大型場館異形鋼結(jié)構(gòu)屋面概念設(shè)計(jì)若干問題探討

         近年中國建造了許多功能復(fù)雜、跨度大、社會影響重大的大型 鋼結(jié)構(gòu)場館工程，這類項(xiàng)目的建設(shè)留下了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。以工程項(xiàng)目為背景，提出了大型場館異形 鋼結(jié)構(gòu)屋面的概念 設(shè)計(jì)問題。闡述了屋面形狀與風(fēng)載體型系數(shù)、屋面排水及相應(yīng)雨水荷載的關(guān)系問題，討論了屋面結(jié)構(gòu)形式與屋面跨度和厚度的關(guān)系問題、屋面形狀與鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式的關(guān)系問題，這些問題對大型場館鋼結(jié)構(gòu)屋面的安全性、經(jīng)濟(jì)性均有顯著影響。 

        關(guān)鍵詞：大型場館；鋼結(jié)構(gòu)屋面；概念設(shè)計(jì) 

      1 引言 近年隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展及2008年北京申奧、2010年上海申博的成功，眾多大型體育場館和會展場館也在設(shè)計(jì)和 施工中。這些大型場館功能復(fù)雜、跨度大、并具有特別重要的社會影響，所以其建設(shè)也受到社會各界廣泛的關(guān)注。特別是近年來隨著我國全方位的改革開放，國外的 設(shè)計(jì)師們也進(jìn)入了我國設(shè)計(jì)市場，他們的作品構(gòu)思新穎、造型獨(dú)特、技術(shù)也較先進(jìn)，因而幾乎占據(jù)了國內(nèi)大型場館設(shè)計(jì)的半壁江山。然而，自從巴黎戴高樂機(jī)場E座倒塌事故發(fā)生以來，國內(nèi)建筑界及結(jié)構(gòu)界對于國外設(shè)計(jì)的作品也進(jìn)入了理性的思考與審視。最近我國工程界對奧運(yùn)主場館“鳥巢”設(shè)計(jì)方案的評審及修改，正是反映了這種趨勢。

         然而，問題的實(shí)質(zhì)并不在于異形屋面是誰設(shè)計(jì)的，而在于設(shè)計(jì)者對于這樣的異形鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的建筑和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是否有足夠的認(rèn)識，是否找到了具有普遍意義的規(guī)律。如果對這些概念設(shè)計(jì)問題不明確，那么計(jì)算再精確也是空的。下面結(jié)合一些具體的實(shí)際工程，對大型場館建筑異形鋼結(jié)構(gòu)屋面的概念設(shè)計(jì)問題作一初步探討。        2 屋面形狀與風(fēng)載的體型系數(shù)的關(guān)系問題 大型場館屋面的特點(diǎn)一般是覆蓋范圍較大、屋面與水平面的夾角較小。場館根據(jù)其周邊封閉與否分成“館”和“場”兩類。對于周邊墻體封閉的稱為“館”，如體育館、展覽館；對于周邊墻體不封閉的稱為“場”，如體育場。 “館”類建筑屋面風(fēng)的體型系數(shù)一般為負(fù)，即受風(fēng)吸作用。由于一般情況下風(fēng)的吸力小于大跨度屋面自重，所以風(fēng)吸不是控制荷載。但對于風(fēng)較大的區(qū)域，加上建筑物高度和風(fēng)振的影響，風(fēng)吸作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)效應(yīng)可能會超出屋面自重 標(biāo)準(zhǔn)值作用下的效應(yīng)。對結(jié)構(gòu)分析的兩個重要工況：風(fēng)＋自重以及自重＋活載，計(jì)算分析表明即使受風(fēng)較大的區(qū)域，前者工況下效應(yīng)的絕對值一般也不會大于后者工況下效應(yīng)的絕對值，所以往往認(rèn)為前者仍然不起控制作用。但需特別注意的是，兩種工況下桿件受力可能變號，認(rèn)為起控制作用的后者工況下的拉桿在前者工況下可能受壓，因此此時的壓桿穩(wěn)定問題不容忽視。 

鋼結(jié)構(gòu)大跨度管桁架屋面設(shè)計(jì)

