鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：本文秉承“復雜問題簡單化”的設計理念，結合“復雜建筑簡單結構，復雜結構簡單加工”的工程實例，簡要介紹了三鉸剛架交叉結構的概念設計。最后指出了案例體會以及這類結構體系的探討研究方向。
關鍵詞：三鉸剛架 交叉結構 屋脊落差鉸 平面鉸 彎扭 焊接節點
1. 工程概況
深圳市體育中心游泳訓練館（圖1、圖2）屬于市中心高標準場館，設有一個室內標準泳池，平時高階訓練用，賽時與相鄰的原有游泳跳水館配套使用。
圖1 深圳游泳訓練館效果圖
圖2 深圳游泳訓練館照片
該館由池廳單層空曠建筑及端部輔房三層建筑組成，建筑面積5,000m2。池廳為矩形平面（圖3），長60m，柱距10m，跨度31.2m，檐高7.6m和8.4m，脊高12.9m，屋脊處有落差2.3 m（圖4）。
該館建筑造型別致，池廳空間結構裸露，宛如泳將組團，束腰并腳，躬背伸臂，或者拉手列姿（圖1、圖6），抑或反身躍池（圖2）。
池廳采用帶有屋脊落差的三鉸剛架交叉結構（圖6），輔房采用框架鋼結構。總用鋼量約400t，單位用鋼約80kg/m2。
該館2006年設計，在2011深圳世界大學生運動會新建場館項目中，首個建成，于2009年投入使用，榮獲“中國鋼結構金獎（國家優質工程）”，成為該獎項設立以來“最小”規模鋼結構。
2. 結構設計
2.1 結構體系與傳力路線
本工程建筑效果要求采用三鉸剛架交叉結構（圖1）。除兩個端榀可以正放布置外，所有相鄰中榀斜放斜交（圖3），三次交叉，且屋脊落差（圖4）。
將平面門式剛架交叉，形成門式剛架交叉結構，很容易理解。但將三鉸剛架交叉后，又在跨中鉸處形成屋脊落差，使得三鉸剛架有些抽象，其結構可行性在競標之初受到質疑是正常的。
建筑同時要求不設置縱向柱間支撐，又遭質疑，主要在于縱向傳力路線打破了常規。實際上，這種結構的空間穩定性良好，縱橫空間傳力路線順暢。對此，有三種設計理念。
理念一，由于剛架梁交叉，梁柱剛接，加上屋面縱向系桿，屋蓋不僅是一個穩定體系，交叉剛架的雙向 “剛接”性，也就是說，屋蓋交叉梁在縱向形成了抽象的縱向鋼梁，與縱向列柱“剛接”，實際形成了連續多跨縱向承重框架體系。
理念二，縱向荷載，通過斜放剛架斜向直接傳力，即空間傳力。既然縱橫，任何方向的水平力均可傳遞。“空間結構”體系成立，不必再執意按縱橫平面承重體系去理解。
理念三，盡管如此，柱頂增設縱向貫通連梁，與剛架柱剛接，使得縱向剛度加強，結構空間穩定性增強，且縱向傳力更為直接。縱向可以理解為“縱向連續多跨固支單層框架”。
2.2 技術難點與設計目標
本工程三鉸門式剛架，除屋脊跨中鉸落差外，門式剛架兩兩交叉，剛架梁兩端及跨中共三次交叉，兩端交叉后自剛架節點起雙柱匯交至一個柱腳，造成三鉸剛架空間彎扭，使設計和加工，尤其是加工難度更大。
因此，“無柱間支撐、彎扭型、跨中鉸落差”三方面的特點，使得三鉸平面剛架交叉結構比較復雜。
本工程結構設計理念的最高境界，則是采用最簡單的平面剛架交叉（圖3），焊接節點，平面鉸，組成三鉸門式剛架（圖4）交叉結構。
參考深圳會展中心的兩鉸門式剛架，些許突破，實現新穎別致的建筑造型。設計突破點在于“剛架交叉”、“屋脊落差鉸”、“無柱間支撐”，經濟性體現在采用“簡約式平面鉸”及“焊接節點”，規避了“鑄鋼節點”和“球鉸”。對于類似于鳥巢的彎扭焊接節點的加工難點，密切配合建造商，優化深化設計，實現突破：“一次下料一次彎扭成形組裝焊接”。
圖3 交叉剛架結構平面圖 圖4 屋脊落差鉸門式剛架圖
2.2 剛架交叉與屋脊落差平面鉸
本工程三鉸門式平面剛架雖然斜放交叉，組成了空間結構，但可以虛構理解為類似于“合并排架[1]”的各榀正放“合并剛架”平面結構，滿足平面鉸的基本“受力”條件。
一跨中鉸為界，將剛架分為兩個半跨的兩側。設計利用兩榀斜放剛架梁的同側交匯，在水平面內相應合并為兩個同位正放節點“板”，同處一個重力落差鉛垂面，滿足平面鉸的基本“構造”條件。
設計又應用“剛域”概念，將上位正放節點板設計為三角剛架“剛域板”，實現屋脊落差鉸（圖5)，消除了結構可行性的疑惑。
設計還巧妙的將箱形截面下位節點“板”的兩塊腹板作為平面鉸的下夾板，使整寬箱形截面上位節點“剛域板”作為上插板，直插銷接，避免了通常的縮寬轉換，使得傳力更為直接，加工安裝更為簡便。
