2011年西安世園會(huì)天人長(zhǎng)安塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

車(chē)順利 賈俊明 吳 琨 韋孫印 曾凡生

(中國(guó)建筑西北設(shè)計(jì)研究院有限公司， 西安 710018)

摘 要：天人長(zhǎng)安塔是2011年西安世園會(huì)四大標(biāo)志性建筑之一，它融合了隋唐古韻和現(xiàn)代元素，是西安新的地標(biāo)性建筑。天人長(zhǎng)安塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了建筑塔形由木塔、磚塔、鋼筋混凝土塔向全鋼結(jié)構(gòu)建筑塔形的完美演繹。結(jié)合結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)件布置，介紹該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通過(guò)分析確定結(jié)構(gòu)方案。該工程在繼承傳統(tǒng)建筑風(fēng)格的基礎(chǔ)上，運(yùn)用現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)材料和工藝，創(chuàng)造建筑空間，滿(mǎn)足建筑功能需求，確保工程的可逆性和安全性，開(kāi)辟了傳統(tǒng)風(fēng)格建筑設(shè)計(jì)的新思路。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)建筑； 塔形建筑； 世園會(huì)； 鋼結(jié)構(gòu)； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 工程概況

西安世園會(huì)天人長(zhǎng)安塔(圖1)位于世園會(huì)園區(qū)制高點(diǎn)。該塔融合傳統(tǒng)與現(xiàn)代元素，雄渾挺拔、巍然屹立在美麗的灞河之濱。它不僅是世園會(huì)四大標(biāo)志性建筑之一，也是西安新的地標(biāo)性建筑。天人長(zhǎng)安塔既具有唐代傳統(tǒng)木塔的造型特色，又具有觀(guān)光、展覽等現(xiàn)代功能，貫穿古今、寓意“天人長(zhǎng)安”[1-5]。全塔采用鋼框架-鋼支撐結(jié)構(gòu)體系，質(zhì)量輕、施工快[6-7]。屋頂及所有挑檐均采用夾層玻璃，與墻體的玻璃幕墻共同構(gòu)成水晶塔的效果。建筑地上有13層，地下有1層，總高度為95 m?？傉嫉孛娣e為8 992 m2，總建筑面積為13 060 m2，其中地上為12 066 m2，地下為994 m2。

2 建筑特點(diǎn)

天人長(zhǎng)安塔地下1層層高為8 m，地上建筑為7明6暗共13層，其中1層層高為8.4 m，頂層由樓面至屋脊為15 m，其余各明層層高為6.21 m；暗層最大層高為5.8 m，其余為3.93 m，各暗層設(shè)有長(zhǎng)懸挑坡屋面，挑出長(zhǎng)度最大約4.1 m，建筑立面見(jiàn)圖2。

圖1 建筑立面示意

長(zhǎng)安塔平面為正方形，地下室平面尺寸為36.7 m×36.7 m，隨著層高的增加，平面尺寸逐漸內(nèi)收，至頂層縱橫向尺寸收至22.5 m×22.5 m。

該建筑具有以下特點(diǎn)：1)長(zhǎng)安塔各層有明層、暗層之分，隨著建筑標(biāo)高、層數(shù)的增加，體型不斷縮進(jìn)；2)長(zhǎng)安塔為傳統(tǒng)風(fēng)格建筑，挑檐、斗拱等元素造成建筑檐口構(gòu)造復(fù)雜，且挑檐懸挑長(zhǎng)度介于4.1～6.5 m，屋檐出挑及傾斜度較大；3)天人長(zhǎng)安塔具有觀(guān)光、展覽等現(xiàn)代功能，屋頂及所有挑檐均采用夾層玻璃圍護(hù)，與墻體的玻璃幕墻共同構(gòu)成水晶塔的效果，因此，結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾乎全部外露，且規(guī)格和尺寸受限；4)長(zhǎng)安塔頂層為大開(kāi)間形式，屋面坡度約23°，鋼梁投影跨度達(dá)22.5 m。

3 結(jié)構(gòu)布置

圖2 1層檐口處結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)建筑特點(diǎn)，天人長(zhǎng)安塔結(jié)構(gòu)主體采用鋼框架-鋼支撐體系，柱采用方或圓鋼管混凝土柱，梁采用鋼梁。1層檐口和暗層結(jié)構(gòu)布置如圖2、圖3所示，結(jié)構(gòu)外圈框架柱(②、⑨軸線(xiàn)和、軸線(xiàn)對(duì)應(yīng)柱)按建筑縮進(jìn)模數(shù)不斷的內(nèi)縮，外圈鋼框柱頂采用牛腿式內(nèi)折轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)塔身收縮，③、⑧軸線(xiàn)和?、軸線(xiàn)對(duì)應(yīng)柱伸至6層暗層標(biāo)高處由圓形鋼管混凝土柱(φ600×16)轉(zhuǎn)換為矩形鋼管混凝土柱(□400×16)。檐口處通過(guò)設(shè)置異型收邊鋼梁(圖4)，既滿(mǎn)足建筑出翹要求，又兼作排水天溝。各屋面挑檐處，結(jié)合斗拱設(shè)置結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件(圖5)，解決屋檐懸挑較大的問(wèn)題。

