋼管單層網格結構，節(jié)點采用鼓形焊接球節(jié)點，網殼屋面覆蓋材料采用乙烯-四氟乙烯共聚物（ethylene-terafluoroethlene，ETFE）透明膜[3]。拉斐爾云廊采用自由曲面單層網格結構，屋蓋桿件采用鋁合金和鋼材，通過鋼結構樹形分叉柱支撐在多棟高層建筑屋頂上，成為上海G60科創(chuàng)走廊標志性建筑[4]。上海植物園北區(qū)改擴建工程新建展覽溫室位于園區(qū)景觀湖北側，設計為一組溫室群，穹頂造型，分兩個主題展示區(qū)：冷溫室和蝴蝶溫室，設計通過營造多種生境，展示出豐富的植物品種，該溫室建成后將與上海植物園南區(qū)溫室群、辰山植物園溫室群和規(guī)劃中的世博文化公園溫室群在展示內容上形成互補。

冷溫室建筑面積481 m2，建筑高度13.95 m，最大長軸跨度約32 m，蝴蝶溫室建筑面積1 004 m2，建筑高度19.65 m，最大長軸跨度約40.9 m，經過優(yōu)選后的結構體系采用矩形鋼管空間單層網格結構，該體系具有建筑空間效果美觀、工程造價低等優(yōu)點，植物園展覽溫室效果如圖1所示。

圖1 植物園展覽溫室效果圖Fig. 1 Renderings of the exhibition greenhouses in the botanical garden

1 設計參數與荷載取值

1.1 主要設計參數

展覽溫室結構主要設計參數如表1所示。

表1 溫室結構主要設計參數Tab. 1 Main design parameters of greenhouse structure

1.2 恒、活荷載

軟件可自動計算鋼構件的桿件自重，并放大1.05倍以考慮節(jié)點重量。外幕墻選用雙層鋼化夾膠鋼化玻璃（8 mm厚的超白玻璃+1.52 mm厚的聚乙烯醇縮丁醛酯（polyvinyl butyral，PVB）+8 mm厚的超白玻璃），外幕墻連同龍骨系統(tǒng)設計均布恒荷載標準值不利作用取2.0 kN/m2，有利作用（風吸力組合工況）取0.5 kN/m2，均布活荷載標準值取0.5 kN/m2[5]。

1.3 風荷載

風荷載計算標準值與基本風壓、風壓高度變化系數、風荷載體型系數和脈動風效應等效風壓系數有關。本工程結構體型對風荷載較為敏感，設計時風荷載標準值取100年重現期的基本風壓。風壓高度變化系數偏于安全地按建筑頂點高度確定，冷溫室和蝴蝶溫室μz分別取1.1和1.2。屋蓋主要承重結構的脈動風效應等效風壓系數根據《屋蓋結構風荷載標準》[6]附錄B確定，計算表明脈動風效應不大于平均風效應的2倍，設計時偏于安全地取脈動風效應為平均風效應的2倍。對于重要且平面形狀或立面形狀復雜的房屋和構筑物，規(guī)定采用風洞試驗來確定體型系數[5]，本工程根據《屋蓋結構風荷載標準》[6]推薦的計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）數值模擬，通過大渦模擬方法得到風載體型系數，用于初步確定主要承重結構的平均風荷載。設計時最終的風載體型系數近似按《建筑結構荷載規(guī)范》表8.3.1項次3取值[5]，并與數值模擬值進行包絡。CFD數值模擬共采用12個風向角，間隔30°，可提供展覽溫室表面各部位的體型系數分布云圖和數值圖。以0°風向角的數值模擬結果為例，圖2、圖3、圖4和圖5給出了冷溫室和蝴蝶溫室的表面體型系數分布云圖和數值圖。分析結果表明，除少數區(qū)域CFD值大于規(guī)范值外，大部分區(qū)域規(guī)范值均大于CFD值。

圖2 冷溫室表面體型系數分布云圖Fig. 2 Cloud picture for shape factor of the cold greenhouse

圖3 冷溫室表面體型系數數值圖Fig. 3 Numerical picture for shape factor of the cold greenhouse

圖4 蝴蝶溫室表面體型系數分布云圖Fig. 4 Cloud picture for shape factor of the butterfly greenhouse

