結構工程師知識,結構工程師知識點

　　兩館技術交流會

　　8月18日，深圳當代藝術館與城市規(guī)劃展覽館（以下簡稱“兩館”項目）全專業(yè)技術交流會在華森成功舉辦。參與兩館項目設計的設總和各專業(yè)負責人來到活動現場，為我們解剖兩館項目從方案設計到建設完成的技術問題。交流會由華森副總經理、執(zhí)行總建筑師、兩館項目總負責人肖藍主持。

　　此次交流會是兩館項目全專業(yè)的首次聚集，通過匯報和交流，總結各專業(yè)技術難點、亮點，并分析過程中存在的遺憾。華森的部分員工、“華森設計”微信公眾號部分粉絲參加了交流會。

活動現場

參加交流的兩館項目組合影

　　兩館設計情況介紹

　　肖藍總對兩館項目設計情況進行介紹

　　兩館項目五個難點部位

兩館的五個難點部位

扭曲的表皮鋼結構、雙曲面幕墻系統(tǒng)、巨型云雕塑、40米空中連橋、特展廳頂部玻璃曲面--“勺子”。兩館從方案到建成，項目組投入了九年的精力。建筑的深化設計與落地完成，需要整個團隊的看顧、各專業(yè)知識和經驗的堆積、以及項目組充分溝通和綜合協(xié)調。

根據城市文脈生成建筑表皮的過程

云雕塑的演變

　　建筑專業(yè)

　　執(zhí)行設總吳凡分享了關于施工圖過程中與各細分專業(yè)配合的情況

　　建筑與結構設計

兩館項目在設計中采用了兩種主要方式

1.結構設計結合內部空間，通過結構關系表達出內部空間形態(tài)，所有的形體上的轉折、起伏、收分等均采用主體結構來實現；

2.結構設計結合展覽建筑的使用功能，將結構構件盡量布置在建筑的外圍，展示空間僅由核心筒等少量豎向構件傳遞樓面豎向荷載，形成新穎的大跨度大懸挑的整體空間，充分滿足了建筑造型及功能使用的要求。

建筑與幕墻設計

兩館的幕墻面積幾乎占外墻和屋頂面積全部，不僅體量龐大，而且多為曲面、折面，造型復雜，幕墻專業(yè)化程度高。幕墻設計概念綜合了立面造型、使用功能、太陽輻射、自然通風、景觀視線等因素，利用參數化設計的方式進行設計。

在公共空間和城市規(guī)劃展覽館區(qū)域為了實現自然采光和通透視野采用了玻璃幕墻系統(tǒng)，在東、西立面是帶穿孔遮陽系統(tǒng)的雙層次玻璃幕墻系統(tǒng)；南、北面則以單層次的玻璃幕墻系統(tǒng)為主；屋面部分主要由直立鎖邊系統(tǒng)外襯金屬板完成面構成、并在功能與建筑設計需要的位置輔以少量采光天窗。

當代藝術館由于展品對采光環(huán)境的特殊要求，其外墻和屋面采用的是直立鎖邊金屬板基層干掛石材飾面幕墻。

幕墻立面照明

　　綠色建筑設計

作為深圳市標志性建設項目和大型公益性藝術機構，兩館項目在立項之初就確立了可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排的設計理念，在設計過程中，各專業(yè)設計師和綠色建筑顧問共同努力，統(tǒng)籌考慮建筑全生命周期內的節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材、環(huán)保及建筑功能之間的關系，按照《綠色建筑評價標準》要求，運用了多項綠色建筑技術手段合理安排并組織建筑與其他相關因素之間的關系，使建筑和環(huán)境之間成為一個有機的結合體，同時具有良好的室內氣候條件和較強的生物氣候調節(jié)能力，滿足人們對氣流、光線等的舒適性需求，使人、建筑與自然生態(tài)環(huán)境之間形成一個良性循環(huán)系統(tǒng)，因此本項目也獲得了國家住房和城鄉(xiāng)建設部頒發(fā)的國家最高級的“三星級綠色建筑設計標識證書”。

利用ContamW優(yōu)化自然通風達到大空間整體換氣次數2.17次/h

利用ECOTECT優(yōu)化自然采光環(huán)境

　　建筑與BIM及數字化技術

建筑師通過建筑信息模型和數字化技術的手段，解決兩館項目設計中面臨的諸如形體復雜、信息數據繁雜、限額控制等難點。BIM作為一個數字化平臺整合了兩館設計建造過程中涉及到眾多的專業(yè)學科。