         對于 “場”類建筑，則應(yīng)根據(jù)屋蓋各部分形狀與風(fēng)向的相對關(guān)系來確定屋面受風(fēng)吸還是風(fēng)壓。根據(jù)流體力學(xué)的基本原理，凡是與某一風(fēng)向?qū)?yīng)的屋頂剖切面呈上拱形，則屋面上表面的水平風(fēng)速大于屋面下表面水平風(fēng)速，風(fēng)對屋面有上托的合力作用，即體型系數(shù)為負(fù)，是風(fēng)吸；凡是與某一風(fēng)向?qū)?yīng)的屋頂剖切面呈波谷形，則屋面上表面的水平風(fēng)速小于屋面下表面的水平風(fēng)速，風(fēng)對屋面有下壓的合力作用，即體型系數(shù)為正，是風(fēng)壓。波谷形屋面的風(fēng)壓與屋面自重同向作用，組成了控制性的荷載效應(yīng)組合，因此如果不考慮這類屋面的風(fēng)壓作用是很危險的。 例一， 某會展中心，見圖1。該會展場館由多個上拱形屋面的展廳和波谷形屋面、周邊開敞的連廊組成，其屋面整體造型如大海的波浪，蔚為壯觀。然而最初結(jié)構(gòu)分析時對于下凹形、周邊開敞的連廊屋面未考慮順連廊方向風(fēng)吹時的風(fēng)壓作用，并加上下凹屋面因排水不暢的部分積水，造成了在風(fēng)雨不大的荷載狀況下結(jié)構(gòu)支座的嚴(yán)重變形。后來計(jì)入了風(fēng)壓不利作用，并對結(jié)構(gòu)作適當(dāng)改造，既保持了原結(jié)構(gòu)壯觀的風(fēng)貌，又解決了結(jié)構(gòu)安全問題。 例二， 某體育中心，見圖2。該體育中心的若干場館由游龍狀的異形鋼結(jié)構(gòu)屋面覆蓋，為了明確該場館屋面各部分的體型系數(shù)，進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，測定了12種風(fēng)向下700多個點(diǎn)的體型系數(shù)。風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，下凹屋面順波形方向吹風(fēng)的體型系數(shù)為正，即具有風(fēng)壓，而其他狀況則均為風(fēng)吸。 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009－2001）關(guān)于風(fēng)載體型系數(shù)的表中，對周邊開敞的屋面的風(fēng)的體型系數(shù)作了規(guī)定，這些規(guī)定充分考慮了該類屋面體型系數(shù)對風(fēng)的方向的敏感性，強(qiáng)調(diào)要考慮體型系數(shù)的“變號”。而對大型場館屋面風(fēng)的體型系數(shù)的簡單變號會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)造價的大幅度增加，所以對于周邊開敞的下凹屋面部分設(shè)計(jì)前應(yīng)首先對風(fēng)壓的方向作出正確的判斷，體型系數(shù)的具體數(shù)值，則最好由風(fēng)洞試驗(yàn)確定。特別是對于跨度較大的下凹屋面體型系數(shù)的選定更應(yīng)當(dāng)慎重。 

           3 屋面形狀與排水及相應(yīng)荷載的關(guān)系問題 大型場館屋面面積大，屋面排水與結(jié)構(gòu)、使用和維護(hù)關(guān)系很大。

          我國古典的“大屋頂”采用了非常接近于“最速降線”的屋面剖切線，使雨水盡快排下，從而減少了結(jié)構(gòu)受力并降低了對屋面密封性的要求。這是成功的范例。 目前國內(nèi)一些大型場館的屋面設(shè)計(jì)，較多地考慮屋面形狀的獨(dú)特性，而對排水功能相對考慮較少些，以致屋面排水路徑過長，大面積雨水匯聚于結(jié)構(gòu)效應(yīng)敏感區(qū)域，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和屋面維護(hù)設(shè)計(jì)帶來一定困難。例如有些體育場的屋面傾斜方向與觀眾席臺階傾斜方向一致，整個屋面幾十米寬范圍的雨水向觀眾席的前端挑檐匯聚，雨水到了挑檐前端后還不能奪路下瀉，因?yàn)檫@顯然會影響雨中觀球，所以匯聚后的雨水還要向兩側(cè)各經(jīng)過上百米的天溝才能找到出路。對于這樣的屋面進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時顯然需要考慮雨水的作用，因?yàn)樵诒┯曛羞@種荷載效應(yīng)很有可能大于屋面活荷載。然而目前這種雨水匯集流經(jīng)荷載的計(jì)算，規(guī)范中尚無相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。再如，處于寒冷地區(qū)的下凹屋面，如果排水不暢，屋面高處受日照融化的雪水與下凹處沒有受日照融化的雪聚集在一起，雪與水又結(jié)成冰，這樣的冰雪荷載也可能很大，但又無法明確計(jì)算。 

