摘  要：本文秉承“復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化”的設(shè)計(jì)理念，結(jié)合“復(fù)雜建筑簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單加工”的工程實(shí)例，簡(jiǎn)要介紹了三鉸剛架交叉結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)。最后指出了案例體會(huì)以及這類(lèi)結(jié)構(gòu)體系的探討研究方向。
關(guān)鍵詞：三鉸剛架 交叉結(jié)構(gòu)  屋脊落差鉸  平面鉸 彎扭 焊接節(jié)點(diǎn)

 1. 工程概況
      深圳市體育中心游泳訓(xùn)練館（圖1、圖2）屬于市中心高標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)館，設(shè)有一個(gè)室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)泳池，平時(shí)高階訓(xùn)練用，賽時(shí)與相鄰的原有游泳跳水館配套使用。
 

 
圖1  深圳游泳訓(xùn)練館效果圖



圖2  深圳游泳訓(xùn)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(zhǎng)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(jié)構(gòu)裸露，宛如泳將組團(tuán)，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(jié)構(gòu)（圖6），輔房采用框架鋼結(jié)構(gòu)。總用鋼量約400t，單位用鋼約80kg/m2。
      該館2006年設(shè)計(jì)，在2011深圳世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)新建場(chǎng)館項(xiàng)目中，首個(gè)建成，于2009年投入使用，榮獲“中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)（國(guó)家優(yōu)質(zhì)工程）”，成為該獎(jiǎng)項(xiàng)設(shè)立以來(lái)“最小”規(guī)模鋼結(jié)構(gòu)。
      2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)體系與傳力路線(xiàn)
      本工程建筑效果要求采用三鉸剛架交叉結(jié)構(gòu)（圖1）。除兩個(gè)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(mén)式剛架交叉，形成門(mén)式剛架交叉結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)可行性在競(jìng)標(biāo)之初受到質(zhì)疑是正常的。
      建筑同時(shí)要求不設(shè)置縱向柱間支撐，又遭質(zhì)疑，主要在于縱向傳力路線(xiàn)打破了常規(guī)。實(shí)際上，這種結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定性良好，縱橫空間傳力路線(xiàn)順暢。對(duì)此，有三種設(shè)計(jì)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(gè)穩(wěn)定體系，交叉剛架的雙向 “剛接”性，也就是說(shuō)，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(shí)際形成了連續(xù)多跨縱向承重框架體系。
      理念二，縱向荷載，通過(guò)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(jié)構(gòu)”體系成立，不必再執(zhí)意按縱橫平面承重體系去理解。
      理念三，盡管如此，柱頂增設(shè)縱向貫通連梁，與剛架柱剛接，使得縱向剛度加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)空間穩(wěn)定性增強(qiáng)，且縱向傳力更為直接。縱向可以理解為“縱向連續(xù)多跨固支單層框架”。
      2.2 技術(shù)難點(diǎn)與設(shè)計(jì)目標(biāo)
      本工程三鉸門(mén)式剛架，除屋脊跨中鉸落差外，門(mén)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(jié)點(diǎn)起雙柱匯交至一個(gè)柱腳，造成三鉸剛架空間彎扭，使設(shè)計(jì)和加工，尤其是加工難度更大。
因此，“無(wú)柱間支撐、彎扭型、跨中鉸落差”三方面的特點(diǎn)，使得三鉸平面剛架交叉結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
      本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念的最高境界，則是采用最簡(jiǎn)單的平面剛架交叉（圖3），焊接節(jié)點(diǎn)，平面鉸，組成三鉸門(mén)式剛架（圖4）交叉結(jié)構(gòu)。
      參考深圳會(huì)展中心的兩鉸門(mén)式剛架，些許突破，實(shí)現(xiàn)新穎別致的建筑造型。設(shè)計(jì)突破點(diǎn)在于“剛架交叉”、“屋脊落差鉸”、“無(wú)柱間支撐”，經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在采用“簡(jiǎn)約式平面鉸”及“焊接節(jié)點(diǎn)”，規(guī)避了“鑄鋼節(jié)點(diǎn)”和“球鉸”。對(duì)于類(lèi)似于鳥(niǎo)巢的彎扭焊接節(jié)點(diǎn)的加工難點(diǎn)，密切配合建造商，優(yōu)化深化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)突破：“一次下料一次彎扭成形組裝焊接”。
 