圖3 1層暗層結(jié)構(gòu)布置

1—每鋼櫞定位處設(shè)8 mm厚加勁肋；
2—與懸挑鋼梁圍焊，焊角高度6 mm。
圖4 檐口異型收邊梁

1—屋檐挑梁；2—矩形鋼管椽；3—結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件；
4—建筑裝飾；5—柱內(nèi)隔板并預(yù)留澆搗孔；
6—框架梁；7—框架柱。
圖5 斗拱節(jié)點(diǎn)

由于結(jié)構(gòu)各明、暗層層高懸殊較大，各層剛度結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置時(shí)采取如下措施加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性能：1)結(jié)合建筑樓梯、電梯等內(nèi)部交通核區(qū)域設(shè)置帶撐框筒；2)大層高樓層外周圈設(shè)置加強(qiáng)桁架；3)將斗拱設(shè)置為支撐構(gòu)件，解決檐口出挑較大問(wèn)題；4)在屋面剛架中設(shè)置鋼拉索，從而克服屋面跨度、傾角大的問(wèn)題(圖6)。結(jié)構(gòu)立面布置見(jiàn)圖6。

1—屋面鋼架處設(shè)置鋼拉索；2—交通核區(qū)域設(shè)置中心
或偏心支撐；3—層高較大樓層處外圈設(shè)置加強(qiáng)桁架；
4—屋檐處利用斗拱設(shè)置支撐。
圖6 結(jié)構(gòu)立面布置示意

4 結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)及分析

結(jié)構(gòu)整體模型如圖7 所示，分別采用SATWE和MIDAS兩種不同的三維空間程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力、位移計(jì)算。計(jì)算模型中，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0 ，黃土地區(qū)建筑物分類(lèi)為甲類(lèi)，建筑抗震設(shè)防分類(lèi)為丙類(lèi)，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，特征周期值為0.35 s，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)，框架抗震等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度為8度，基本風(fēng)壓為0.4 kN/m2，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，基本雪壓為0.2 kN/m2，基礎(chǔ)形式為箱形基礎(chǔ)。主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸和材質(zhì)見(jiàn)表1。

圖7 計(jì)算模型

表1 主要構(gòu)件截面尺寸及材質(zhì)

類(lèi)型 主要截面規(guī)格鋼材混凝土KZ-1矩形鋼管混凝土柱□400×14Q345BC40KZ-2矩形鋼管混凝土柱□400×(20～14)Q345BC40KZ-3圓鋼管混凝土柱?600×16Q345BC40帶撐框筒矩形鋼管混凝土柱□400×(20～16)Q345BC40主梁H型鋼梁H400×(200～250)Q345B次梁H型鋼梁H300×(200～150)Q235B支撐H型鋼梁H250×250Q235B

SATWE 和MIDAS 兩種程序分析出的結(jié)構(gòu)反應(yīng)特征、變化規(guī)律基本吻合，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿(mǎn)足國(guó)家建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求[8-10]。

多遇地震反應(yīng)譜分析時(shí)，整體參數(shù)分析采用剛性樓板假定，構(gòu)件設(shè)計(jì)采用非強(qiáng)制剛性樓板假定。結(jié)構(gòu)周期計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，MIDAS計(jì)算結(jié)構(gòu)前4階振型如圖8所示。

表2 模態(tài)周期及振型

軟件周期/s平扭系數(shù)(X+Y+T)振型1振型2振型3振型4振型1振型2振型3振型4周期比有效質(zhì)量系數(shù)/%X向Y向SATWE2460238120450862100+000+000000+100+000000+000+100050+050+00008392919609MIDAS2453236920330855092+018+000017+093+000001+001+098043+047+00008393799719

a—第1振型; T1=2.452 7 s;b—第2振型; T2=2.368 9 s;c—第3振型; T3=2.032 6 s;d—第4振型; T4=0.854 5 s。
圖8 結(jié)構(gòu)前4階振型

