高雄市立图书馆位于地震频发的中国台湾地区。该项目地上结构以四角巨柱（钢箱柱、圆管柱、BRB等组成）与8层巨型桁架组成的巨型构架作为主要抗侧力及垂直力系统，并将3~7层图书馆使用空间悬吊于主结构系统下方。本文对其结构设计特点进行介绍。

0 前言

高雄市立图书馆总馆（图1）基地北侧邻80m宽之新光路，南侧邻20m宽之林森路，西行直连通并贯穿国际会展中心之中央内街可直达水岸。业主为高雄市政府文化局，建筑设计为刘培森建筑师事务所。

图1 高雄市立图书馆总馆

本工程为创造地面层之空间穿透性，实现1层平面上不落柱的结构特色；利用四角落之服务核，以钢构箱形柱、圆管柱、挫屈束制斜撑（BRB）等构件组成巨型柱（MegaColumn），配合8层之桁架层组成三维立体巨型构架（Mega Frame），形成本工程之主要结构系统，并将3~7层图书馆使用空间悬吊于主结构系统下方；此外，就“安全管理”及“空间使用性”层面，本工程亦利用钢材受拉效率最高之材料特性，以直径6~12cm的钢棒取代传统的结构柱断面（90cm×90cm），大幅提升了室内空间之视觉通透性，有效增进了使用空间之管理便利性。

1 结构设计概要

1.1 结构系统

本工程结构为地上八层、地下一层之钢构造建物。图2（a）为图书馆结构透视图，主要结构系统可分为巨型柱、八层楼巨型桁架层、钢棒及格子梁系统，以悬吊系统之传力方式，藉由高张力钢棒将垂直载重向上传递至桁架层，再透过巨型柱将荷载传递至基础，巨型柱依平面配置（图2（b））。

（a）结构透视图

（b）3层结构平面图

图2 高雄市立图书馆结构透视图与平面图

图3为巨型柱与巨型构架3D示意图，其亦为本工程主要之抗垂直力、侧力之结构系统。八层桁架层空间使用需求为办公室、会议室及演讲厅等。于本层空间内配置有多组一层楼高之巨型桁架，以满足吊挂3~7层楼板所需之强度需求，且各组桁架均跨于上述主要巨型柱上，组成完整之巨型构架，提供整体结构抗震及耐风之侧向力设计需求。

图3 巨型柱与巨型构架

1.2 主楼构件概述

1.2.1 基础结构及开挖工法

本工程开挖深度分别约为5.7m（超挖区）及6.7m、8.5m（高楼区），采用无内支撑工法。基地南北规划采1:1斜坡明挖，东西向腹地规划采双排型钢配合横板条作为悬臂挡土系统。

1.2.2 柱配置规划

本工程主要结构柱为四个巨型柱，图4为巨型构架立面图。巨柱向下延伸至地下1层，直接坐落于3.0m后之实心基础厚板上。

图4 巨型构架立面图

1.2.3 钢棒配置及规划

本工程之悬吊系统，采用高张力钢棒，由8层之巨型桁架层向下吊放，于室内标准区采10.5m×10.5m之方形网状配置；并配合中庭（天井区）作倒锥形环状配置（图5（a））。在各钢棒接头间，皆使用H型钢作连接，组成10.5m×10.5m之格子梁系统配置（图5（b））。

（a）悬吊钢棒配置剖面图

（b）悬吊钢棒标准模具

图5 悬吊钢棒配置剖面图及悬吊钢棒标准模具

（刘培森建筑师事务所提供）

2 柱配置

本工程抗侧向力系统主要以四个巨型柱（Core A~Core D）组成，其中Core A、Core C为一般箱形柱与BRB斜撑所组成，Core B为放射状SCB钢管所组成，Core D由环状数组之组合方管串接而成。以下对Core B及Core D之钢柱设计作介绍。

2.1 Core B钢管

CoreB由放射状钢管与环状钢梁串接而成（图6（a）），每层钢管由32组×3列之交错联机配置而成（图6（b））。

（a） Core B 单层3D示意

（b） Core B平面示意

图6 Core B细部图示

2.2 Core D组合方管

Core D为配合建筑立面造型，由四支各自独立之筒状圆柱，单一筒状圆柱是由16支尺寸为TUBE450×175之组合方管，环状排列而成（图7（a）、（b））。

（a） Core D单层3D示意

（b） Core D平面示意

图7 Core D细部图示

3 BRB分析设计

本工程之BRB参照可更换核心板之挫屈束制支撑之内容作设计，图8（a）为本工程所采用之BRB设计图，核心单元皆由单一核心板构成，并于核心板端部焊接垂直加劲板，使其成十字形断面（SECTION C），以提供端部稳定；围束单元是由两组独立的围束构件利用垫板及螺栓栓接组合而成（SECTION A、SECTION B），而任一组围束构件是由钢板与长槽形钢构件焊接后，将内部浇置无收缩水泥砂浆组合而成，且围束单元及螺栓强度设计如图8（b）、（c）所示。

（a）挫屈束制斜撑详图

（b）高模态挫屈示意图

（c）围束面板受力示意

图8 挫屈束制支撑（BRB）设计原理

另外本工程BRB之接合形式为核心端板以水平方式插入双片接合板（图9（a）），并且事先于BRB端板焊上假固定用连接板，以螺栓假固定后，方可完成接合板与BRB间之焊接。由于此处接合板之设计需满足斜撑发挥极限强度下仍保持弹性，因此以有限元分析验证其在此极限状态下仍符合设计需求（图9（b）、（c））。

（a）斜撑接合示意图

（b）斜撑接合3D示意图

（c）接合段有限元分析

图9 BRB端部接合设计

挫屈束制支撑为本工程之主要消能组件，因此进行实尺之BRB轴向试验（图10），试验之BRB吨数采600 tf，从试验结果可观察出斜撑在非弹性状态下，可发展出饱满、稳定之迟滞行为。

图10 挫屈束制支撑试验

4 钢棒分析设计

悬吊系统为本案设计要点，本工程钢棒标准模具采10.5m×10.5m之配置，上下层钢棒采续接器（图11（a））之方法作串接。配合正反向车牙，亦可于有限范围内调整梁顶高程。续接器尺寸设计（图11（b））采用同材质外径为20cm之圆钢棒车牙制造，其断面积为201.06cm²，为钢棒断面积之1.77倍。

（a）钢棒接头示意图

（b）续接器尺寸细节

图11 钢棒及接头配置说明

为证实本工程悬吊钢棒及其接合之安全性及永续性，亦进行实尺寸之钢棒接头试验，含钢棒、托座接头及十字托梁（图12），试验之钢棒直径为100mm，试验结果皆满足设计需求。

图12 实尺寸钢棒接头组试验照片

5 施工流程

由于本工程采悬吊系统，故楼板之施作时机需待悬吊钢棒完成后方能施作，如图16所示，基础（地下1层板）完成之后，即进行巨柱之组立，待巨型桁架完成后，即安装各楼层之悬吊钢棒，最后再由上而下安装各层梁板系统。施工相关照片见图13~16。

图13 施工流程说明照片

图14 天井区施工照片

图15 钢棒地组及高楼层主梁施工照片

图16 施工全景照片

图17 建筑剖面透视图

（刘培森建筑师事务所提供）

图18 建筑室内模拟效果图

（刘培森建筑师事务所提供）

更多内容详见2014年《减震技术》杂志第5期文章：《高雄市立图书馆总馆全悬吊结构设计》；作者：张盈智，周辰颖，刘佳豪；单位：筑远工程顾问有限公司。

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