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本文转载自公众号同济设计四院（id:tjad_4)
作者：瑞德菀
结构类型：混凝土框架+巨型钢桁架组合弦支网壳结构
最大跨度：山馆160m，水馆228m
建筑面积：54.7万㎡
之前我们曾介绍了关于山水馆设计理念和结构方案的思考与演化（巨型钢桁架组合弦支网壳结构打造山水妙思），巨大的体量及通透的造型给设计和施工带来了不小的难度，本篇我们就来看看关于结构设计和施工技术方面的研究和内容。
01 静力特性
1）结构变形
屋盖中央弦支穹顶结构上方材料为玻璃，设计时采用的挠跨比限值[1/500]。屋盖中央节点最大挠跨比1/610，满足限值要求；径向主桁架最大挠跨比1/610, 满足限值要求；屋盖相对挠跨比最大值1/670, 满足限值要求。
2）典型结构单元内力
竖向荷载作用下，径向主桁架落地处下弦受拉、上弦受压，说明竖向荷载作用下，径向主桁架呈外扩的趋势。径向主桁架其余位置下弦受压、上弦受拉，这是因为径向主桁架立面呈拱形，中央部位平缓，承受竖向荷载时在地面向上第五节间附近产生负弯矩，从而使得下弦受压受弯、上弦受拉，再叠加因拱作用在弦杆中形成的压力，故使下弦的压力远大于其他杆件。
环桁架上弦均受压，这是因为屋盖钢结构整体成椭球型，环桁架位于屋盖顶部，竖向荷载作用下，呈下挠趋势，承受径向主桁架与屋面单层网壳向内的挤压作用。
短跨方向环桁架下弦受拉，长跨方向环桁架下弦受压，这是因为环桁架下弦面内只受径向主桁架下弦约束，平面呈椭圆形，在径向主桁架的挤压作用下，环桁架下弦不会像正圆一样发生均匀压缩，而是长跨方向下弦被向内挤压，短跨方向下弦则承受相对的拉伸作用。
竖向荷载作用下，屋盖联方型单层网壳均受压弯，但弯矩很小，说明结构主要以轴向刚度抵抗外荷载作用，结构空间传力和壳体作用明显。
屋面环梁内部两圈受压，向外逐部过渡到受拉，这与径向主桁架以及弦支穹顶结构的变形趋势一致。内部两圈环梁因处于屋盖中央，承受因弦支穹顶下挠产生的向内的挤压作用。
竖向荷载作用下，径向主桁架有外扩的趋势，屋面环梁相应产生外扩趋势，承受拉伸作用，且越向外拉伸作用越大，因此，外圈环梁受拉，且拉力越向外越大，起了环箍作用。
02 动力特性
由屋盖钢结构的自振特性可以看出，前三阶均为整体竖向振动，没有出现扭转振动，说明屋盖结构整体抗扭刚度较好
03 温度作用分析
1）对变形的影响
温度对屋盖结构的挠度影响较大，结构壳体作用明显。
升温时结构有向外膨胀的趋势；降温时结构有向内收缩的趋势，各测点挠度均增大。
2）对结构受力的影响
单独温度作用下，钢结构杆件应力比超过0.2的杆件数只占10.1%，而应力比小于0.1的杆件数占总数的64.5%，可见绝大部分杆件的应力比受温度作用的影响较小。
应力比大于0.4的杆件为环桁架上弦与中央弦支穹顶环梁，这是因为这部分杆件位于屋盖中央，面内刚度大，所产生的温度内应力大。
3）对支座反力的影响
温度作用下，长轴方向上弦竖向反力改变值达120%，下弦竖向反力改变值达60%；短轴方向上弦竖向反力改变值达30%，下弦竖向反力改变值达8%。
温度作用对支座竖向反力的影响十分明显，且对长轴方向主桁架的影响更大。
04 中央弦支穹顶研究
1）下部结构单独分析
上部弦支穹顶结构能够增强下部钢屋盖的竖向刚度，减小结构的竖向挠度，并且对长跨方向杆件的约束作用要大于对短跨方向杆件的约束。
2）中央弦支穹顶单独分析
整体模型中A点的相对挠度满足[1/500]的挠度要求，说明下部结构能够对上部弦支穹顶结构提供足够的竖向弹性支承，且上部弦支穹顶单独模型分析也是可以成立的，并且刚度较好。
05 弹塑性极限承载力分析
仅考虑结构整体初始缺陷时，弹塑性临界荷载因子为3.75；如将单根构件打断，考虑构件层面的初始缺陷时，弹塑性临界荷载因子为3.02，表明结构的极限承载力较强。
材料非线性对结构整体极限承载能力起控制作用，结构最终是由于较多杆件进入塑性而无法继续承载，属于强度破坏。在结构强度破坏前，结构并未发生整体失稳和局部失稳，表明结构稳定性较好。
在荷载因子达到3.1时，荷载-位移曲线出现了转折点，表明此时由于有一部分关键杆件进入塑性而导致结构的刚度有较大削弱。
结构达到极限因子3.75时，结构中央挠度达1320mm，按短跨计算的挠跨比约为1/90，已远超过正常使用极限状态的限值（1/400）。
1）塑性发展机制
2）活荷载不利布置的影响
