淺析帶外包裝建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

馬穩(wěn)，張博

（中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430000）

1 引言

近年， 隨著文旅產(chǎn)業(yè)的興起， 各種大型主題樂(lè)園不斷涌現(xiàn)。 樂(lè)園的建造，不再是簡(jiǎn)單的游樂(lè)設(shè)施的匯總，慢慢發(fā)展成：從游樂(lè)設(shè)備、建筑物到環(huán)境設(shè)施、景觀(guān)都圍繞某一主題而進(jìn)行包裝，形成一個(gè)有特定主題統(tǒng)領(lǐng)的游樂(lè)園[1]。 包裝設(shè)計(jì)作為樂(lè)園主題效果的重要體現(xiàn)，是視覺(jué)效果的關(guān)鍵[2]，逐漸成為建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的新名詞。 不同于常規(guī)建筑物的設(shè)計(jì)，樂(lè)園建筑物常常需要在滿(mǎn)足建筑功能的前提下，配合樂(lè)園主題風(fēng)格，將外表設(shè)計(jì)成特有的外部形態(tài)，呈現(xiàn)出特有的空間效果。 這類(lèi)有特殊造型要求的建筑物的設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)。 本文以國(guó)內(nèi)某兩大型水上樂(lè)園中的帶外包裝建筑物的設(shè)計(jì)工作為例，分析樂(lè)園類(lèi)帶外包裝建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2 工程概況

圖1 所示為襄陽(yáng)某水公園假山造型的建筑物， 山體造型復(fù)雜，橫跨65.8 m，最大縱深66.6 m，山體總高度24 m，山頂設(shè)有一25 m 高飛船造型塔。 假山作為園區(qū)內(nèi)的主要建筑物，山體內(nèi)設(shè)有設(shè)備用房、工作人員辦公用房、游客內(nèi)部通道、觀(guān)景平臺(tái)等。 同時(shí)，假山融合了部分游樂(lè)項(xiàng)目，利用山體在不同高度上布置游樂(lè)項(xiàng)目， 山腳處懶人河與極限河兩條人工河貫穿其中，正前方設(shè)有舞臺(tái)及造浪池，山間還有空中激流河大型滑道“纏繞”其中，增強(qiáng)了樂(lè)園的趣味性和整體氛圍，但也為項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了難度。

圖1 假山造型建筑物效果圖

圖2 所示為衡陽(yáng)某水公園的瑪雅金字塔造型的建筑物，橫跨54 m，最大縱深35.9 m，總高度34.8 m。正前方為舞臺(tái)及造浪池，兩側(cè)設(shè)有高22 m 構(gòu)筑物造型塔，內(nèi)部設(shè)有3 層建筑功能區(qū)，涵蓋設(shè)備用房、配電所、工作人員辦公用房、會(huì)議室、儲(chǔ)物間等。

圖2 瑪雅金字塔造型建筑物效果圖

3 設(shè)計(jì)策略及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

樂(lè)園類(lèi)帶外包裝建筑物的設(shè)計(jì)不僅僅是要考慮外部形態(tài)、表皮視覺(jué)效果的實(shí)現(xiàn)，還需要兼顧內(nèi)部功能、消防疏散、游樂(lè)設(shè)備安全等建筑需求。 可以將這類(lèi)建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作拆分為3 部分：主體承載體系可設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土框架，滿(mǎn)足內(nèi)部建筑功能的需求；基于主體框架，順著包裝造型在框架上靈活布置不規(guī)則的主鋼結(jié)構(gòu)； 次鋼結(jié)構(gòu)及包裝材料支撐于主鋼結(jié)構(gòu)上，完成表皮造型。

3.1 主體框架結(jié)構(gòu)

基于包裝設(shè)計(jì)公司提供的表皮， 建筑按照需要的層高對(duì)表皮進(jìn)行剖切，得到每層邊界線(xiàn)，與邊界線(xiàn)保持足夠的距離布置各層功能用房，保證建筑功能用房藏于表皮下。 根據(jù)建筑平面圖建立主體混凝土框架， 同時(shí)對(duì)于表皮內(nèi)部較大空間處也添加混凝土梁、板、柱作為主框架，減少鋼結(jié)構(gòu)的用量。 對(duì)于一些空間不規(guī)則表皮， 需借助三維軟件輔助建模， 如3DMAX、Rhino 軟件。

