张翀
珠海华发城市运营投资控股有限公司 珠海 519000
摘要：金湾航空城市民艺术中心项目包括地上3-5层，地下2层。首层以上由4栋建筑物组成。主要功能包括大剧院，多功能厅，科普交流馆，艺术展览，公共活动及便民服务设施。屋面壳体结构连接了4栋相对独立的建筑单体，内部通过连桥及中空空间相互连接，在内部形成一个充满活力的公共广场。整个上部建筑群楼部分的建筑长度约为 170m~200m，体型突变（多塔、连体）、斜柱、大悬挑、楼板不连续、大跨屋盖结构选型、结构超长等结构特点。地下2层主要功能为车库及配套用房。整个地下室的形状曲线较为复杂，其中地下一层在对应上部公共开放区域位置有一条连接东西向的下穿隧道，这也使其复杂程度较高，在结构体系设计过程中具有较强的挑战性，因此需要着重分析结构设计的特点和难点，进而为建筑结构设计提供参考性的意见和建议。
关键词：艺术中心；建筑结构体系设计；难点；分析
1工程概况
金湾航空城位于珠海城市金湾区，东起机场东路，西至双湖路，北到金湖大道，南到中心河的规划主干道，总用地面积约 3.8 平方公里，是珠海西部生态新城的核心片区，未来将发展成为金湾区的经济、社会、文化中心。金湾航空城市民艺术中心工程位于金湾航空城中心，区位、景观优势突出。项目首层以上由4栋建筑物组成。主要功能包括大剧院，多功能厅，科普交流馆，艺术展览，公共活动及便民服务设施。其中，大剧院建筑面积约为 15648 平方米，为最大可容纳座位数 1200 座的标准剧院，固定座位为1090 座，设计一层楼座，地下三层台仓及马道。舞台观众厅上下层四周为相应配套的设备用房、剧务用房、演出用房等。建筑层数为 3 层，局部 5 层，屋面高度为 29.0m。多功能厅建筑面积约为 7654 平方米，容纳 500 座观众席。多功能剧厅上下层四周为相应配套的设备用房、剧务用房、演出用房等。建筑层数为 3 层，土建屋面高度为 20.3m。科普馆建筑面积约为 6986 平方米。建筑层数为 3 层，土建屋面高度为 22.3m。艺术馆建筑面积约为 3614 平方米，建筑层数为 3 层，土建屋面高度为 21.2m。
2结构设计
结合本工程的方案资料，拟建工程从结构分为上、下两个部分，上为“飞鸟”形态的架空曲面屋盖，高度在 11.0~30.0m 之间错落变化；下为主体结构功能区，平面呈“蝶形”样式，如下图 1 所示。四个室内主功能区围绕中部公共开放区域呈四角放射放置。四个室内功能主要由相对独立功能区组成，包括 1200 座剧场、500 座多功能厅、艺术馆及科普交流区等，地上为 3~5 层，层高为 4~7m，中部公共开放区主要为休闲功能，为四个独立功能区的连接枢纽裙楼，地上为两层，包括二层部分将各单体连接的大跨连廊，下部建筑在 3 层及以上完全成为一个独立的功能单体。整个上部建筑群楼部分的建筑长度约为 170m~200m，属于超长建筑。
3结构特点、重点及难点
通过对现有建筑方案的理解，结合工程所在地珠海金湾区属于抗震设防烈度为7度（0.10g，第二组）及基本风压达到 0.85kN/m2 的荷载、作用特点和方案设计方以往的建筑特点，本工程结构设计主要有以下设计特点、重点和难点问题需要注意：
1)结合剧院建筑的特点，设计上存在外皮造型呈空间曲面、内部存在无柱异型大空间等特点，在充分理解方案的设计理念下，结构专业与建筑空间、幕墙需要进行一体化的融合设计，结构设计的自由度收到严格约束，设计难度提高；
2)剧场建筑功能特点导致结构存在较多楼板不连续等抗震不规则项、大量的大跨（悬挑）和通高结构空间的设计；
由于剧场的功能要求，往往在观众厅、主舞台等位置形成楼板大开洞，造成 20~35 米左右的大跨楼盖结构，同时往往会存在 6~10m 悬挑楼座的结构设计。在主舞台台仓区域由于舞台等功能的需要 ，往往会有 35~45m 左右的通高结构空间。