半跨活荷载对结构的弹塑性极限承载力影响不大，这是因为结构沿径向布置了主桁架，为主受力结构，单层网壳的稳定并不控制结构的极限承载力，结构最终还是由于主桁架上下弦大面积进入塑性而丧失承载能力。
06
索夹节点
索夹是弦支穹顶结构中竖向撑杆、径向钢拉杆及环向拉索的交汇点，是下弦环索将预应力转换为对上部网壳支承力的关键节点。椭圆形弦支穹顶在受力状态下，斜角部位索夹节点两侧拉索的不平衡力较大，而索夹节点的抗滑性能将直接影响结构承载能力。
通过专项试验研究，椭圆形弦支穹顶在受力状态下，斜角部位索夹节点两侧拉索的不平衡力较大，试验索夹选取最外环斜角部位索夹，节点两侧环索不平衡索力最大值为203kN。索夹最小抗滑承载力为350kN，大于索夹节点两端最大不平衡力203kN，安全系数为1.75，索夹抗滑移性能满足工程要求。
1）索夹抗滑移试验研究
实景照片
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07 支座节点
抗震球形钢支座为巨型钢桁架结构的重要组成部分，它不但影响着巨型钢桁架结构的实际受力性能，而且影响建筑的实际效果。巨型桁架结构底部与下部混凝土大平台相连，为了减小上部结构对下部结构的弯矩作用，采用释放弯矩的新型的抗震球形钢支座。
08 参数化建模及二次开发
本项目参数化建模难点在于椭球面的巨型钢桁架结构。其几何形状决和混合结构的特点使得结构构成复杂，难以通过传统方式建立大量可供研究的模型。
设计中利用APDL编程语言和Grasshopper、GC等新型可视化参数设计平台对结构进行基于程序逻辑，并与可与建筑方案设计成果对接的参数化模型，通过少量几个参数快速对模型进行修改。同时为实现模型导入SAP的便利性和准确性，设计团队在SAP2000软件上自主开发了分析模型转换程序工具StructuralAnalysis Bridge（SAB），极大的提高了工作效率。
09
数值风洞技术的应用
采用数值风洞技术，对体系复杂的大跨度空间结构的风压分布进行了系统研究，以便在结构概念设计和方案设计时快速准确地确定风荷载分布。同时进行了风洞实验，将风洞实验结果和数值风洞结构进行对比，并对风荷载进行修正。
风洞实验模型
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10
3D打印技术的应用
将3D打印技术引入到大跨度巨型钢桁架结构设计中，在结构方案阶段，可将各个结构方案用3D打印机打印出来，从而从外观上比较结构方案的优劣，进而改进结构方案，提高工作效率。
3D打印模型
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01 超大跨度椭球形组合网壳部分非对称安装技术
技术难题：跨度大，弧形杆件；四周环水，无法跨外对称吊装；淤泥质地基承载力差。
解决方案：增强临时支撑体系侧向刚度和稳定性；主吊机跨内行走作业；下部屋面结构部分非对称施工方法；采取适当的反变形措施。
02 异形结构拼装及吊装技术
技术难题：弯扭杆件多，结构异型；空间定位困难；高空对接精度要求高。
解决方案：合理确定分块方式和焊接顺序；软件分析确定吊点；设高空对口调节、就位措施。
03 独立支撑柱施工肋环型弦支穹顶技术
技术难题：措施投入大，工期长；高空作业多，安全风险大；中央穹顶施工与主体施工交叉多，互相制约。
解决方案：模块化对称吊装上部刚性网壳；索杆系牵引提升施工；预应力索逐环分级张拉。
04 分区对称分级同步卸载技术
技术难题：卸载点多，同步控制困难；卸载点反力大；火焰切割不易控制；千斤顶卸载操作复杂。
解决方案：径向桁架、中央穹顶、环桁架分区域依次卸载；环桁架对称卸载；卸载分级，先小后大。
05 设计施工全过程BIM技术
技术难题：模型体量大，分析建模工作量大；杆件数量众多；管理难度大；精度要求高。
解决方案：结构分析软件二次开发；BIM技术深入应用；综合室内协调；软件自动建模，详图转换；构件追踪系统；数字化预拼装技术。
随着大跨度巨型钢桁架结构越来越复杂，把BIM技术深入应用到大跨度巨型钢桁架结构的设计中，使建筑、结构和设备专业能够协同工作，提高工作效率和精准度，及时发现各专业在设计中的碰撞和不一致。
结语
本工程结构体量巨大，同时结构造型即为建筑造型，设计难度高。设计师们在设计中充分发挥了精益求精的工匠精神，遵循建筑结构形式一体化的高标准，用高超的技术撑起整个穹顶的同时，也赋予了这座山水乐园更多的韵律与美感。
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