1、世博会大明宫馆结构设计与分析 车顺利 吴琨 贾俊明 韦孙印 马牧 中国建筑西北设计研究院有限公司 摘 要： 2010 年世博会大明宫馆是一座传统风格建筑, 为结构形式独特的展馆。采用钢-木组合结构, 底部 1 层为钢结构, 上部 2 层为木结构。基于大明宫馆建筑风格和使用特点, 介绍了结构选型、结构布置、结构分析及关键节点构造等。结果表明:钢-木组合结构有利于实现该特定建筑的造型和功能要求。通过木结构卯榫和钢结构螺栓连接实现建筑的工业化、装配化, 满足了世博会展馆需求, 实现了异地拆卸重建目标。在继承传统建筑风格的基础上, 运用现代建筑结构材料和结构体系, 创造建筑空间、达到设计目的, 确保了
2、工程的可逆性和安全性。结构选型思路和关键节点设计方法可为类似工程的分析和设计提供设计参考。关键词： 传统风格建筑; 钢-木组合结构; 结构选型; 结构设计; 作者简介：车顺利, 博士, 高级工程师, 一级注册结构工程师, Email:。基金：中建股份科技研发课题 (CSCEC-2012-Z-16) Structural design and analysis of Daming Palace in World ExpoChe Shunli Wu Kun Jia Junming Wei Sunyin Ma Mu China Northwest Architecture Design and Re
3、search Institute Co., Ltd.; Abstract： Daming Palace in World Expo in 2010 is a traditional style architecture with a unique structure form. It adopts steel-wood composite structure, with the bottom layer of steel structure and the upper two layers of wood structure. Based on the architectural style
4、and functional characteristics of Daming Palace, the selection of the structural system, the layout of the structure, the analysis of the structure and the construction of the key joints were introduced. The results show that the steel-wood composite structure is beneficial to realize the shape and
5、functional requirements of the particular building. The tenon of wood structure and bolts connection of steel structure realize the industrialization and assembly of the building, which meets the needs of World Expo Pavilion and realizes the goal of off-site demolition and reconstruction. On the bas
6、is of inheriting the traditional architectural style, modern architectural materials and structural system are used to create architectural space, to achieve the purpose of design, which ensure the reversibility and safety of the project. The structural system selection method and key joint design m
7、ethod can provide reference for the analysis and design of similar projects.Keyword： traditional style architecture; steel-wood composite structure; structural system selection; structural design; 1 工程概况世博会大明宫馆是 2010 年上海世博会唯一入选的大遗址保护案例, 也是仅有的一座宫殿式建筑案例。该建筑是一座盛唐风格的宫殿 (图 1) , 设计创意源于唐代李华含元殿赋中:“左翔鸾而右栖凤,