圖5 蝴蝶溫室表面體型系數數值圖Fig. 5 Numerical picture for shape factor of the butterfly greenhouse

1.4 雪荷載

本工程空間網格結構屬于對雪荷載敏感的結構，雪荷載標準值按100年重現期基本雪壓S0=0.25 kN/m2取值。根據規(guī)范規(guī)定，溫室結構還應按全跨和半跨積雪均勻及不均勻分布工況進行驗算[5]，由于結構形體呈拱形，雪荷載不起控制作用。

1.5 地震作用

設計時考慮X、Y兩方向水平地震和Z向豎向地震作用，水平地震作用計算時考慮±5%的偶然偏心，地震作用設計參數見表1。另外，結構剛度計算時不考慮維護結構也即非結構構件的影響，周期折減系數取1.0。

1.6 溫度作用

以結構的初始溫度（合攏溫度）為基準，結構的溫度作用效考慮溫升和溫降，合攏溫度選取日平均溫度。溫度變化對構件有熱脹冷縮的影響，結構跨度越大溫度影響越敏感，特別是合攏施工需選取適當的時間段，避免次應力的產生[7]。冷溫室無加溫設備，室內布置契合四季變化的植物，室內設計使用溫度為-4～29 ℃，而蝴蝶溫室室內設計使用溫度為13～29 ℃。上海基本氣溫最低為-4 ℃，最高為36 ℃。設計時鋼結構合攏溫度取10～15 ℃，考慮升溫工況30 ℃，降溫工況-30 ℃。如施工時的合攏溫度與設計值不一致，應進行施工階段驗算。

2 基礎和柱腳設計

設計時對多種基礎類型進行比選，結合場地土工程特性和溫室上部結構特點，基礎型式采用條形承臺梁樁基礎，并在溫室門洞下方無承臺梁處設置承臺拉梁，使基礎承臺梁形成1個閉環(huán)，增加基礎整體性的同時還可有效地抵抗上部結構傳至基礎的水平推力。樁型采用預應力高強混凝土管樁PHC-AB400（95）-11，10，樁端持力層為灰色砂質粉土層，單樁抗壓承載力設計值為460 kN。樁位布置基本與鋼柱腳平面位置對應，以減小柱腳對條形承臺梁所產生的剪力及變形。設計時還對剛接和鉸接2種柱腳形式進行對比，計算結果表明鉸接柱腳可有效地釋放結構溫度應力，柱腳采用外露式鉸接柱腳，并通過設置抗剪鍵來承擔柱腳底部水平反力?；A設計采用盈建科建筑結構計算軟件YJK-A。

3 上部鋼結構設計

3.1 結構體系選型

展覽溫室平面呈不規(guī)則橢圓形，立面為不規(guī)則拱形，外表皮為凹凸皺褶形。結合建筑方案所呈現的空曠通透感，結構體系采用桿件數量較少的空間單層網格結構。桿件材料可選不銹鋼、鋁合金和鋼材，不銹鋼和鋁合金結構造價較高，且空間網格不規(guī)則，結構桿件和連接節(jié)點規(guī)格較多。通過綜合比選，結構體系采用空間鋼管單層網絡結構，桿件形狀為方鋼管或矩形鋼管（即B型），鋼材等級為Q355B。冷溫室鋼構件截面主要規(guī)格為250 mm×150 mm×10 mm、220 mm×10 mm和150 mm×8 mm，蝴蝶溫室截面規(guī)格為350 mm×250 mm×20 mm、250 mm×150 mm×10 mm、250 mm×12 mm、200 mm×10 mm和160 mm×8 mm。鋼結構設計軟件采用MIDAS/Gen。

3.2 桿件計算長度

網格桿件的計算長度與結構體系、節(jié)點剛度以及桿件所處的位置有關[8]，單層網格桿件在殼體曲面內、外的計算長度不同，計算長度系數對桿件穩(wěn)定性驗算結果有較大的影響，殼體曲面內的桿件計算長度可取為0.9l，殼體曲面外的其計算長度為1.6l。MIDAS軟件可對選定的構件直接輸入繞強軸（單元坐標軸y軸）和繞弱軸（單元坐標軸z軸）屈曲時自由長度的有效計算長度系數。需要注意的是，在定義構件的自由長度系數前應設置構件的單元坐標軸，使2個單元坐標軸與網絡結構曲面的徑向和法向相一致。

