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工程建设前遗址状况
保护建筑实景图
2019年亚洲建筑师协会建筑奖保护项目类金奖
2019年中国钢结构金奖工程
2015年“全国人居经典建筑规划设计方案竞赛”建筑金奖
周口店北京人遗址，属全国重点文物保护单位，位于北京市西南房山区周口店镇龙骨山北部，是世界上材料最丰富、最系统、最有价值的旧石器时代早期的人类遗址。1921年至1927年，考古学家先后三次在“北京人”洞穴遗址外发现三枚人类牙齿化石，1929年，又发现了北京人头盖骨化石，以及人工制作的工具和用火遗迹（将人类用火历史提前了几十万年），遂成为震惊世界的重大考古发现。1987年被联合国教科文组织列入中国首批“世界文化遗产名录”。
北京周口店遗址入口实景图
该工程贴合山体起伏，与周围环境呼应。设计中以三维建模技术，复原现存山体，再通过现存山体等高线，推断猿人洞洞顶未坍塌前山体形状，在高出原有山体3m左右的控制线上进行形体的生成，以此作为保护建筑的外部形态。设施内部以紧邻的鸽子洞内壁为模型，通过三维激光扫描技术制作模板，翻制玻璃钢轻质吊挂板，悬于主体钢结构下部，以保证内部景观的协调性；主体结构上部叶片局部做种植槽，种植攀爬植物，待植物长成后，将使工程的内外皆融入遗址环境之中，隐伏于树木掩映之下，使其与遗址浑然天成。最终实现建筑本身融入周围环境恢复猿人洞数万年前形态的设计理念。
保护建筑实景图
为实现对遗址的最小化干扰，尽量减少结构体量，减少对周围环境影响并考虑文物保护“可逆性”原则，主体结构采用大跨度单层空间异形钢网壳。大跨度单层空间异形钢网壳最大斜向跨度为83m，纵向水平投影距离为79m，横向水平影距离为55m，通过山顶和山脚两排铰接支座进行支撑，基础高差约33m。单层异形网壳总建筑面积3728m2。
大跨度单层空间异形钢网壳
大跨度单层空间异形钢网壳由圆钢管相贯焊接而成，钢管材质为Q345C，钢管截面尺寸有ϕ1150×55、ϕ1000×32、ϕ1000×20、ϕ900×14、ϕ325×10等。
主体钢结构施工
在网壳钢结构上下设置叶片，上叶片为长宽均为４ｍ的铝板，厚度３ｍｍ，铝板下设置钢龙骨进行支撑，共４００多块，叶片端部做种植槽，种植攀爬植物；下叶片尺度同上叶片，叶片安装玻璃钢吊挂板。通过双层重叠叶片的设计隔绝雨雪灾害，同时有利于通风换气，为遗址的保护创造良好的物理环境。
下叶片间的支撑
上叶片支撑安装过程图
本工程结构设计使用年限５０年，构设计基准期５０年，构设计耐久性年限１００年结构安全等级二级，地基基础设计等级甲级，场地特征周期０.4s，阻尼比０.０２，抗震性能化目标为中震弹性、大震不屈服。
本工程结构自重考虑节点重量后放大１.０５倍为１.８ｋＮ/ｍ2；屋面维护结构自重考虑种植后为１.４ｋＮ/ｍ2；基本风压(１００年一遇)为０.５ｋＮ/ｍ2；基本雪压(１００年一遇)为０.４５ｋＮ/ｍ2，雪荷载考虑１.２倍放大系数；屋面活荷载为０.５ｋＮ/ｍ2；合拢温度按１０~１５℃考虑，升降温按±３５℃考虑,抗震设防烈度８度(0.２ｇ)，抗震设防分类为丙类，地震作用需放大１.５倍。
地表浅层为①碎石填土层和①１杂填土层，地表浅层以下为②碎石层，②碎石层以下为③灰岩层，该层岩石上部为中等风化，厚度不大，一般１.０~１.５０ｍ,该层岩石物理力学性质较好,强度较高,是拟建建筑物良好的天然地基持力层,该地层承载力特征值为１０００ｋＰａ。下图为典型地质剖面图。
试验结果表明，在各向风向角下主体结构所受荷载以风吸力为主；建筑表面极值风压的变化范围是－２.７~１.６ｋＮ/ｍ2,极大值风压位于网壳下部,为１.６ｋＮ/ｍ2，极小值风压位于网壳中部边缘为－２.７ｋＮ/ｍ2。
本工程设计复杂，施工难度大，如何保证大跨单层异形钢壳体结构满足强度、刚度及稳定方面的要求是本工程的重点及难点。
采用Ｒｈｉｎｏ及参数化建模插件Ｇｒａｓｓｈｏｐｐｅｒ对建筑专业需要的空间异形曲面进行参数化网格划分，将划分好的空间网格按ｄｘｆ格式从Ｒｈｉｎｏ软件导出，再将此文件导入ＭＩＤＡＳ软件中进行结构静、动力性能的计算分析。
