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摘要：本文通过屋盖异形悬挑钢表现形式设计研究，对表现形式设计荷载进行必要预留，避免了后期吊装时因为预留荷载不足，进行大规模改造的问题，不仅节省了大量资金，也极大的缩短了工期。
关键词：屋盖；异曲面；钢结构
1设计概况
体育场平面轮廓为闭口椭圆形，短向为205m，长向约220m。从建筑方案构型和结构方向考虑，本结构拟采用场内巨型桁架结构方案，巨型桁架采用三角形立体桁架，桁架高度8m，巨型桁架长跨跨度146m，短跨跨度88m。四个角部位置（场地入口位置）采用菱形立体桁架落地。体育馆屋面轮廓为椭圆形结构，长轴直径为145m，短轴直径为110m，屋面面积约12500m2。屋顶最高标高38m，檐口标高28m，与斜坡屋面架空层交接标高约为21.7m～25.7m。训练馆屋面轮廓为椭圆形结构，长轴半径为81.3m，短轴半径为66.5m。屋盖矢高4.5m，矢跨比约为1/16。支撑屋盖柱子一共16根，柱距约为12m；游泳馆屋面轮廓为椭圆形结构，长轴半径为101m，短轴半径为71m。
2选型和设计
2.1体育场屋盖选型和设计
屋盖结构采用交叉简支箱型梁结构，一端支撑与巨型桁架，另一端支撑与看台顶部V柱或者尾部V柱至上，简支梁最31.6m左右。屋盖结构最大悬挑距离为40.8m（包括巨型桁架范围），支撑屋盖柱距约为12m。根据结构力学机理，巨型拱桁架为斜卧式桁架，为平衡该桁架的水平分量和竖直分量，支撑斜柱和看台梁结构形成一个巨型三角撑提供水平抗侧力，以抵消巨型桁架的水平分量。巨型桁架的竖直力通过混凝土屋面自重平衡。该受力体系避免屋盖结构成为受力不利的悬挑结构，成为安全性较高的简支结构，提高结构的可靠度以及降低现场施工难度。在建筑效果上可提高观众区的净高，同时巨型桁架内部可集中布置马道功能和相关设备管线，马道上梯位置可在巨型桁架柱内解决。计算结果表明该方案变形、振型和用钢量都适中，结构方案可行。
梁的悬挑在建筑及结构设计中极为常见。最普通的一种悬挑结构莫过于火车站台的简易雨棚：一根柱子支撑上方的一根梁，支撑点可以是中点，也可两端不对称。这形成了一个单柱悬挑梁的单元，该单元顺着站台依次纵向复制便可形成雨棚的支撑结构。假若其为混凝土结构，则在单元之间铺设钢筋混凝土板形成纵向连接，以保证形体稳定；假若其为钢结构，则在单元之间架设檩条或次梁，上铺金属屋面板。这样的构筑物在纵向因为单元的相互勾连而结构稳定，但在横向则易受水平荷载的扰动，因此需要在横向加强结构稳定设计。若在横向复制一个或几个单元并连接组成结构整体，则形成了最常见的建筑结构——框架结构，其端部形成悬挑的梁。框架结构的端部悬挑梁使得自由立面成为可能。因为结构柱退居至立面之后，建筑师可根据其创作理念，对立面进行自由设计。这种悬挑同时可以解放建筑的转角，削弱建筑体量的实体感，使建筑师更自由地表现设计概念。
2.2体育馆屋盖选型和设计
屋盖矢高8m，矢跨比约为1/13。支撑屋盖柱子一共24根，以等角度（15°）进行划分，柱距约为16.8m。主选方案：张弦穹顶方案，屋盖采用环肋型径向网格，采用24道径向索，内圈一道环向索，索撑采用V形撑杆，增强稳定性。索撑高度12m，矢跨比为1/10。本方案适合桁架马道和相关设备管线集中布置，同时，内环可根据建筑功能布置相关表演吊点及其它功能需求布置，功能需求集中，适合在有演出功能的体育馆。最后实施时可结合斗屏布置优化内圈结构形式。备选方案：采用葵花形网格弦支穹顶体系。一共采用三圈径向索和环向索，索成环肋型布置；从外圈到内圈索撑高度分别为7.5m、6m和4.5m，屋盖壳体为葵花型单层网格。本方案马道布置相对受限，一般布置在相关环索附近，且其宽度不能太大，所受荷载不能过重，适合在无表演功能场馆。计算结果表明两种方案变形、振型和用钢量都适中且相近，结构方案可行。