3)“飞鸟”造型屋盖结构选型及其与上部维护层幕墙的随形一体化实现；
从效果图看，飞鸟”屋盖造型奇特，主要由区块化马鞍形曲面拼接而成。结构与幕墙的一体化设计能充分体现结构与建筑效果高度融合，既能体现建筑效果，又能节省建筑空间，使得建筑空间的利用最大化，充分体现建筑造型效果。
4)“飞鸟”屋盖结构的风荷载取值及其风环境等问题的研究；
“飞鸟”造型屋盖空间关系层次多，周边没有围护幕墙，结合其所处的位置，这种大跨轻型屋盖结构（包括主体钢结构、围护）的设计往往由风荷载的负压作用控制，其风荷载的取值建议进行风洞试验确定，同时，设计中建议提高钢结构风荷载设计的取值年限，建议按 100 年风荷载取值， 甚至结合气象资料进行研究确定；同时，结合建筑效果，建议对围护屋面尽量设置镂空，减小风压的负压作用，节省造价。由于屋盖面积大，高低错落，其与下部结构组合在一起，内部风场环境十分复杂，建议由相关专业单位对其进行风环境相关的专项研究，如风场环境对人的舒适度、风噪音等方面的影响，提出优化建议。
5)内部主体功能区结构与“飞鸟”屋盖结构的设计关系协调； “飞鸟”造型屋盖结构跨度大，其下部支承点的合理分布对于其钢结构内力的分布的合理性、
经济性等指标的至关重要，具体设计中需要结合下部主体结构的情况进行多方面的综合比较。
6)地下室超长设计及深基坑支护开挖问题；
7)主体结构与舞台机械设备设计的协调；
8)地下室、上部主体结构与下穿隧道的竖向构件协调设计；
9)上部结构的分缝设计方案。
4结构体系选型
由于本工程属于海风环境，从结构设计的经济性、耐久性及后期维护等方面考虑，工程结构构件材料以钢筋混凝土（或钢骨混凝土）为首选，主体楼盖结构避免采用大量外露纯钢结构的基本原则。
从现有初步建筑资料的建筑平面关系、竖向关系、造型关系的初步分析，本工程在结构设计上可能主要存在竖向体型突变（多塔、连体）、斜柱、大悬挑、楼板不连续、大跨屋盖结构选型、结构超长等结构设计中需要重点关注的问题，结构属于抗震特别不规则建筑。结构设计中，将以建筑平面、竖向交通联系、大空间层高、建筑立面、屋盖造型等为基本切入点，结合结构竖向承载、水平抗侧力体系的合理性、经济性及可实施等基本原则，通过多层次的方案比选来确定综合效益最高的结构方案。
1)结构分缝问题
本工程地下室南北向最大长度约为 250m 之间，考虑到地下室结构建成投入使用后，其温度变化较小，结构温度效应较小，重点是解决施工阶段的水化热和收缩问题，目前，通过施工缝、跳仓等成熟的施工方法已可解决施工阶段问题。由于场地邻海，地下水丰富，地下室分缝往往弊大于利，因此，在设计上考虑地下室（含顶板）整体不分缝设计。
地上部分在不影响建筑效果的前提下，拟考虑结合建筑室内外分区设置抗震缝，兼起到温度缝作用，将二层以上结构划分为独立的 5 个区段，一方面可以减少温度效应，另一方面可以将结构体型规则化，提高结构的抗震性能，从而节省造价。“飞鸟“屋盖造型为满足建筑效果的需要，整体不分缝设计。
2)结构选型
结合前述建筑特点分析，整个竖向承重和抗侧力结构体系由主要两个部分组合而成：a）下部功能区主体结构+b）支承于下部主体结构上的“飞鸟”屋盖钢结构。“飞鸟”屋盖钢结构通过明确的支点将其竖向荷载、侧向作用传递给下部主体结构，主体结构将相关作用传递给基础。下部主体结构为整个受力结构体系的刚度中心，此类结构体系具有受力、传力路径清晰，施工层次明确的优势。
a下部功能区主体结构选型
内部功能区区段拟考虑采用普通钢筋混凝土框架（或框架-剪力墙）竖向承重和抗侧力结构体系，局部柱子根据需要采用钢骨混凝土柱。