3.3 節(jié)點設計

為保證空間結構的幾何不變性，單層網格結構應采用剛接節(jié)點[8]，有限元分析時采用具有6個自由度的梁單元，且在節(jié)點構造設計上也必須與計算模型相符。翁振江等[9]對網格結構中各種典型裝配式節(jié)點進行了總結，對工程中應用的節(jié)點進行了分類。對于單層網格結構，以往多采用焊接球節(jié)點實現剛接節(jié)點，但巨大的焊接球節(jié)點往往對建筑效果有很大的影響。直接相貫連接的鋼管結構節(jié)點外觀簡潔，除無斜腹桿的空腹桁架外，當符合一定條件時才可視為鉸接節(jié)點[10]。文獻[10]的附錄H還提供了無加勁鋼管直接焊接節(jié)點剛度的判別方法。本工程為采用鋼管相貫節(jié)點的單層網格結構，為增加節(jié)點剛度和節(jié)點承載力，在主管對應支管的位置增設2道內加勁板以保證節(jié)點剛性。

3.4 結構自振特性

特征值分析采用Lanczos法計算，振型的選取數量根據振型質量參與系數確定，冷溫室取120個振型，蝴蝶溫室共150個振型。冷溫室前三階自振周期分別為0.854、0.574 和0.477 s，振型分別為沿溫室短軸方向的平動、整體扭轉和沿溫室長軸方向的平動，扭轉周期與一階平動周期比值為0.67。蝴蝶溫室前三階自振周期分別為0.862、0.613和0.566 s，振型分別為沿溫室短軸方向的平動、沿溫室長軸方向的平動和整體扭轉，周期比為0.66。計算結果表明，2個溫室的周期比均滿足規(guī)范規(guī)定周期比不大于0.9的限值要求。溫室結構第一振型分布云圖如圖6和圖7所示。

圖6 冷溫室第一階振型Fig. 6 Mode 1 of the cold greenhouse

圖7 蝴蝶溫室第一階振型Fig. 7 Mode 1 of the butterfly greenhouse

3.5 結構變形、強度和穩(wěn)定驗算

冷溫室在恒荷載和活荷載標準組合作用下豎向變形最大值為22 mm，在恒荷載和風荷載標準組合作用下豎向變形最大值為18 mm，在恒荷載和溫度作用標準組合作用下豎向變形最大值為18 mm，均不大于變形允許值L/400=17 600/400=44 mm，結構豎向變形滿足要求；在風荷載作用下最大側向變形為27 mm，不大于變形允許值H/250=13 000/250=52 mm，結構側向變形滿足要求。蝴蝶溫室在恒荷載和活荷載標準組合作用下豎向變形最大值為32 mm，在恒荷載和風荷載標準組合作用下豎向變形最大值為27 mm，在恒荷載和溫度作用標準組合作用下豎向變形最大值為36 mm，均不大于變形允許值L/400=24 100/400=60.2 mm，結構豎向變形滿足要求；在風荷載作用下最大側向變形為38 mm，不大于變形允許值H/250=19 000/250=78 mm，結構側向變形滿足要求。全部荷載工況組合作用下，鋼結構單元最大應力比均不大于0.9，滿足結構強度和穩(wěn)定要求，計算結果如圖8和圖9所示。