         根據(jù)觀察和分析，對于異形屋面應(yīng)從如下幾個方面考慮排水問題。 

（1）屋面形狀盡可能滿足快捷排水的要求。排水路徑要短，水流要分散，坡度要適當(dāng)。即使?jié)M足這些要求，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，屋面荷載組合仍應(yīng)考慮大風(fēng)暴雨時雨水作用的不利效應(yīng)。 

（2）對于建筑外形已確定，而此時外形顯然不利于排水的屋面結(jié)構(gòu)，應(yīng)具體分析當(dāng)?shù)赜晁膹?qiáng)度、雨水流經(jīng)的途徑、匯聚的方向和集中的程度，從而對“雨水荷載”作出專項(xiàng)分析，并與風(fēng)及其它荷載進(jìn)行效應(yīng)組合，從而確保結(jié)構(gòu)的安全。

 （3）對于如圖3的x向?yàn)閱蜗蚯€形、向?yàn)槠叫兄本€的曲面狀屋面，其向直線狀主桁架應(yīng)有預(yù)拱度，預(yù)拱度應(yīng)大于結(jié)構(gòu)在自重和活載組合作用下的結(jié)構(gòu)變形，并使屋面保持一定的排水坡度。否則大跨度直線桁架的變形會導(dǎo)致大面積的積水和滲漏。而對于yyx向彎曲度較大的桁架，則不必考慮預(yù)拱度問題。

 （4）對于某些特別容易積聚雨水的部位，可以采用有保障的強(qiáng)制性機(jī)械排水措施盡快排除積水。在天溝水位超過一定高度時，可考慮降低建筑使用標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定有限高度檐口，這樣水量太大時，可直接向外排水從而減輕對結(jié)構(gòu)的壓力。

          4 屋面結(jié)構(gòu)形式與跨度及厚度的關(guān)系問題 大型場館異形鋼結(jié)構(gòu)屋面都是以空間結(jié)構(gòu)的形式出現(xiàn)的，然而空間結(jié)構(gòu)的內(nèi)涵是將平面結(jié)構(gòu)的彎曲效應(yīng)轉(zhuǎn)換為空間結(jié)構(gòu)構(gòu)件的拉壓效應(yīng)，從而提高結(jié)構(gòu) 材料的利用率，減少結(jié)構(gòu)變形。但是真實(shí)的空間結(jié)構(gòu)不可能將彎曲效應(yīng)全部化為軸力，特別是單層空間結(jié)構(gòu)。如單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在受到非均勻分布的局部荷載作用時普遍存在次彎矩。所以評定一個結(jié)構(gòu)是否是空間結(jié)構(gòu)，只有相對標(biāo)準(zhǔn)，主要是看它的“度”，在其結(jié)構(gòu)效應(yīng)中，是以彎曲為主還是以軸向拉壓為主。如果是以彎曲為主，則結(jié)構(gòu)的厚度和跨度之比就要求較大；而對于以拉壓效應(yīng)為主的空間結(jié)構(gòu)，則其厚度和跨度之比可以較小。例如一個平板網(wǎng)架，若將其看作一塊板，則它主要受彎，不算嚴(yán)格的空間結(jié)構(gòu)，所以其高跨比相對較大；而一個雙層網(wǎng)殼，盡管其結(jié)構(gòu)形式與平板網(wǎng)架相似，但作為一個殼體，其主要的結(jié)構(gòu)效應(yīng)為壓力，因此其高跨比可以比平板網(wǎng)架明顯減少。 大型場館的異形鋼結(jié)構(gòu)屋面為了顯示其輕巧和剛勁，常常要求屋面結(jié)構(gòu)的厚度盡可能薄，于是許多新型結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用，如鄭州會展中心中展覽館所用的索與曲面網(wǎng)殼的雜交結(jié)構(gòu)，見圖4。由于利用了索的支承作用，其網(wǎng)殼的厚度可以減薄。而吊索在室內(nèi)并不占有空間,在室外還可以起到豐富觀感的視覺效應(yīng)。北京2008年奧運(yùn)主場館“鳥巢”方案，其屋面結(jié)構(gòu)只是“形似”空間結(jié)構(gòu)，而實(shí)質(zhì)上接近平面板架結(jié)構(gòu)（荷載與結(jié)構(gòu)平面基本垂直），以彎曲效應(yīng)為主，這就使得其構(gòu)件截面難以減小，而單位平方米材料用量就較大。同時，這一方案也存在屋面雨水向中心匯集、排水路徑過長問題。所以，盡管“鳥巢”方案在建筑和人文上很成功，它使我們聯(lián)想起我們的先祖“有巢氏”，它也使我們可以從建筑的發(fā)展來品味辯證法的歷史觀；然而，它在結(jié)構(gòu)方案上卻存在弱點(diǎn)。反之，如若將“鳥巢”方案改為圓拱形結(jié)構(gòu)，則結(jié)構(gòu)是優(yōu)化了，但天然的“鳥巢”就變成人造的“鳥籠”了。所以建筑和結(jié)構(gòu)的矛盾和協(xié)調(diào)問題，是建設(shè)領(lǐng)域中永恒的矛盾和主題。