楼盖结构采用普通钢筋土主次梁结构，局部位置根据需要采用钢梁+钢筋桁架楼承板结构体系。观众厅、主舞台台塔等区域，考虑到其跨度大、荷载大（存在舞台机械设备、马道、栅顶层等大量吊挂）、混凝土结构存在大量高支模等因素，建议采用钢结构形式，钢构件可以考虑采用钢桁架或 H 形钢梁的结构形式，由于隔声等要求，在钢构件上采用钢筋桁架混凝土楼承板或压型钢板组合楼盖的形式。中部开放公共区域为一层，可以结合上部“飞鸟“屋盖的落地支点、负一层地下室下穿隧道采用钢结构框架或混凝土框架结构；局部大跨度连廊采用钢连廊，连廊一端与主体功能区连接采用滑动连接，仅仅传递竖向荷载，不产生刚度相关性。
b“飞鸟”屋盖结构选型
从建筑方案构思看，如下图2所示，整个屋盖造型，如同飞鸟，由一些高低错落的马鞍形曲面拼接而成。针对这种造型，由于结构可能外露，为能够充分表达出建筑“飞鸟”轻盈而有力的造型，在结构设计上，将主要遵循“随形”设计的基本原则，通过建筑造型定出结构基本体系，在通过结构的优化、协调，完成结构与建筑的随形设计。
本屋盖结构拟考虑采用单层网格结构。首先已马鞍形曲面为基本设计单元，提取各个马鞍形单元的边界，形成整体大跨屋盖结构的受力边界，如下图2所示。边界与下部主体通过弧形分叉柱连接一体，形成稳定体系，边界结构可以考虑采用实腹箱形构件，为各大跨马鞍形单元提供足够的面内、面外的受力边界刚度。其次，针对马鞍形单元进行里面屋盖的选型，由于马鞍形曲面为负高斯曲面，其几何特性决定了结构受力的一些特点，如可以采用单层双向索网结构、单层双向网格结构等，结构受力上往往能以构件轴向受力为主，可以充分发挥材料性能，且结构构件尺度轻盈，但往往会对结构其边界产生较大的水平力，对边界的刚度要求较高。在具体单元设计上，将与建筑师配合协调具体的结构形式，以满足结构在竖向荷载、尤其是本结构的抗风设计需要。由于这类型结构属于风敏感性结构，建议对造型屋盖尽量采用镂空设计，提高透风率，减小风荷载对屋盖造型结构的影响。
在结构分析设计上，将采用不同核心的双程序（如 Sap2000、Etabs、Midas、PKPM、YjK） 对结构进行整体性能分析对比，确保结构计算合理、准确；针对结构的具体特点，采用针对性的有限元软件（abaqus、ansys 等）进行详细的分析，根据分析结果进行针对性的构造设计，保证受力安全性和使用的舒适性。具体设计中，通过结构方案的比选选型和优化，采取合理的技术措施后，实现结构与建筑等各专业的高度统一，确保结构在抗震、竖向承载力等设计指标在规范合理的范围内。
5基础选型及基坑支护选型
依据设计任务书及有关规范的要求，本工程的基础设计等级为甲级。综合以往剧院的经验，本工程一层地下室区域可考虑采用预应力高强混凝土管桩基础，管桩兼作抗拔桩，而对于舞台台仓区域，由于其挖深可能达到 15m 以上，台仓底板的抗浮设计需求非常大，往往采用灌注桩抗拔，具体需要根据详细的勘察报告来进行基础选型。
根据场地位置，本项目位于沿海地区，地下水量较大，本工程二层地下室挖深约为 7~11m；台仓区域，其相对于负一层的挖深以下往往也达到 11m 左右，形成 11m 左右的坑中坑支护设计，其支护形式可考虑采用止水帷幕+灌注桩（或地下连续墙）+预应力锚索或一道内支撑的支护形式。
基坑的选型最终将结合土层情况、周边场地情况，通过对不同方案从技术、经济性角度进行比选确定。
6结束语
综上，本工程所属地形复杂，建筑具有大空间层高、竖向体型突变（多塔、连体）、整个屋盖造型，如同飞鸟等特点，给结构体系选型带来很大挑战。所以，需要重点关注结构设计问题，以此为基本出发点，结合结构竖向承载、水平抗侧力体系的合理性、经济性及可实施等基本原则。进行结构体系选型，通过多层次的方案比选，来确定综合效益最高、实施性好的结构方案。