     
 圖3  交叉剛架結(jié)構(gòu)平面圖             圖4  屋脊落差鉸門(mén)式剛架圖

2.2  剛架交叉與屋脊落差平面鉸
      本工程三鉸門(mén)式平面剛架雖然斜放交叉，組成了空間結(jié)構(gòu)，但可以虛構(gòu)理解為類(lèi)似于“合并排架[1]”的各榀正放“合并剛架”平面結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足平面鉸的基本“受力”條件。
      一跨中鉸為界，將剛架分為兩個(gè)半跨的兩側(cè)。設(shè)計(jì)利用兩榀斜放剛架梁的同側(cè)交匯，在水平面內(nèi)相應(yīng)合并為兩個(gè)同位正放節(jié)點(diǎn)“板”，同處一個(gè)重力落差鉛垂面，滿(mǎn)足平面鉸的基本“構(gòu)造”條件。
      設(shè)計(jì)又應(yīng)用“剛域”概念，將上位正放節(jié)點(diǎn)板設(shè)計(jì)為三角剛架“剛域板”，實(shí)現(xiàn)屋脊落差鉸（圖5)，消除了結(jié)構(gòu)可行性的疑惑。
      設(shè)計(jì)還巧妙的將箱形截面下位節(jié)點(diǎn)“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(jié)點(diǎn)“剛域板”作為上插板，直插銷(xiāo)接，避免了通常的縮寬轉(zhuǎn)換，使得傳力更為直接，加工安裝更為簡(jiǎn)便。
  

  
 圖6  深圳市體育中心游泳訓(xùn)練館 屋脊落差鉸剛架交叉結(jié)構(gòu)軸側(cè)圖


 圖7 深圳市體育中心游泳訓(xùn)練館束腰并腳雙柱

2.3 合并柱與平面鉸支座
      設(shè)計(jì)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(duì)此合并柱，設(shè)計(jì)采用矩形箱型截面，本想方便加工，但由于剛架節(jié)點(diǎn)圓潤(rùn)美觀(guān)要求，實(shí)際上又派生了剛架梁柱翼緣的彎扭，設(shè)計(jì)與建造商配合，改為梯形箱形截面，雖然截面較為復(fù)雜，但規(guī)避了彎扭難度，截面形狀和梁柱節(jié)點(diǎn)也同為美觀(guān)。
      兩榀下位半跨變截面梁在端部“交叉”，分別通過(guò)剛架節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)將合并柱腳正放，滿(mǎn)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(gòu)造。設(shè)計(jì)時(shí)，采取一定的措施，按照縱向固定支座構(gòu)造，符合設(shè)計(jì)分析計(jì)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(xùn)練館屋脊落差鉸剛架交叉結(jié)構(gòu)

2.4 梁柱截面
      設(shè)計(jì)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(xiāo)軸均為d150mm。