圖8 冷溫室單元應力比Fig. 8 Element stress ratios of the cold greenhouse

圖9 蝴蝶溫室單元應力比Fig. 9 Element stress ratios of the butterfly greenhouse

3.6 結構穩(wěn)定極限承載力分析

為避免單層網殼整體失穩(wěn)或局部殼面失穩(wěn)，規(guī)范規(guī)定單層網殼應對穩(wěn)定性進行補充驗算[8]。本工程首先進行結構屈曲模態(tài)分析，按滿跨均布恒荷載和活荷載標準組合得到結構最低階屈曲模態(tài)。進一步運用位移控制法進行結構極限承載力分析，并以結構一階屈曲模態(tài)的形式考慮初始幾何缺陷的分布，取1/300網格結構跨度作為缺陷最大值[8]，分析時考慮結構的幾何非線性。結構荷載-位移曲線如圖10和圖11所示，取曲線下降段前的峰值點作為結構穩(wěn)定極限承載力。計算結果表明，冷溫室結構極限承載力穩(wěn)定系數為21.2，蝴蝶溫室結構極限承載力穩(wěn)定系數為35.2，均滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數限值4.2的要求。

圖10 冷溫室結構穩(wěn)定極限承載力Fig. 10 Ultimate stability bearing capacity of the cold greenhouse

圖11 蝴蝶溫室結構穩(wěn)定極限承載力Fig. 11 Ultimate stability bearing capacity of the butterfly greenhouse

3.7 鋼結構防火設計

鋼結構的缺點是耐熱，但是不耐火。傳統(tǒng)的鋼結構防火設計先根據建筑物耐火等級確定鋼構件的耐火極限，施工圖紙上再注明防火涂料的厚度應達到其耐火極限的要求，施工單位依據標準耐火試驗報告選擇相應的防火涂料種類及厚度，這種方法的缺點是標準耐火試驗得到的結果沒有反映構件截面大小、形狀以及荷載類型等因素的影響。為此，《建筑鋼結構防火技術規(guī)范》[11]提供了與構件實際受力情況相符的鋼結構防火設計方法，建立在結構分析與耐火驗算的基礎上，按結構耐火承載力極限狀態(tài)進行耐火驗算與防火設計。實際工程中鋼結構防火保護措施通常采用防火涂料法、包裹防火板法和包覆隔熱材料法[11]，其中防火涂料保護是工程中最常采用的方法，也是本工程選用的方法。本工程建筑耐火等級為二級，因結構體系為單層空間網格結構，所有的鋼構件耐火極限均采用2.5h，分別采用膨脹型防火涂料和非膨脹型防火涂料2種類型涂料進行計算，對于膨脹型防火涂料，計算出需要滿足相應耐火極限要求的等效熱阻，對于非膨脹型防火涂料，計算出需要滿足相應耐火極限要求的等效熱傳導系數和涂層厚度。鋼結構構件的耐火驗算和防火設計主要有3種方法[11]：耐火極限法、承載力法和臨界溫度法，本工程采用Midas/Gen推薦的臨界溫度法進行鋼結構防火設計，軟件具體分析步驟為：①設置材料升溫特性并進行高溫特性材料連接，確定高溫下結構鋼的強度設計值和彈性模量的升溫曲線，本步操作前必須先賦予鋼材的熱特性值；②定義建筑火災升溫函數，可直接選擇規(guī)范提供的建筑室內纖維類火災升溫曲線，并根據耐火極限要求給定火災持續(xù)時間；③定義防火參數，根據耐火極限和防火保護類型賦予構件等效熱阻或等效熱傳導系數和防火保護層厚度；④計算所有鋼構件截面形狀系數；⑤定義單元升溫，賦予構件防火荷載工況；⑥對高溫下結構鋼的彈性模量進行折減；⑦設置耐火承載力極限狀態(tài)荷載組合設計值；⑧對構件進行防火設計驗算，得到各構件的臨界溫度。經過計算，本工程鋼結構防火設計的等效熱阻為0.27 m2·℃/W，等效熱傳導系數和防火保護層厚度為0.10 W/(m·℃)和30 mm。

4 結 語

近年來，大跨空間異形建筑方案越來越多地應用在溫室建筑、景觀構筑物和雕塑建筑中，單層空間網絡結構因具備桿件數量少且有規(guī)律、適用的跨度大、與異形表皮結合能力強等優(yōu)點，成為結構工程師的首選方案。本文對上海植物園北區(qū)新建展覽溫室結構設計進行了全面介紹，包括設計參數和荷載取值、基礎和柱腳設計以及上部鋼結構設計要點，可為矩形鋼管空間單層網格結構工程設計提供參考。