本工程考虑了恒荷载、活荷载、雪荷载、温度荷载、风荷载和地震作用。最不利荷载组合作用下结构应力约为－３３５ＭＰａ，主体结构强度满足要求。
最不利荷载组合作用下结构应力云图/ＭＰａ
根据«空间网格结构技术规程»(ＪＧＪ７—２０１０)相关规定，杆件计算长度系数平面内取１０，平面外取１.６，经计算，最不利荷载组合作用下结构最大应力比０.９７，结构稳定满足要求。另外，恒荷载＋雪荷载组合作用下结构跨中挠跨比１/５８８<１/４００，结构刚度满足要求。
最不利荷载组合作用下结构应力比云图
ＭＩＤＡＳ结构计算模型采用空间梁单元，此单元每个节点有六个自由度，总共计算了３６个振型。从振型计算结果可以看出，本工程单层异形钢网壳振型主要为结构上下振动，振型比较密集，主体结构振动符合大跨结构特点。
主体结构前９阶振型图
本工程主体结构抗震性能化目标为中震弹性、大震不屈服。中震弹性分析表明，最不利荷载组合作用下，结构的跨中变形为１４２ｍｍ，应力３３５ＭＰａ，满足刚度和强度要求；结构杆件应力比为０.９８，结构稳定满足要求。
大震弹塑性分析结果表明，主体结构塑性铰延性系数最大值为０.８８，整体网壳结构在大震下不屈服，满足抗震性能要求；结构挠跨比约为１/２９５，竖向地震与重力荷载代表值比值为０.１９５，Ｘ向最大剪力比为０.４０９，Ｙ向最大剪力比为０.３５７，均满足工程要求。
ＡＮＳＹＳ分析得到结构整体稳定安全系数值为３.５８，满足«空间网格结构技术规程»(ＪＧＪ７—２０１０)第４.３.４条“当按弹塑形全过程分析时，安全系数Ｋ可取为２.０”的要求，本工程单层异形钢网壳结构整体稳定性安全可靠。
节点保持刚接是单层网格结构成立的前提，本工程单层异形钢壳体杆件通过相贯焊接进行连接，无法实现完全刚接，应考虑节点刚度部分释放，计算中考虑了支管节点刚度30%、50%、70%和全刚接计算结果，并进行包络设计。依据«钢管结构技术规程» (ＣＥＣＳ２８０∶２０１０)中公式(６.２.４)验算支管在节点处抗拉压和抗弯综合承载力。结果表明，大部分节点均能满足要求，对局部几个验算不能通过的节点，采用节点局部加大钢管壁厚的方式来解决。
单层网格对基础变形非常敏感，如何保证基础的刚性，满足单层网格的抗推要求是本工程又一大难点。结构设计在考虑了现场实际情况和地勘资料后，参考大坝设计经验，通过有限元分析选定条形抗推基础。并将基础埋入岩石下不小于1.00m，经有限元分析后发现，结构与基岩连接处，应力基本在0.4MPa以下，远远小于岩石的受力能力，抗推基础的变形非常小，单层异形钢壳体的结构边界条件安全可靠。
雨水最高处叶片向周围叶片逐层下降排出，部分叶片雨水直接降落至南侧山顶暗埋雨水沟并最终汇入山顶截水沟；部分叶片雨水直接降落至北侧落脚沿线暗埋排水沟并最终汇入场地内现有排水设施；部分叶片雨水降落至东侧或西侧檐沟，再汇入北侧落脚暗埋排水沟排出场地之外。
遗址周边的地势为南高北低，猿人洞南侧现有山路一条。结合现状地形，沿着现有山路在其南侧设置截水沟。截水沟和山路成为南侧高处流水的两道屏障。这样南侧山势高处的雨水流至截水沟即沿着截水沟排出遗址之外，使猿人洞彻底免受地表径流和雨水的侵袭损害。
本工程竣工以来，受到广泛关注并得到了甲方和社会的认可，2020年7月CCTV10《创新进行时》栏目以“跨越七十万年的守护“为标题对本工程进行了三集连续报道（输入以下网址可观看：http://tv.cctv.com/2020/07/01/VIDElopekkhVISvvDIczcdC4200701.shtml）。
本工程结构设计更多详情参见《转自：建筑结构-公众号》2020年第12期《周口店遗址第一地点（猿人洞）保护转自：建筑结构-公众号设计，作者：马智刚，崔光梅，李增超，蒋炳丽，汪静；作者单位：清华大学建筑设计研究院有限公司。
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