在設(shè)計(jì)混凝土主體時(shí)， 對(duì)于作用在主體上的包裝荷載如何考慮是設(shè)計(jì)關(guān)鍵。 一般可以采取兩步走來(lái)設(shè)計(jì)鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)：第一步，通過(guò)包裝造型展開(kāi)面積投影到作用范圍來(lái)等效計(jì)算出作用于混凝土主體對(duì)應(yīng)位置的荷載（面荷載或線(xiàn)荷載），計(jì)算出鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸及配筋；第二步，是待與混凝土主體相連的主鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算完成后，提取主鋼結(jié)構(gòu)與混凝土主體相連處的支座反力， 加載于混凝土主體實(shí)際作用處，完成鋼筋混凝土主體的復(fù)核計(jì)算。 通常對(duì)基礎(chǔ)、梁、柱的設(shè)計(jì)，第一步計(jì)算已經(jīng)能完成設(shè)計(jì)；對(duì)于板的設(shè)計(jì)，需取兩次設(shè)計(jì)的包絡(luò)值設(shè)計(jì)。 但對(duì)于特別高聳及重要鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)將其與鋼筋混凝土主體整體建模計(jì)算。

3.2 主鋼結(jié)構(gòu)

根據(jù)前述第一步計(jì)算得到的鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸建立實(shí)體模型，利用3DMax（或Rhino）軟件導(dǎo)入包裝表皮下， 下一步需在規(guī)則的混凝土主體與異形扭曲的造型外表皮之間架建立主鋼結(jié)構(gòu)體系。 采用在混凝土主體上立鋼豎桿的方式進(jìn)行Z 向找形，鋼豎桿橫縱間距控制在3～4 m，各鋼豎桿高端按照頂端與表皮的距離按照包裝設(shè)計(jì)單位的要求放樣（一般離外表皮400～800 mm 范圍由包裝設(shè)計(jì)單位搭次鋼結(jié)構(gòu)體系完成）。 針對(duì)異形結(jié)構(gòu)建模的復(fù)雜性，在項(xiàng)目中引入?yún)?shù)化建模技術(shù)， 利用Rhino+Grasshopper 平臺(tái)對(duì)包裝模型進(jìn)行參數(shù)化處理，考慮包裝內(nèi)退距后建立結(jié)構(gòu)控制面，調(diào)整參數(shù)控制平面X、Y 方向的豎向構(gòu)件水平間距， 通過(guò)內(nèi)部點(diǎn)陣投影，得到結(jié)構(gòu)控制面上的控制點(diǎn)，與底部連線(xiàn)后得到各層所有的豎向構(gòu)件軸線(xiàn)；調(diào)整參數(shù)控制Z 向的水平構(gòu)件垂直間距，得到水平構(gòu)件軸線(xiàn)。 之后將得到的主鋼結(jié)構(gòu)線(xiàn)模與混凝土主體結(jié)合在一起， 對(duì)局部進(jìn)行調(diào)整， 并根據(jù)計(jì)算需要設(shè)置斜向支撐。 圖3 為假山造型建筑物內(nèi)部主體混凝土框架及主鋼結(jié)構(gòu)示意， 圖4 為瑪雅金字塔造型建筑物內(nèi)部主體混凝土框架及主鋼結(jié)構(gòu)示意。

圖3 假山主體混凝土框架+主鋼結(jié)構(gòu)示意

圖4 瑪雅金字塔主體混凝土框架+主鋼結(jié)構(gòu)示意

3.3 次鋼結(jié)構(gòu)及包裝

前述主鋼結(jié)構(gòu)與包裝外表皮的距離控制在400～800 mm，包裝單位根據(jù)表皮做法搭建次鋼結(jié)構(gòu)體系（鋼龍骨+鋼絲網(wǎng)等）來(lái)支撐包裝材料，以完成表皮造型。 按照包裝造型特點(diǎn)，常用的包裝材質(zhì)有：FRP （玻璃鋼）、TCP （玻璃纖維增強(qiáng)混凝土）、GRC（水泥直塑）等。 各包裝材質(zhì)特點(diǎn)、重量及主要運(yùn)用場(chǎng)景如下。

1）FRP 俗稱(chēng)玻璃鋼，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性好等， 一般用于制作各種復(fù)雜的造型。 玻璃鋼造型厚度一般為6～10 mm，荷載標(biāo)準(zhǔn)值折算約0.35 kN/m2。

2）GRC 即玻璃纖維增強(qiáng)混凝土， 一般用作造型的外掛預(yù)制件、屋面瓦及大樣線(xiàn)條等。 GRC 預(yù)制件厚度一般35～45 mm，荷載標(biāo)準(zhǔn)值折算約1.2 kN/m2。

