三圈立柱变一圈,结构优化过程探析

2024/06/06 | 创新技术, 最新资讯, 结构优化, 结构设计

南昌旭辉中心项目(图1所示)是旭辉集团在江西南昌经开区的一个综合体项目,其展示中心面积约2251㎡,为两层的展示建筑。泰大创新为大家分享立柱数量优化的过程。

(a) 日景图
(b) 夜景图

图1 南昌旭辉中心项目

在南昌旭辉中心项目的设计中,屋面方案成为建筑师关注的焦点。屋面为48米直径的圆形,建筑师希望能在确保结构安全的前提下做到极薄的效果。若采用常规“径向梁+环向梁”的网格结构方案,则屋面不论是采用铝板、矮立边铝镁锰板或者是钛锌板,都会存在屋面构造厚度过大的问题,仅“吊顶+屋面保温防水”的建筑构造厚度就达到约400mm,且板与板之间会形成较多的“缝”或者“肋”,严重影响美观。为优化屋面结构,旭辉集团将上部钢结构单独委托泰大创新(都市设计钢结构所)进行结构设计。,结构工程师决定使用板桁架(图2所示)作为旭辉中心项目的屋面结构。

图2 板桁架结构

板桁架是泰大创新专门针对于大跨度屋面研发的创新结构体系。通过在两块平行钢板中间焊接W型腹板,板桁架形成了整体双向传力结构系统,使得结构的受力性能良好。板桁架的围护钢板参与受力,进一步增强了结构的承载性能。同时,板桁架也能做到极薄的视觉效果。通过机加工等多种技术,板桁架保证了面层的平整美观,无需另做铝板装饰,从而节省了双面200mm左右的装饰层厚度。相较于传统钢结构+上下铝板包覆的屋面设计方案,板桁架结构显然更具有明显的技术优势。

基于板桁架的上述优势,结构设计团队对建筑结构的立柱也进行了一系列创新性的优化方案。经过四轮优化,立柱结构得以不断完善,实现了空间的最大化利用与美学效果的完美结合,分别如图3~图6所示。

首先,在第一轮优化中,结构设计师取消了玻璃幕墙处的外圈立柱,最大屋面悬挑长度达到了14.5m,这一举措使得室内主要空间往外观看时没有任何结构遮挡,空间更加通透,营造出开阔明亮的氛围,如图7所示。

图7 外圈立柱去除后的视觉效果

第二轮优化中,基于板桁架强大的整体面外刚度,外圈柱子去除后,内圈立柱作为与外圈立柱平衡的立柱,也没有了存在的意义。因此,结构设计师们去除了内圈立柱,使整个屋面的重量和侧向力均由一圈立柱来独立承担,为结构内部的活动空间增添了更多的灵活性与开放性,使得整个建筑更具现代感与实用性,如图8所示。

图8 内圈立柱去除后的视觉效果

在进行两轮优化之后,内装设计师提出了新的要求,希望沙盘周围空间不要有立柱影响参观流线。因此结构设计团队又针对性地抽掉了影响沙盘周围的一根立柱,使空间动线更加顺畅。取消沙盘附近的立柱后,屋面最大悬挑长度超过16.5m。而且更为重要的是,沙盘处为屋面悬挑最大处,拿掉这根立柱后,相邻的两颗立柱承受了远超其它立柱的竖向荷载,这一点结构工程师通过局部加强等特别处理解决了所有立柱尺寸统一的问题。同时需要保证屋面悬挑超过16m时屋面的竖向变形不会压坏玻璃也是结构设计的难点。还好板桁架结构的强大竖向刚度使得屋面只有很小的竖向变形发生。

图9 沙盘附近立柱去除后的视觉效果

最终一轮优化中,结构设计师对地震力和风荷载进行了计算,并采用了一些方法减少立柱的弯矩,最终将原先直径为400毫米的立柱优化为直径为200毫米,减少了结构对空间的干扰,提升了建筑的整体美感与精致度,如图10所示。

图10超细的结构立柱

超薄的板桁架屋面结构结合极少的纤细立柱,不仅使得南昌旭辉中心项目更加美观,同时也为项目的功能性与实用性带来了全新的提升。由于展示区的紧张工期,最终项目在3个月内完美呈现。能够协助建筑师实现良好的建筑效果,作为结构工程师我们也感觉到了结构设计价值的存在。