整根预制的悬臂边梁遵循受力原则，整根梁可分为距离相当的3个部分，端头截面小，中间截面大。梁中间非悬挑部分局部掏空两处，在考虑设备管道穿过其中进入通风井的同时，基于结构受力将结构效率低的部分去除。两端悬挑的梁也做了变截面处理，同样是将结构效率低的部分去除，同时减轻自重。悬挑梁1/2处下挂的部分不是受力使然，而是为了悬挂预制次梁。该医学实验楼是空间与结构一体化设计、建筑设备与预制钢筋混凝土结构完美整合的范例。
2.3训练馆和游泳馆屋盖选型和设计
结构悬挑具有一定的受力合理性，恰当地运用这种合理性可以在节省建筑材料的前提下实现更大的跨度，提高建材的结构效能，符合绿色建筑节材理念。屋顶最高标高18m，檐口标高13.5m，与斜坡屋面架空层交接标高约为7.2m～10m。屋盖矢高4.5m，矢跨比约为1/16。支撑屋盖柱子一共16根，柱距约为12m；训练馆和游泳馆屋盖采用张弦梁结构体系，游泳馆中间撑杆高度6m，弦支穹顶高跨比为1/11。其余榀桁架撑杆高度根据标高渐变，平面外另加一道稳定索。
2.4节点设计
屋盖空间关系复杂，现场定位容易出现偏差。支撑钢屋盖的支座可采用纠偏支座为了降低现场安装误差。
3钢结构施工方案考虑及对主体结构的影响分析
对于大型体育场馆钢结构而言，钢结构施工方案、吊装路线和胎架布置对于主体结构、地下室设计荷载有巨大影响。由于施工单位进场往往都在设计阶段完成之后，其届时提交的施工方案和施工荷载偏滞后、很多预留结构需要通过结构改造才能实现，往往会使整个现场处于极大的被动状态。在表现形式设计阶段，有意识地设定吊装路线，对表现形式设计荷载进行必要预留，能够避免后期吊装时因为预留荷载不足进行大规模改造，不仅浪费大量资金，也极大延误工期。本项目地块周边设置工地围墙，包括场地东南侧道路。于地上楼板边线外侧设置临时施工环路。根据场地情况布置施工道路、吊车行走路线、钢构拼装与堆放场地，其中综合体育场采用履带吊于场内进行钢结构吊装，土建看台预留吊车进退场道路空间，履带吊于场内进行组装及解体，钢结构支撑胎架设置于主桁架下方。综合体育馆、训练馆、游泳馆采用履带吊于场外进行钢结构吊装，钢结构支撑胎架设置于主梁节点下方。由于本项目体育馆和游泳馆范围存在大量地下室，吊车允许路线和现场大堆料场地因尽量避开地下室范围，仅限散拼场地在该范围内，并预留好荷载。同时由于钢构吊装需要，大斜坡屋面建议通过分阶段施工，与钢构施工进度有序结合。
结束语：
通过对工程中屋盖异形悬挑钢表现形式设计研究，形成创新优化实施方案：
⑴巨型桁架落柱位置内移，适当缩小两向跨度差距，保证均匀受力，提高经济性；屋面找形尽量形成标准马鞍形，提高巨型桁架内部受力大回环效率；结合结构方案优化柱网布置。⑵屋面找形可尽量降低屋面拱度，以增加拉索角度，提高拉索受力效率，同时结合结构方案和建筑造型优化柱网布置。⑶本项目屋盖空间关系复杂，现场定位容易出现偏差。支撑钢屋盖的支座可采用纠偏支座体育馆备选弦支穹顶方案索撑布置，降低现场安装误差。
在当今的建筑创作中，以结构设计驱动建筑设计概念和支撑建筑造型相当常见。结构悬挑具有一定的视觉表现力，也能够提高结构效能，节省结构材料，符合绿色建筑节材理念。
参考文献：
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