潭邊望崖屋翼展一樹成林獨(dú)柱開——南京麗笙精選度假酒店結(jié)構(gòu)技術(shù)特點(diǎn)分析

2023年04月14日

01項(xiàng)目概況

南京麗笙精選度假酒店【江蘇園博園（一期）項(xiàng)目-展園東側(cè)酒店】，位于江蘇省南京市江寧區(qū)東北部的湯山街道。湯山街道是中國(guó)歷史文化名鎮(zhèn)、中國(guó)著名的溫泉之鄉(xiāng)、江南古鎮(zhèn)，境內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，地勢(shì)南北高而中間低，形同馬鞍，同時(shí)瀕臨秦淮河和長(zhǎng)江兩大水系，形成了依山傍水的天然環(huán)境優(yōu)勢(shì)。為了推進(jìn)城市園林綠化高質(zhì)量發(fā)展，傳承園林記憶和歷史文脈，創(chuàng)造綠色宜居的人居環(huán)境，秉承著“探索、創(chuàng)新、示范、引領(lǐng)”的宗旨，主打生態(tài)修復(fù)、文化薈萃的園藝博覽會(huì)應(yīng)運(yùn)而生。

本項(xiàng)目為第十一屆江蘇園藝博覽會(huì)內(nèi)核心精品園林建筑之一，設(shè)計(jì)遵循園區(qū)一軸、兩脈、兩核及三門戶的規(guī)劃設(shè)計(jì)構(gòu)思，本著大圓若缺、深藏若虛的設(shè)計(jì)理念，建筑形式采用內(nèi)庭院式布局方式。地上主要分為南北兩個(gè)分部，不拘一格的流動(dòng)線條與周圍盤谷深深杳杳、曲水彎彎繞繞的天然地勢(shì)凝聚為一體。

▲項(xiàng)目用地

本項(xiàng)目包括旅館以及酒店配套功能，總建筑面積為34964.38㎡，其中北樓建筑面積20669.19㎡，南樓建筑面積14295.18㎡，南北樓均地上三層，地下一層，建筑高度約15m。地上主體結(jié)構(gòu)體系為鋼框架，樓面為鋼-混凝土組合樓蓋，屋面為鋼木復(fù)合屋面，地下為混凝土框架結(jié)構(gòu)。南北樓之間采用30m的拱桁架鋼連廊連接，兩端與主樓設(shè)抗震縫脫開。

02關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)計(jì)難點(diǎn)

■ 參數(shù)化網(wǎng)格建模

本工程的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)體現(xiàn)在三項(xiàng)“復(fù)雜”：

一、地形和建筑平面復(fù)雜

二、立面標(biāo)高關(guān)系復(fù)雜

三、屋面空間流線復(fù)雜

中國(guó)園林的創(chuàng)作講究“相地合宜，構(gòu)園得體”，常常利用“高方欲就亭臺(tái)，低凹可開池沼”的造園手法來塑造地形，建筑師試圖通過大地幾何的拓?fù)渥兓瑢ふ掖迓湟庀笈c山林湖水的和諧共生。因此，在特有的山地地形上，本工程兼具建筑形體的平面彎曲、樓面參差的標(biāo)高落差、中庭各異的開洞和連接，以及整體流線型木質(zhì)屋面的長(zhǎng)懸挑、大跨，典型平面和立面如圖所示。這些復(fù)雜度給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作帶來極大的困難。

▲典型建筑平面（二層樓面）

▲典型建筑立面

對(duì)于如此造型優(yōu)美的方案，如何準(zhǔn)確建立符合建筑的結(jié)構(gòu)模型、如何輕松改變結(jié)構(gòu)模型的布置參數(shù)、如何適應(yīng)建筑方案改變對(duì)結(jié)構(gòu)模型的影響，成為設(shè)計(jì)人員關(guān)心的問題。本工程采用參數(shù)化建模，以建模設(shè)計(jì)的各種設(shè)計(jì)要求（構(gòu)件位置、桿件密度、構(gòu)件尺度等）作為函數(shù)的自變量，通過改變函數(shù)或者自變量的取值，完成建筑造型的各種調(diào)整要求。

本工程在網(wǎng)格分割過程中主要編寫了三組控制模塊：

（1）剖切線模塊

此模塊的功能是將曲面網(wǎng)格炸開，并將相鄰的兩條線組成一組向下陣列，陣列線與環(huán)向曲面的等高線產(chǎn)生交點(diǎn)；

（2）投影線首尾點(diǎn)模塊

此模塊的功能是找到兩條投影在曲面上的網(wǎng)格分割線的首尾點(diǎn)；

（3）連接線模塊

此模塊的功能是將剖切線與曲面環(huán)向等高線的交點(diǎn)排序并與上部曲面的分割線首尾點(diǎn)連線。

網(wǎng)格劃分后采用補(bǔ)面處理，即可導(dǎo)入結(jié)構(gòu)有限元分析軟件中。采用參數(shù)化處理后模型網(wǎng)格大小較為均勻，網(wǎng)格劃分的效果較好。更為重要的是，在方案和建筑施工圖后期的調(diào)整中，結(jié)構(gòu)模型可移植性強(qiáng)，修改便捷，極大地提高了結(jié)構(gòu)工程師的效率，將更多的創(chuàng)造力用于結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)過程中。