8、翘两阙而为翼”。它复原展示了1 300 年前的大明宫含元殿栖凤阁, 以唐代阙楼建筑艺术的代表“三出阙”形式为设计思路, 以含元殿栖凤阁 11 比例复原实体, 外形古朴雄浑, 具有深厚的历史底蕴。世博会期间大明宫馆位于世博园最佳实践区, 占地面积约 960m, 是一座两层钢-木建筑, 建筑面积约 763m, 建筑高度约 17m, 由中国工程院院士张锦秋担纲设计。大明宫馆落户世博会是对发展和保护历史文化遗存工作的一次完美展示, 体现了古代文明与现代文明的交融。2 建筑特点和使用要求2010 年上海世博会大明宫馆建筑立面、2 层建筑平面及建筑剖面见图 24。从平面功能布置看, 该项目 1 层功能为展
9、厅, 2 层功能为观景楼台。由于该建筑总用地及体型限制, 结构设计时需在保证展馆功能要求的基础上, 在建筑单体内解决设备用房问题。由图 24 可见, 该建筑 1 层竖向构件倾斜, 且受建筑面积限制需考虑设置设备管道加层;2 层与 1 层柱错位, 需要梁抬柱, 且 2 层斗拱、梭柱及檐口出挑起翘等结构构造复杂。图 1 建筑效果 下载原图图 2 建筑立面 下载原图从展馆使用要求看, 依据世博会惯例, 除了个别永久性建筑外, 其余建筑都将在世博会后拆除1。因此大明宫馆作为世博会临时展馆, 世博会期间, 结构设计使用年限类别按类、5 年、临时性结构考虑;世博会后移建至西安大明宫遗址公园, 结构设计使用
10、年限类别按类、50 年、普通房屋考虑。结构设计需考虑结构的易安装性和可拆卸性。同时, 一方面, 距世博会开园仅 7 个月, 该项目施工和布展时间短, 工期紧迫。另一方面, 该建筑结构设计应符合本届世博主题, 应注重生态功能和可持续性, 符合环境保护和城市可持续发展的要求。综上, 该项目建筑特点和使用要求如下:1) 该项目为传统风格建筑, 建筑体型独特;2) 项目使用应考虑其两地性, 前期服务于上海世博会, 会后又要满足西安大明宫遗址公园的使用要求;3) 建筑用地及体型受限, 建筑功能要求高;4) 建筑材料的选择应注重生态可持续性;5) 项目的工期和布展时间短。3 结构选型3.1 方案 1鉴于项
11、目建筑特点和使用要求, 方案 1 采用木结构。因为木材取材方便又易于加工, 且使用木结构的传统建筑风格灵活, 建筑效果和构件装饰效果易于实现。同时, 在众多建材中, 木材是可再生且能够多次循环利用的天然材料2。但采用纯木结构会产生以下难点:1) 1 层斜柱和 2 层梁抬柱构造复杂, 木结构不易处理;2) 由于功能要求, 1 层展厅需要大空间结构, 且需考虑设备加层问题, 木材的性能和构件截面尺寸受限;3) 木材备料周期较长。图 3 2 层建筑平面 下载原图3.2 方案 2方案 2 采用钢结构, 充分发挥钢材材质均匀、塑性、韧性好、可焊性优良等优点, 且构件间可采用螺栓、铆接、焊接等连接方式。同
12、时, 钢结构是一种高效、快速、经济、可持续发展的环保型建筑结构, 可以大大节约施工时间、施工不受季节影响、增大建筑使用面积、节能效果好、抗震性能好、可避免钢筋混凝土湿作业造成的环境污染和噪声污染, 便于拆卸回收和循环利用3-6。但采用纯钢结构会产生以下问题:1) 2 层结构自重增加, 导致 1 层设计困难, 变相压缩了展厅使用面积;2) 斗拱、梭柱等传统风格的建筑构件不宜实现, 且后期需进行二次装修, 增加造价, 工期不易保证。3.3 方案 3方案 3 采用钢-木组合结构, 即 1 层采用钢结构, 实现斜柱、梁抬柱等构造, 发挥钢材高强、连接便利等优点;2 层采用木结构, 发挥木材自重轻、便于
13、加工等特点, 这样既可以减少结构自重, 降低地震作用, 又便于传统风格建筑构件的加工和制作, 降低装修费用。采用钢-木组合结构, 可最大限度地发挥材料各自的性能, 弥补各自力学的缺陷, 从而达到结构能效的优化。该结构形式比传统的纯木结构体系更加坚固耐用, 又比现代的纯钢结构更丰富多彩。方案 3 在满足建筑造型及功能需要的基础上, 能在一定程度上减少装修材料的使用并缩短装修工期。同时, 该方案易于组装, 拆卸方便, 且建筑结构具有节能环保、施工周期可控、平面布置更加灵活等特点。因此, 该方案被选作 2010年上海世博会大明宫馆结构实施方案。图 4 建筑剖面 下载原图4 结构布置与分析根据建筑“三
14、出阙”特点, 将结构布置划分为 3 个独立的结构单元 (图 5, 6) :单元 13。在水平方向, 分别对应单元 1 中 轴线处, 单元 2 中轴处以及竖向跨中处, 单元 3 中 轴线处以及竖向跨中处, 分别设置水平桁架 (图 7) ;在单元 13 对应竖向轴线 ( (1) (13) 轴) 处, 均采用刚架结构 (图 8) 。图 5 墩台标高结构平面图 下载原图图 6 平台标高结构平面图 下载原图图 7 结构剖面图 下载原图图 8 刚架示意图 9 结构计算模型 下载原图图 10 结构前 3 阶振型 下载原图独立计算单元 13, 并复核相关变形。通过在各单元端部设置悬挑梁, 实现了平台连续, 并