一些特殊的、復雜的工程，用二維是表達不清楚的。項目中有大量的空間曲面造型，如果用二維圖表達就非常困難。而使用基于建筑信息模型（BIM）的軟件系統(tǒng)，就可以直觀地了解建筑，擺脫對靈感的束縛基于BIM的三維模型不同于通常效果圖的所謂三維模型，而是包含了材料信息、工藝設備信息、進度及成本信息等，它是一個完整的建筑信息。

各個設計階段的數據信息，通過BIM三維模型，精確完整地傳遞到下一階段進行深化設計，甚至可以使用模型通過計算機直接提交給制造商加工異型鋼構件而實現無紙化建造。BIM實現了形式與功能相結合的整體化空間設計。

冷作業(yè)鋼現場施工階段模擬

　　兩館消防解決方案

　　兩館項目設總夏韜分享了關于建筑防火的解決方案

　　項目的消防，超大防火分區(qū)是最大的難點

“高規(guī)”5.1.2 高層建筑內的商業(yè)營業(yè)廳、展覽廳等，當設有火災自動報警系統(tǒng)和自動滅火系統(tǒng)，且采用不燃燒或難燃燒材料裝修時，地上部分防火分區(qū)的允許最大建筑面積為4000㎡；地下部分防火分區(qū)的允許最大建筑面積為2000㎡。

規(guī)劃館的矩形平面從10m標高層開始逐層扭轉；并在兩館之間有一個大體量的峽谷形大空間，峽谷形大空間正中心設計了一個云雕塑造型，與峽谷形大空間一起形成一個連通的大空間。總建筑面積在15824平方米，因此根本無法采用傳統(tǒng)分隔方式按規(guī)范所規(guī)定的防火面積將各使用樓層與峽谷形大空間進行分隔。

在消防設計中，防火分區(qū)的劃分是主要問題。如果采用防火墻的方式劃分防火分區(qū)，則失去了大空間及開敞的視覺效果，不能很好地滿足使用所需功能要求；如果采用防火卷簾劃分防火分區(qū)，則卷簾用量過多、可靠性較差，且機械性能、能耗等均存在一定問題，并且建筑結構上要求做較大調整；如果采用防火水幕劃分防火分區(qū)，其消防水量巨大，顯然是不經濟的。

　　解決辦法

1.采用性能化的設計方法，通過對特定建筑的火災模型分析來確定防火分區(qū)的設計；

　　2.展覽區(qū)域內采用不燃燒材料--火災難以通過該區(qū)域蔓延；

3.大堂、公共走道和疏散出口不得擺放任何可燃物及任何妨礙人員疏散的物品：

4.在頂棚下方加設機械排煙設施，在頂棚外圍設置高度不小于1m檔煙垂壁

　　5.設置滅火效能強的噴淋系統(tǒng),噴頭采用大水滴噴頭或快速響應早期抑制噴頭，保護時間3h，保護寬度不小于6m（相當于防火間距），設置單獨的水泵供水，形成主動防火地段；以形成阻火帶，每段阻火帶兩側的區(qū)域建筑面積不超過國家規(guī)范最大允許建筑面積4000㎡，應視為達到防火分隔的目的。

　　兩館參數化設計

　　建筑師李云翔分享了關于兩館參數化設計對建筑結構專業(yè)計算的支持

　　復雜曲面屋面與防水排水問題解決

復雜曲面屋面的深化設計中最難以解決的困難是防水問題：如何在曲面交接位置設置排水系統(tǒng)和找到曲面的積水位置。

我們在設計中采用了粒子系統(tǒng)動力學來檢測分析模型表皮防水結合部位的排水性能。這有利于幫助我們尋找到設置節(jié)水溝和雨水收集點的位置。

而在局部較為復雜的位置，除了通過粒子動力系統(tǒng)的大范圍判斷外，我們通過對曲面曲率的分析，精確找到不規(guī)則曲面交界處的排水處理方法。而為了找到排水坡度變化的轉折點以鋪設雨水收集點，我們采用進化算法，讓計算機通過遺傳“自己”找到最優(yōu)位置。

利用粒子系統(tǒng)進行排水模擬

屋頂曲線區(qū)域的排水坡度及方向的分析通過分析模型曲線的曲率得出

　　表皮復雜曲面幕墻的優(yōu)化設計

表皮復雜曲面幕墻的設計具有不可標準化和形態(tài)不規(guī)則性。對于西側和北側立面的雙曲幕墻我們通過參數化具有的批處理能力，對所有玻璃，穿孔板進行了統(tǒng)計和分析，找到他們與結構連接的空間尺度，對需要優(yōu)化的四邊形、五邊形玻璃進行優(yōu)化，對小于30度銳角的三角形玻璃進行標記等，這些工作大大減少重復性勞動工作。