■ 花柱及大堂屋面

本工程第一個(gè)“難點(diǎn)”為中庭花柱及周邊區(qū)域的整體屋面。該屋面寬20m，長(zhǎng)約45m，中間只有一根柱做為支點(diǎn)，且從室內(nèi)角度看去，建筑師希望中庭大堂無任何吊頂，僅采用結(jié)構(gòu)構(gòu)件做出原生態(tài)的效果形狀，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來巨大的挑戰(zhàn)。

▲北樓中庭開花柱

在初期的配合中，結(jié)構(gòu)提供了桁架、張弦等屋面方案。建筑師提出，要充分利用已在中間的一根大尺寸格構(gòu)柱來做文章。但怎樣利用這顆獨(dú)立花柱，支撐起整個(gè)屋面體系，對(duì)結(jié)構(gòu)工程師是一個(gè)難題：以北樓為例，經(jīng)過對(duì)花柱自身進(jìn)行豎向荷載下的分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)果如下圖所示。

▲花柱獨(dú)立分析圖

花柱長(zhǎng)懸臂一側(cè)因懸挑較大，在自身重量下已發(fā)生傾覆，端部位移達(dá)近1.2m，并不適合做為一個(gè)豎向承重構(gòu)件，更不用說讓其承擔(dān)整個(gè)中庭的屋面荷載。這樣就導(dǎo)致，使用傳統(tǒng)梁柱結(jié)構(gòu)體系將無法支撐整個(gè)屋面系統(tǒng)，如勉強(qiáng)支撐，也會(huì)有多余的結(jié)構(gòu)構(gòu)件下掛下來，無法達(dá)成建筑想要的效果。再次對(duì)大廳建筑所希望的構(gòu)件排布平面、剖面進(jìn)行探索。

▲北樓中庭建筑構(gòu)件平面

▲北樓中庭建筑構(gòu)件剖面

看到以上剖面圖后，有同事笑稱本工程類似扎哈風(fēng)格。設(shè)計(jì)人員腦海忽然中浮現(xiàn)出了阿塞拜疆阿利耶夫文化中心的模樣，于是中庭的一個(gè)結(jié)構(gòu)方案就此而生：采用殼結(jié)構(gòu)做成該形狀。花柱底部與周邊梁柱做為異型柱面殼的支撐體系，花柱的上部與屋面結(jié)合起來，又正好形成一個(gè)天然的殼拱。這時(shí)，屋面不僅僅是一個(gè)荷載的存在，而做為一個(gè)帶肋板殼，與花柱、周邊梁柱形成了一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)體系。

考慮建筑效果為木質(zhì)，本工程主題又為園博園精品園林建筑，故采用木板殼做為結(jié)構(gòu)方案來完成此處的重難點(diǎn)設(shè)計(jì)。

考慮木板與木梁釘連接造成的平面內(nèi)剪力擴(kuò)散，在對(duì)殼單元的膜剛度系數(shù)都取0.3后進(jìn)行計(jì)算，北樓、南樓的計(jì)算結(jié)果如下圖所示。從結(jié)果中可以看出，膠合木板的應(yīng)力均在5MPa以內(nèi)，結(jié)構(gòu)的安全度可以得到強(qiáng)有力的保證。

▲木板殼應(yīng)力分析結(jié)果

木殼的防火通過防火涂料保證其耐火極限做為第一道防線。在采用計(jì)算分析得到安全驗(yàn)證后，仍采用了以下加強(qiáng)措施從構(gòu)造上保證結(jié)構(gòu)整體性。

（1）將花柱的主龍骨及作為帶肋殼體的部分木梁替換成鋼木組合梁，花柱龍骨全部替換，木梁每三根替換一根，替換的鋼木復(fù)合梁截面如下圖所示。替換后，形成部分鋼加強(qiáng)拱殼體系，通過計(jì)算保證木梁在火災(zāi)工況下失效后結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力。

▲型鋼加強(qiáng)構(gòu)件截面

（2）在外圈梁柱平面受力最大的部分，頂部木板殼上增加環(huán)向鋼板加勁肋，此項(xiàng)增強(qiáng)措施主要用來增加木板殼的整體性，并附帶增加木梁外挑的上部承載力，鋼板帶穿過木板釘入木梁中。