該建筑結(jié)構(gòu)第1振型表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)沿X方向的平動(dòng)，第2振型反映了結(jié)構(gòu)沿Y向的平動(dòng)，第3振型則為扭轉(zhuǎn)振型，第四振型為平動(dòng)耦合。計(jì)算主要結(jié)果表明(表3)、兩種計(jì)算程序計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性結(jié)果基本接近，且各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足國(guó)家建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求[8-10]。

表3 結(jié)構(gòu)整體分析主要結(jié)果

方法最大層間位移角最大位移比基底剪力/kN地震作用下底層剪重比/%地震作用風(fēng)荷載地震作用風(fēng)荷載地震作用風(fēng)荷載X向Y向X向Y向X向Y向X向Y向X向Y向X向Y向X向Y向SATWE1/5951/5981/21171/223511711．1541．0191．0124896491510421040321331MIDAS1/6231/6331/22081/234511071．0051．0051．0004976510410691054324332設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)1/2501/250≤1/250≤1/250≤12≤12≤12≤12----≥32≥32

5 典型節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)中結(jié)合工程特點(diǎn)及使用功能，對(duì)局部構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)。如塔體內(nèi)縮，結(jié)構(gòu)外圈框架柱不斷的縮進(jìn)，導(dǎo)致柱端節(jié)點(diǎn)不連續(xù)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了牛腿式內(nèi)折轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)(圖9)，解決了柱內(nèi)縮引起的柱端不連續(xù)問(wèn)題。

a—設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn);b—實(shí)際節(jié)點(diǎn)。
1—頂板留澆搗孔，待混凝土澆搗完畢后洞口補(bǔ)強(qiáng)；2—上柱；3—轉(zhuǎn)換牛腿；4—內(nèi)隔板均留澆搗孔；5—下柱。
圖9 牛腿式轉(zhuǎn)換上、下柱節(jié)點(diǎn)

在6層暗層標(biāo)高處，依據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置及建筑功能布局要求，通過(guò)合理的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了圓形鋼管混凝土柱向方形鋼管柱節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換(圖10)，滿(mǎn)足了建筑布置需求。為減少或抵消斜屋面剛架處的側(cè)推力，在屋架下弦處設(shè)置拉桿，有效地控制了屋架構(gòu)件規(guī)格和屋架撓度(圖11)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本工程主體結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)符合綠色環(huán)保的社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)，體現(xiàn)了環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)發(fā)展觀(guān)思想，與世園會(huì)天人長(zhǎng)安的創(chuàng)意理念相吻合。該工程項(xiàng)目施工周期短、造價(jià)合理、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。

a—模型節(jié)點(diǎn);b—設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)。
1—加勁板(共4件)；2—弧形封板(共4件)；3—隔板；4—鋼梁。
圖10 圓管-矩形管柱轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)

a—模型節(jié)點(diǎn);b—設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)。
1—屋檐挑梁；2—屋檁；3—屋架梁；4—矩形鋼管椽；5—框架柱；6—拉索及耳板。
圖11 屋架拉索節(jié)點(diǎn)

工程采用鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、施工快，且鋼材為可循環(huán)材料，節(jié)能環(huán)保。屋頂及所有挑檐均采用夾層玻璃，與墻體的玻璃幕墻共同構(gòu)成水晶塔的效果。用現(xiàn)代建筑材料作為傳統(tǒng)建筑的骨架，在保證傳統(tǒng)建筑神韻的基礎(chǔ)上，使建筑滿(mǎn)足現(xiàn)代功能要求。

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THE STRUCTURE DESIGN OF CHANG’AN TOWER FOR 2011 XI’AN INTERNATIONAL HORTICULTURAL EXPOSITION

Che Shunli Jia Junming Wu Kun Wei Sunyin Zeng Fansheng

(Northwestern Architectural Design Institutes Company Ltd， Xi’an 710018， China)

Abstract：Chang’an Tower for 2011 Xi’an International Horticultural Exposition, which combines ancient elements of the Sui and Tang Dynasties and modern elements, is a new landmark building in Xi’an. The structure design of Chang’an tower perfectly realized the transition of tower building from wood-tower, brick-tower, concrete-tower to steel-tower. The characteristics and difficulties of structure design were introduced, the appropriate structure layout was determined by analyzing the structure characteristics. Based on the traditional architectural style, the modern building materials and technology were applied to create architectural space and achieve the function demand of the building, so as to ensure the reversibility and the safety of the project. It opened the new way for ancient building design and application of steel structure.

KEY WORDS：traditional building; tower building; International Horticultural Exposition; steel structure; structural design

* 中建股份科技研發(fā)課題(CSCEC-2012-Z-16)。

第一作者：車(chē)順利，男，1976年出生，博士，高級(jí)工程師,一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師。

Email：cheshunli@126.com

收稿日期：2016-10-05

DOI：10.13206/j.gjg201702013