　　節(jié)能計算中的一些小應用

節(jié)能計算往往針對普通項目的墻體窗等進行分析決策，本項目曲面的復雜性在節(jié)能計算中很難認定，通過參數化對幕墻的空間三維定位，我們方便地定義了節(jié)能計算中對幕墻，墻體朝向的認定，利用這些幕墻三維空間坐標的投影找到所有幕墻的空間朝向。

　　結構曲面與曲率分析

除了形式的異形，兩館項目在結構表皮上也存在大量異形曲面，參數化的方式分析了這些鋼結構的曲率和優(yōu)化方向。

　　三維異形鋼結構的空間定位和截面角度確定

這些復雜異型的鋼結構在空間中呈現扭曲，作為建筑師通過參數化方式對結構的空間定位帶來很大幫助。這些異型鋼結構除了自身的扭曲，在截面上也有不同變化，我們通過對所有結構進行遍歷篩查分析，將所有結構按照500mm距離進行切片，把找到的上萬個截面進行定位標記與尺寸輸出，將這些輸出值以EXCEL表格形式可直接對接到鋼結構深化公司與廠家。這些數據也作為結構工程師計算的基礎數據進行結構荷載計算。

　　數據的優(yōu)化和排序

本項目對于參數化最大難點是模型信息的缺失下，通過模型方向查找排序所有信息，這一類排序工作大量地通過數學和編程操作，為設計的參數化工作提供了基礎。

　　結構的特點和難點

　　專業(yè)負責人徐霖代表結構專業(yè)進行交流

　　結構特點與難點

　　兩館項目外表皮為由傾斜、扭曲、旋轉曲面以及部分直立面構成的復雜多面體網殼結構。

大懸挑桁架

表皮鋼結構與主體結構關系復雜

屋蓋系統(tǒng)（包括側面表皮鋼結構系統(tǒng)）為雜交結構體系

本建筑結構的空間幾何表達模式需要創(chuàng)新方法

型鋼-混凝土柱、型鋼-混凝土核心筒墻在本項目中大量運用

　　復雜結構單元

勺子形幕墻

雨蓬

大螺旋樓梯

空中連廊

云雕塑

　　專題問題分析

結構超限定位

　　由于兩館建筑的獨特性，難以適用某些規(guī)范規(guī)定。因此，本項目以如下指標對建筑結構特性進行控制：

A.平面指標（規(guī)則性）：

a. 主要體現在5.0m、10.0m標高樓面大開洞；

b. 在30m標高藝術館南側樓板全開洞，與南側表皮鋼結構完全脫開；

c. 20.0m、30.0m標高兩館樓層相對獨立。

　　B.空間形體指標(豎向規(guī)則性)：表皮鋼結構在規(guī)劃館北側有43.3度傾斜，在藝術館南 側 20.0m標高有15.7m懸挑并支撐連接屋蓋的屋蓋鋼結構。

C．表皮鋼結構形式復雜性：屬于大型展覽館，表皮鋼結構（屋蓋）超出常用空間結構形式（包含扭曲、不規(guī)則、大跨、網殼不連續(xù)等）。

D．表皮鋼結構與內部樓層及屋蓋連接的復雜性：表皮鋼結構在20.0m、30.0m標高樓層僅在藝術館的東、南側有連接，其余部分均和內部樓層脫開，在屋面又連成整體。

縱上所述，可以將本建筑結構定位為特別不規(guī)則建筑。

　　經驗與總結

兩館項目在結構上有如下亮點

　　結構與建筑的完美統(tǒng)一：大到鋼表皮，小到鋼樓梯，結構構件本身又是建筑元素。裸露的結構體現了建筑之美，實現了二者的完美統(tǒng)一。

創(chuàng)新的結構形式：創(chuàng)新運用了表皮鋼結構-核心筒結構體系，并與水平懸挑屋面鋼桁架系統(tǒng)共同工作，充分發(fā)揮了不同結構單元的特點。

先進的分析手段：充分利用多種空間分析軟件，得到各類復雜構件的大量數據并進行大運算量的分析，進行精準數值模擬。為以后各類復雜空間結構的設計積累經驗。

以上是建筑、結構專業(yè)的交流內容，因為篇幅所限，機電、景觀待續(xù)……

交流會結束后，兩館項目各專業(yè)負責人帶領參會人員一同前往兩館進行參觀，并為參觀人員進行講解。有了交流會上的匯報，大家的參觀更具有目的性，加上各專業(yè)負責人的詳盡講解，相信大家都有了豐碩的收獲。

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