法制教育征文上海世博会主题馆结构设计与施工方面的思考

上海世博会主题馆结构设计与施工方面
的思考

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主题馆作为2010年上海世博会一轴四馆核心建筑群的重要组成
部 分,是国内最大跨度展厅之一。针对屋盖跨度大、整体结构超长且
平面不规则等问题,对屋盖结构体系选 型和下部框架支撑体系选型进
行了详细比选,最终,屋盖采用由新型索撑张弦桁架与立体桁架组成
的长度为270m的4跨连续梁结构,下部钢框架采用了钢-黏滞阻尼支
撑形成的混合支撑框架体系。 在结构设计阶段以及施工过程中,针对
施工中的一些关键技术问题进行了详细研究,主要包括126m跨 度张
弦桁架的施工张拉过程以及关键节点设计,屋盖支座施工过程释放,
以及大跨度预应力楼面 的施工张拉问题。
1 建筑概况
2010年上海世博会主题馆(以下简称主题馆)为上海世 博会一轴四馆
核心建筑群的重要组成部分。主题馆东西向总长288m，南北向总宽
216m， 地上建筑面积约8.0万m2，地下建筑面积约4.8万m2。主题
馆建筑造型围绕里弄、城市屋面肌理 的构思，运用折纸的手法，形成
二维平面到三维立体空间的过渡转换，如图1所示。主题馆设计包括3个国内之最:①最大跨度建筑，西侧2，3号展厅为180m-126m矩形
大跨度无柱空间;② 最大单体太阳能屋面，太阳能板面积达3万m2;
③最大绿化墙面，东西立面生态绿化墙面面积达6 000m2。
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世博会主题馆 建筑平面呈矩形。根据建筑功能，将主题馆上部空间依
次分为西侧展厅、中庭、东侧展厅，在南北两侧分 别布置挑檐，建筑
平面布置如图2所示。其中，西侧展厅为126m-180m室内无柱大空间，
是国内最大跨度展厅之一，室内空间如图3所示;东侧展厅东西向跨
度为90m，跨中沿南北向布置一 列柱子，将东侧展厅分隔成2个跨度
为45m的空间，室内主要为2层结构，局部设置夹层作为辅助用房 ;
中厅位于东、西侧展厅之间，东西向跨度为36m;南北两侧挑檐悬挑
长度为18.9m。建 筑东西向立面和南北向立面如图4所示。
主题馆屋面面积约6万m2，6个V形折板单元沿南北方向组 成波浪形
屋面(见图4a)，每个折板单元波长36m，矢高3m，波脊标高26.3m，
波谷 标高23.3m，V形折板表面太阳能板按菱形图案布置，如图5所
示。
2 结构概念设计
2.1屋盖结构设计
2.1.1西侧展厅屋盖结构体系选型
西侧展厅大跨度屋盖结 构体系的成功设计是该项目取得成功的关键。
方案设计阶段，针对主题馆屋面建筑造型以及西侧展厅屋面 超大结构
跨度，提出了单向张弦桁架、双向张弦桁架、巨型框架3种屋面结构
方案。
1)单向张弦桁架方案，如图6所示。该方案沿屋盖东西向共布置了9
榀跨度126m的张弦桁架。张弦 桁架上弦刚性结构为正三角形立体桁
架，高3m，宽3m;下弦设置2根拉索，加强整个结构的承载刚度 ，克
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服单根拉索直径大、索力 高、节点构造和施工张拉困难等缺点。每根
拉索由3个索段组成折线形，折点处通过两组8.5m高的空 间V形撑
杆体系与上部桁架梁连成整体，形成11.5m高的张弦桁架。两组空间
V形撑杆沿跨 度居中布置，整个126m跨桁架变成由中部两组索撑构
成弹性支撑的三跨连续梁。相对于传统张弦结构 的多撑杆索撑体系，
该索撑体系对刚性弦的弹性支撑和卸载作用更为集中，预应力效率更
高，整 个结构的承载性能更为优越。
2)双向张弦桁架方案，如图7所示。考虑到西侧展厅平面投影为
144m-180m的矩形，长宽比为1∶0.8，故希望采用双向传力的方式提
高屋面竖向刚度，减 小跨中的竖向位移。通过与建筑师协调，在西侧
展厅中部沿180m方向增加纵向张弦桁架。
3)巨型框架方案，如图8所示。沿屋盖126m跨度方向，中间间隔18m
布置一道巨型框架，框架梁 高8m，矢跨比为1∶15.7，采用人字形腹
杆布置方式;两侧框架格构柱截面高度结合西侧展厅两侧 辅助用房取
9m，格构柱腹杆采用交叉斜杆式布置，以有效传递水平剪力;为进一
步提高巨型框 架的竖向刚度，在梁、柱相交处设置斜撑。
表1屋盖结构方案比较
3种结构方案性能比较如 表1所示。从结构效率来看，巨型框架结构
高度小，竖向刚度大，效率最高;而双向张弦桁架方案与该方 案设计
初衷相反，纵向张弦桁架不仅没有帮忙，反而成为累赘，结构效率很
低，结构用钢量较单 向张弦桁架方案大大增加。产生上述现象的原因
主要是，在巨型框架结构方案中，梁线刚度远远小于柱线 刚度，因此
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本结构中巨型框架 梁相当于两端固结梁，故结构竖向刚度很好;而双
向张弦桁架方案中，纵向张弦桁架方案跨度达到了18 0m，而结构的
高度仅能做到11.5m，矢跨比为1∶15.6，纵向张弦桁架自身的竖向
刚 度已经不足以满足变形要求，反而成了屋盖结构的累赘。
从对下部结构影响来看，张弦桁架方案在竖向 荷载作用下为自平衡体
系，可以释放屋盖结构对下部结构的推力，降低下部支承结构设计难
度; 巨型框架方案柱底反力在最不利荷载工况下达到1 940kN，上部
结构对基础的推力是较难处理的问题。
从对建筑效果的影响来看，张弦桁架 方案中，通过运用纤细的拉索，
经两道撑杆架起126m跨度立体桁架，整个屋盖刚柔并济，室内建筑< br>效果较好，且考虑到张弦桁架下部拉索中部拉平将最大限度地减少使
用人群的视觉阻碍，将有利于 主题馆西侧展厅世博会后多功能使用要
求;巨型框架方案中格构柱的交叉腹杆对建筑辅助用房使用功能有 较
大影响，结构布置与建筑功能冲突较多，建筑空间利用率低，因此否
定了该方案。
基于上述分析与比较，西侧展厅屋盖结构采用单向张弦桁架结构体系
既能满足结构性能要求，又能实现建 筑形态和结构造型的协调统一。
2.1.2屋盖结构布置
在确定西侧展厅屋盖张弦桁架结构 体系后，从屋面形态特点、结构效
率以及东、西侧屋面结构的延续性等方面考虑，将西侧展厅张弦桁架< br>中上弦正三角形立体桁架向东侧屋面延伸，从而形成了长度为270m
的四跨连续张弦梁(见图4 a)。屋面檩条及支撑的平面布置如图9所
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