2.5 工程類(lèi)比與簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)
       “鳥(niǎo)巢”其實(shí)是桁架交叉編織結(jié)構(gòu)，由建筑師模仿自然界創(chuàng)作，結(jié)構(gòu)越亂越自然，越符合建筑設(shè)計(jì)理念。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師從雜亂無(wú)序中找出規(guī)律，由24榀桁架沿平面橢圓線(xiàn)放射形陣列交叉布置[2 ]，編織成“鳥(niǎo)巢結(jié)構(gòu)”，實(shí)現(xiàn)了突破性的簡(jiǎn)化。在追求鳥(niǎo)巢自然效果的同時(shí)，又要馬鞍形體育建筑造型，致使桁架式剛架節(jié)點(diǎn)不在一個(gè)水平面，而沿馬鞍形空間曲線(xiàn)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(guò)立體桁架外柱節(jié)點(diǎn)彎扭形成的彎扭形桁架族不等高的空間編織結(jié)構(gòu)?？蓺w納稱(chēng)之“彎扭桁架輪轂交叉式馬鞍面編織結(jié)構(gòu)”。
      深圳市體育中心游泳訓(xùn)練館取鳥(niǎo)巢交叉剛架之精華，編織結(jié)構(gòu)的極端化，編織點(diǎn)數(shù)最少。設(shè)計(jì)將剛架沿平面矩形長(zhǎng)邊斜向陣列交叉布置（圖3），形成簡(jiǎn)約的“帶有屋脊落差鉸的等高彎扭剛架交叉結(jié)構(gòu)”。本工程秉承“復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化”的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)“復(fù)雜建筑簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單加工”，整個(gè)工程無(wú)一鑄鋼節(jié)點(diǎn)，全部采用焊接工藝實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的經(jīng)典建筑造型。
      3. 小結(jié)

深圳市體育中心游泳訓(xùn)練館建成使用兩年多來(lái)，除重力荷載外，經(jīng)歷了多次沿海臺(tái)風(fēng)侵襲和氣溫變化的考驗(yàn)，其設(shè)計(jì)、加工、安裝的工程實(shí)踐體會(huì)表明：
      1) 帶有屋脊落差的三鉸門(mén)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(jié)構(gòu)，采用平面鉸是可行的。
      3) 彎扭剛架空間交叉結(jié)構(gòu)，無(wú)需柱間支撐（圖6、圖2），在一定的支座構(gòu)造技術(shù)措施保證下，縱向是幾何穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系。
      4)  “復(fù)雜建筑簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單加工”之設(shè)計(jì)理念的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益顯著，宜弘揚(yáng)秉承。
      5) 本文案例矩形平面布置等柱距彎扭剛架交叉結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算分析結(jié)果，具有一定實(shí)用參考價(jià)值，需要系統(tǒng)總結(jié)與探討研究。
      6) 無(wú)柱間支撐的剛架交叉結(jié)構(gòu)體系，屬于空間結(jié)構(gòu)體系，簡(jiǎn)潔美觀(guān)，深受建筑師推崇和社會(huì)鑒賞，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。建議建立這類(lèi)結(jié)構(gòu)體系的系列概念、分類(lèi)、力學(xué)分析、桿件選型、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、加工、安裝等課題，深入研究。

參考文獻(xiàn)
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      [2] 范重等 國(guó)家體育場(chǎng)大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]  中國(guó)大型建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)與施工  中國(guó)建筑工業(yè)出版社  2007
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      [4] 虎秉銀 郭滿(mǎn)良等 交叉彎扭剛架的深化設(shè)計(jì)與加工  深圳土木建筑  2011.09
作者簡(jiǎn)介
      郭滿(mǎn)良，深圳大運(yùn)中心建筑方案國(guó)際征集競(jìng)賽代理主持人、結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人、第一階段技術(shù)方案評(píng)審結(jié)構(gòu)專(zhuān)家，體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人，大運(yùn)中心建筑結(jié)構(gòu)研究課題組負(fù)責(zé)人，大運(yùn)中心鋼結(jié)構(gòu)加工安裝競(jìng)標(biāo)技術(shù)評(píng)審專(zhuān)家，中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)專(zhuān)家委員會(huì)專(zhuān)家，中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)專(zhuān)家委員會(huì)專(zhuān)家，結(jié)構(gòu)工程師學(xué)會(huì)資深會(huì)員（英國(guó)），深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院副總工程師、深圳大運(yùn)中心體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人、華優(yōu)建筑設(shè)計(jì)顧問(wèn)部負(fù)責(zé)人