▲鋼板加強(qiáng)帶連接詳圖

（3）因每根木梁的方向，傾斜角度各不相同，對(duì)其采用了BIM技術(shù)定位，以使雙夾板連接安裝準(zhǔn)確。

▲木梁雙夾板連接詳圖

通過以上計(jì)算分析及加強(qiáng)措施，完成了中庭屋面的設(shè)計(jì)，使其達(dá)到結(jié)構(gòu)合理、實(shí)用美觀、安全可靠的目標(biāo)。

■ 主入口大廳屋面

酒店主入口是本項(xiàng)目建筑方案設(shè)計(jì)的一亮點(diǎn)，也是本工程設(shè)計(jì)的另一個(gè)“難點(diǎn)”。建筑師在此屋面區(qū)域采用了坡度很大的流動(dòng)線條，形成一個(gè)拋物曲線形狀的凹口，使其天然地從兩側(cè)掛下，給人以波瀾壯闊的觀感。該區(qū)域?qū)挾冉?0m，坡檐口從大廳門最大挑出達(dá)13m，而最低點(diǎn)距離地面高度僅5m。建筑師希望采用一種盡可能小高度的結(jié)構(gòu)構(gòu)件完成該區(qū)域的支撐，以襯托出整體方案的輕盈、靈動(dòng)。相反，若采用傳統(tǒng)的桁架、網(wǎng)架連接，則不僅導(dǎo)致凈高不足，更是對(duì)主入口觀感的嚴(yán)重破壞。該處亦為本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一個(gè)不可避免的難題。

▲主入口屋面實(shí)景圖

此時(shí)給予結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師靈感的是1998年里斯本世博會(huì)的葡萄牙館。西扎對(duì)這種弧形薄屋面的建筑形態(tài)采用了類似懸索橋的增強(qiáng)型帶形結(jié)構(gòu)，利用鋼索增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，通過優(yōu)雅的手法，讓建筑的物理形態(tài)相互交織，讓其成為一件現(xiàn)代藝術(shù)作品。于是，采用鋼索支托木屋面自然而然地就成了解決本處設(shè)計(jì)重難點(diǎn)的結(jié)構(gòu)方案。在考慮偶然失效的抗連續(xù)倒塌后，對(duì)主入口屋面設(shè)置兩道弧形拉索，并利用每根木椽條與索連接，使拉索與木屋面結(jié)合成一個(gè)整體，保證索的平面內(nèi)外穩(wěn)定性，并共同抵御重力和風(fēng)荷載。

▲主入口屋面平面模型

▲主入口屋面剖面模型

對(duì)其主要進(jìn)行了兩種荷載類型分析：

（1）豎向荷載下索的拉力及變形，并通過微張拉使屋面回復(fù)至原來建筑要求的曲線形狀；

（2）拉索屋面在風(fēng)吸工況下確保拉索不產(chǎn)生失效。

根據(jù)初步分析結(jié)果，在荷載2模式下拉索出現(xiàn)了局部0應(yīng)力，為確保結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性，在屋面端部設(shè)置了24個(gè)抗風(fēng)配重塊，每個(gè)重量為0.25t，拉索節(jié)點(diǎn)及配重塊設(shè)計(jì)如下圖所示。

▲拉索節(jié)點(diǎn)和配重塊

設(shè)置配重塊后重新計(jì)算，風(fēng)吸下的位移結(jié)果如下圖所示，已無位移正值點(diǎn)存在。

▲拉索在風(fēng)吸工況下的位移

各工況下拉索軸力見下表。

▲表1：各工況下拉索軸力

單根拉索的標(biāo)定破斷力2180kN。由上表及斷索分析可知，主入口屋面拉索結(jié)構(gòu)在各工況下均處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)。

03設(shè)計(jì)結(jié)語

在特有的山地地形上，本工程兼具建筑形體的平面彎曲、樓面參差的標(biāo)高落差、中庭各異的開洞和連接，以及整體流線型木質(zhì)屋面的長(zhǎng)懸挑、大跨。對(duì)于如此造型優(yōu)美的方案，如何準(zhǔn)確地建立符合建筑的結(jié)構(gòu)模型、如何輕松的改變結(jié)構(gòu)模型的布置參數(shù)、如何適應(yīng)建筑方案改變對(duì)結(jié)構(gòu)模型的影響，成為設(shè)計(jì)人員關(guān)心的問題。本工程采用參數(shù)化建模，以建模設(shè)計(jì)的各種設(shè)計(jì)要求（構(gòu)件位置、桿件密度、構(gòu)件尺度等）作為函數(shù)的自變量，通過改變函數(shù)或者自變量的取值，完成建筑造型的各種調(diào)整要求。

在本工程設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行了兩種軟件對(duì)比分析、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算、ETFE膜計(jì)算分析、拉索節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算、花柱節(jié)點(diǎn)有限元分析、連廊樓面舒適度驗(yàn)算等專項(xiàng)結(jié)構(gòu)分析，采用BIM在工程全過程的不同設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了輔助設(shè)計(jì)，并在一些薄弱部位采取了加強(qiáng)措施，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、合理性做出了保證。

■ 工程模型