圖6 深圳市體育中心游泳訓練館 屋脊落差鉸剛架交叉結構軸側圖
圖7 深圳市體育中心游泳訓練館束腰并腳雙柱
2.3 合并柱與平面鉸支座
設計按照建筑效果要求，相鄰兩榀剛架斜放交叉。
兩榀上位半跨變截面梁在端部“交匯”，合并下彎為變截面柱。對此合并柱，設計采用矩形箱型截面，本想方便加工，但由于剛架節點圓潤美觀要求，實際上又派生了剛架梁柱翼緣的彎扭，設計與建造商配合，改為梯形箱形截面，雖然截面較為復雜，但規避了彎扭難度，截面形狀和梁柱節點也同為美觀。
兩榀下位半跨變截面梁在端部“交叉”，分別通過剛架節點向下彎扭成雙柱，以小角度相向交匯于同一柱腳，形成變截面“束腰并腳雙柱”（圖7）。
設計將合并柱腳正放，滿足橫向平面鉸支座的基本條件。支座鉸同樣采用跨中鉸的箱形截面構造。設計時，采取一定的措施，按照縱向固定支座構造，符合設計分析計算假定條件，保證縱向框架柱腳剪力彎矩傳遞便捷可靠。
a下位半跨 b 上位半跨及跨中
圖8 深圳市體育中心游泳訓練館屋脊落差鉸剛架交叉結構
2.4 梁柱截面
設計采用鋼材Q345B。梁柱均為500mm寬箱形截面。上位半跨梁截面高500—1200mm，下位500—1784mm。單柱截面高500—1200mm，雙柱500—1724mm。三鉸銷軸均為d150mm。
2.5 工程類比與簡化設計
“鳥巢”其實是桁架交叉編織結構，由建筑師模仿自然界創作，結構越亂越自然，越符合建筑設計理念。結構設計師從雜亂無序中找出規律，由24榀桁架沿平面橢圓線放射形陣列交叉布置[2 ]，編織成“鳥巢結構”，實現了突破性的簡化。在追求鳥巢自然效果的同時，又要馬鞍形體育建筑造型，致使桁架式剛架節點不在一個水平面，而沿馬鞍形空間曲線分布。不僅使鄰榀桁架不等高，而且每榀桁架本身并非鉛垂平面桁架，而是通過立體桁架外柱節點彎扭形成的彎扭形桁架族不等高的空間編織結構。可歸納稱之“彎扭桁架輪轂交叉式馬鞍面編織結構”。
深圳市體育中心游泳訓練館取鳥巢交叉剛架之精華，編織結構的極端化，編織點數最少。設計將剛架沿平面矩形長邊斜向陣列交叉布置（圖3），形成簡約的“帶有屋脊落差鉸的等高彎扭剛架交叉結構”。本工程秉承“復雜問題簡單化”的設計理念，實現“復雜建筑簡單結構，復雜結構簡單加工”，整個工程無一鑄鋼節點，全部采用焊接工藝實現獨特的經典建筑造型。
3. 小結
深圳市體育中心游泳訓練館建成使用兩年多來，除重力荷載外，經歷了多次沿海臺風侵襲和氣溫變化的考驗，其設計、加工、安裝的工程實踐體會表明：
1) 帶有屋脊落差的三鉸門式剛架是成立的。
2) 矩形平面布置等柱距彎扭剛架空間交叉結構，采用平面鉸是可行的。
3) 彎扭剛架空間交叉結構，無需柱間支撐（圖6、圖2），在一定的支座構造技術措施保證下，縱向是幾何穩定結構體系。
4) “復雜建筑簡單結構，復雜結構簡單加工”之設計理念的經濟與社會效益顯著，宜弘揚秉承。
5) 本文案例矩形平面布置等柱距彎扭剛架交叉結構的設計計算分析結果，具有一定實用參考價值，需要系統總結與探討研究。
6) 無柱間支撐的剛架交叉結構體系，屬于空間結構體系，簡潔美觀，深受建筑師推崇和社會鑒賞，具有推廣應用價值。建議建立這類結構體系的系列概念、分類、力學分析、桿件選型、節點構造、加工、安裝等課題，深入研究。
參考文獻
[1] 天津大學 同濟大學 南京工學院 鋼筋混凝土結構（下冊，p94） 中國建筑工業出版社 1980年12月
[2] 范重等 國家體育場大跨度鋼結構設計[J] 中國大型建筑鋼結構工程設計與施工 中國建筑工業出版社 2007
[3] 周永明,蔣良君,廖功華等. 國家體育場大型空間箱形截面扭曲構件的加工技術[J] 中國大型建筑鋼結構工程設計與施工 中國建筑工業出版社 2007
[4] 虎秉銀 郭滿良等 交叉彎扭剛架的深化設計與加工 深圳土木建筑 2011.09
作者簡介
郭滿良，深圳大運中心建筑方案國際征集競賽代理主持人、結構專業負責人、第一階段技術方案評審結構專家，體育場結構設計專業負責人，大運中心建筑結構研究課題組負責人，大運中心鋼結構加工安裝競標技術評審專家，中國鋼結構協會專家委員會專家，中國建筑金屬結構協會專家委員會專家，結構工程師學會資深會員（英國），深圳市建筑設計研究總院副總工程師、深圳大運中心體育場結構專業負責人、華優建筑設計顧問部負責人
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