3）TCP 亦稱(chēng)作水泥直塑，一般用來(lái)制作仿真木材、石材等造型。 TCP 造型厚度一般50～120 mm， 荷載標(biāo)準(zhǔn)值折算約1.5～2.5 kN/m2。

以上荷載為包裝材質(zhì)自身重量， 設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮次鋼結(jié)構(gòu)的重量，次鋼結(jié)構(gòu)荷載通?？煽紤]0.5 kN/m2；計(jì)算包裝荷載時(shí)需按照包裝造型的展開(kāi)面積來(lái)計(jì)算，造型復(fù)雜、凹凸不規(guī)則等無(wú)法統(tǒng)計(jì)的情況應(yīng)適當(dāng)考慮1.2～1.5 的荷載放大系數(shù)。 此外，設(shè)計(jì)時(shí)還需注意考慮凹凸造型處冰凍積雪的不利影響；出屋面造型塔等高聳包裝造型需在一定范圍內(nèi)預(yù)留施工荷載。

3.4 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

主鋼結(jié)構(gòu)焊接于混凝土主體上的預(yù)埋板，預(yù)埋板可以采用預(yù)埋或者后錨固措施固定于混凝土主體結(jié)構(gòu)上。 鋼豎桿底端焊接于混凝土主體板面、梁面設(shè)置的預(yù)埋板上，并設(shè)有400 mm高混凝土保護(hù)墩， 圖5 所示為典型的鋼豎桿與板面預(yù)埋板連接處剖面示意；鋼豎桿側(cè)邊或鋼斜桿上端與梁側(cè)、柱側(cè)設(shè)置的預(yù)埋板連接，連接處設(shè)置長(zhǎng)圓孔構(gòu)造，釋放豎向位移，避免鋼構(gòu)件在溫度變化下伸縮而引起主體構(gòu)件的二次受力破壞，圖6 所示為典型的鋼斜桿與梁側(cè)預(yù)埋板連接處剖面示意圖。

圖5 鋼豎桿與板面預(yù)埋板連接處剖面示意圖（單位：mm）

圖6 鋼斜桿與梁側(cè)預(yù)埋板連接處剖面示意圖（單位：mm）

3.5 防腐及防火要求

考慮到包裝鋼結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境， 根據(jù)JGJ/T 251—2011《建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)規(guī)程》[3]，包裝鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性等級(jí)定為Ⅳ級(jí)（中腐蝕），耐久年限為15 年以上。 同時(shí)，考慮到包裝鋼結(jié)構(gòu)隱藏于包裝表皮下，不便于檢修與維護(hù)，故對(duì)于包裝鋼結(jié)構(gòu)防腐及防火涂裝的設(shè)計(jì)不同于普通鋼結(jié)構(gòu)工程。 表1 所示為本工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)說(shuō)明中對(duì)于包裝鋼結(jié)構(gòu)防腐及防火涂裝要求，從表1 中可以看出防腐涂料中間漆遠(yuǎn)高于JGJ/T 251—2011《建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)規(guī)程》附錄B 給定的參考值，同時(shí)不設(shè)面漆層。

表1 包裝鋼結(jié)構(gòu)防腐及防火涂裝要求

4 結(jié)語(yǔ)

包裝設(shè)計(jì)逐漸成為建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的新名詞， 不同于常規(guī)的設(shè)計(jì)，包裝通常是造型各異、異形扭曲，這為整體的建筑效果帶來(lái)了許多靈動(dòng)和特色，同時(shí)也為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)許多挑戰(zhàn)。當(dāng)前隨著參數(shù)化建模技術(shù)的發(fā)展， 為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作提供了便利，如利用Rhino+Grasshopper 平臺(tái)對(duì)不規(guī)則的非線(xiàn)性建筑造型進(jìn)行處理，能自動(dòng)生成網(wǎng)格線(xiàn)用于結(jié)構(gòu)建模，大大提高了結(jié)構(gòu)工程師的建模效率。 但對(duì)于像假山一類(lèi)還需融合其他設(shè)備的樂(lè)園建筑物， 外包裝表皮下結(jié)構(gòu)模型的建立還需結(jié)合建筑功能，依靠軟件參數(shù)化自動(dòng)建模還不足以完全自動(dòng)化，需根據(jù)建筑功能對(duì)參數(shù)化建模成果進(jìn)行局部調(diào)整， 特別是對(duì)于一些復(fù)雜功能區(qū)域，人為判斷尤為重要。 本文以?xún)蓚€(gè)帶外包裝建筑物的設(shè)計(jì)工作為例， 對(duì)帶外包裝建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了闡述，相關(guān)設(shè)計(jì)思路可為類(lèi)似項(xiàng)目提供參考。