         5 屋面形狀的變異與鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式的關(guān)系 在大型場館異形鋼結(jié)構(gòu)屋面中，由于結(jié)構(gòu)造型的復(fù)雜化必然造成節(jié)點(diǎn)形式的非標(biāo)準(zhǔn)化和復(fù)雜化。由于這些公共建筑要求高，投資大，所以節(jié)點(diǎn)造價的增加似乎問題不大。然而節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜化帶來應(yīng)力集中、節(jié)點(diǎn)的非標(biāo)準(zhǔn)化帶來質(zhì)量下降，這些是大家所關(guān)心的問題。因此，對于結(jié)構(gòu)的變異造成節(jié)點(diǎn)的變異，要有相應(yīng)的對策，以使其不利影響降為最低。這些問題目前以現(xiàn)場焊接和鑄鋼節(jié)點(diǎn)這兩種形式最為普遍。 

         5.1現(xiàn)場焊接 鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于標(biāo)準(zhǔn)化工廠制作（包括焊接），現(xiàn)場快速安裝（主要用螺栓），而對于大型場館的異形鋼結(jié)構(gòu)屋面，由于造型變化導(dǎo)致構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化劃分非常困難，所以絕大多數(shù)工程用現(xiàn)場焊接方法，甚至是大量的高空焊接。 現(xiàn)場高空焊接與工廠焊接相比弊病較多，如：作業(yè)條件差、焊接工位無法調(diào)整、結(jié)構(gòu)安裝累積誤差影響大、質(zhì)量穩(wěn)定性相對較低、質(zhì)量檢驗(yàn)困難、焊縫防腐蝕處理相對困難，等等。特別是當(dāng)造型復(fù)雜、桿件交叉角度太小、交匯過于密集時，現(xiàn)場焊縫問題更多。所以在設(shè)計(jì)異形鋼結(jié)構(gòu)屋面時，對于重要的節(jié)點(diǎn)，應(yīng)力水平相對較高的節(jié)點(diǎn)，應(yīng)該優(yōu)先采用工廠焊接。若必須采用現(xiàn)場焊接，甚至高空焊接時，則應(yīng)該采取重點(diǎn)技術(shù)措施，確保焊接質(zhì)量。對于應(yīng)力水平較低的次要節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)時可降低焊接強(qiáng)度，從而減少施工難度。

       5.2鑄鋼節(jié)點(diǎn) 鑄鋼節(jié)點(diǎn)的采用是從國外引進(jìn)的，反映了鋼結(jié)構(gòu)制造業(yè)向工業(yè)化、精確化發(fā)展的趨勢。鑄鋼節(jié)點(diǎn)用于桿件交匯數(shù)量多、交角小的節(jié)點(diǎn)，可以避免較大的應(yīng)力集中，并體現(xiàn)出鋼結(jié)構(gòu)“精確的美”，如圖5鑄鋼節(jié)點(diǎn)，多根桿件匯交于一點(diǎn)。然而，鑄鋼節(jié)點(diǎn)也有被濫用的傾向。在某些少量大口徑鋼管之間接近正交的連接中，也有使用鑄鋼節(jié)點(diǎn)的。當(dāng)鋼管口徑達(dá)1m時，所用鑄鋼節(jié)點(diǎn)的最大尺度達(dá)到5m之多，重達(dá)幾噸，甚至十幾噸，其制作難度大、重量大、造價高。對于這類少量幾根鋼管之間的連接，不妨仍采用相貫線焊接，也同樣能滿足受力要求，而且節(jié)約材料、降低工程造價，從外觀看也并沒有實(shí)質(zhì)性的區(qū)別。所以無論對于什么引進(jìn)的新技術(shù)，都應(yīng)實(shí)事求是地分析其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，不能盲目引用。

       6 結(jié)語 目前，我國大型場館異形鋼結(jié)構(gòu)屋面設(shè)計(jì)和建設(shè)正可謂精彩紛呈。作為結(jié)構(gòu)工程師，則應(yīng)理性地分析、認(rèn)識各種結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，在方案階段就解決好結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)問題，消除各種隱患，為合理地進(jìn)行工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及建設(shè)打下良好的基礎(chǔ)。