15、有效满足单元间变形。结合建筑平台楼梯布置, 单元间设置钢结构平台楼梯, 实现 3 个单元间的水平联系。将 1 层柱顶墩台和 2 层平台之间的空间作为设备管道加层, 有效解决了设备管道加层的问题。通过悬挑梁与斗拱构件结合形成悬挑平台, 有效解决了斗拱结构的安装并控制了悬挑梁截面。结合后期展厅装修风格, 在刚架角部设置支撑, 有利于内力传递, 增大构件及节点的承载力。结构整体分析以结构单元 3 为例, 计算模型见图 9, 主要结构构件截面尺寸和材质见表 1, 分别采用 MIDAS 和 3D3S 两种不同力学模型的三维空间程序进行结构整体内力、位移计算。计算中考虑了温度荷载、地震作用、不同阻尼比等相
16、关因素影响, 计算结果见图 10, 11 和表 2, 结果表明:MIDAS 和 3D3S 两种程序分析出的结构反应特征、变化规律基本吻合, 各项结构指标均能满足规范要求。本工程结构整体布置依据建筑方案特点, 不但满足建筑外形、功能需要, 且有效解决了结构抗风、抗震等问题。5 关键节点设计项目设计中结合工程特点及使用功能, 对局部构件和节点进行细化设计。如钢梁-木柱柱脚节点 (图 12) , 设计时在木柱柱脚处设置钢套箍, 一方面可以对木柱柱脚进行加强, 另一方面便于木柱与钢结构梁连接。同时, 在柱侧纵、横向错开布置连接螺栓, 柱底连接螺栓布置于钢梁翼缘两侧, 且螺栓拉通上下翼缘。柱脚加劲板考虑
17、建筑面层厚度和基础高度设置。表 1 主要构件截面尺寸与材质 下载原表 表 2 结构主要计算结果 下载原表 图 11 刚架分析 下载原图图 12 钢梁-木柱柱脚节点 下载原图对于楼板构件, 结构设计中采用钢格板 (图 13) , 设计中对钢格板设置角钢边框, 钢格板间采用螺栓连接, 钢格板与钢梁采用马鞍形夹具连接。该设计不仅施工简便快捷, 而且工程可逆性较强。图 13 钢格板节点 下载原图对于工程中斗拱构件, 设计中采用“虚实”结合, 即一部分受力, 一部分装饰。受力斗拱采用钢质矩形管焊接而成, 装饰斗拱采用铝镁锰合金成型。同时考虑到工程的易地重建, 设计时采用螺栓连接 (图 14) 。图 14
18、 栓接受力斗拱节点 下载原图6 实施效果竣工后的世博会大明宫馆 (图 15) 古韵悠然, 该传统建筑成为世博园内的一道亮丽风景线。大明宫馆经过使用, 结构各项指标良好, 很好地达到了设计预期, 其传统建筑外观造型获得了众多中外游客的好评。该工程的实施效果如下:(1) 主体结构合理性:根据建筑方案, 结构设计采用了钢-木组合结构, 结构体系安全合理, 构件工厂化加工, 现场拼装, 且楼板采用了钢格板承重体系, 避免了混凝土等不可回收材料的利用, 实现了建筑绿色环保和可持续发展的科学发展观。图 15 建成效果 下载原图(2) 施工便捷且具有可逆性:本工程满足世博会使用要求, 且现场施工快捷、方便,
19、 施工工期可控。世博会后, 于 2012 年 10 月, 该建筑完成回迁, 易地重建于西安大明宫国家遗址公园。(3) 技术创新性:工程在保证传统建筑神韵的基础上, 满足了现代功能要求。同时, 通过构件及节点优化措施, 很好地实现了现代材料营建传统建筑。7 结论本工程结构设计从整体布局入手, 合理选用材料, 采用钢-木组合结构、利用结构桁架形成设备加层等措施, 减弱建筑方案对结构体系的不利影响, 并通过合理的构造手段使各种材料形成一体。在细部设计中, 对关键部位进行了精细设计, 取得了较为满意的结果, 得出以下结论:(1) 通过采用钢-木组合结构体系, 实现了传统建筑造型与现代功能的协调。(2)
20、 通过结构方案的对比, 该钢-木组合结构满足结构受力与变形要求。(3) 通过建筑后期的使用, 结构满足可多次拆装、易地重建的要求。参考文献1世博会临时建筑物、构筑物设计标准 (结构专篇) R.上海:上海市建设和交通委员会, 2007. 2赵鸿铁, 张风亮, 薛建阳, 等.古建筑木结构的结构性能研究综述J.建筑结构学报, 2012, 33 (8) :1-10. 3沈祖炎, 温东辉, 李元齐.中国建筑钢结构技术发展现状及展望J.建筑结构, 2009, 39 (9) :15-24, 14. 4车顺利, 韦孙印, 吴琨, 等.唐大明宫丹凤门遗址博物馆结构设计J.建筑结构, 2017, 47 (3) :88-91. 5车顺利, 贾俊明, 吴琨, 等.2011 年西安世园会天人长安塔结构设计J.钢结构, 2017, 32 (2) :59-62, 71. 6邹晶, 李元齐.钢结构住宅体系在我国的发展现状及存在问题J.钢结构, 2007, 22 (7) :10-16.
