黑龙江省木雕及冰雪文化艺术馆设计

刘海峰 徐树全 毛小东

(哈尔滨工业大学建筑设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150090)

1 工程概况

黑龙江省文化产业示范区中国木雕馆、冰雪画文化艺术馆建筑物长度220 m，宽度约24 m，建筑高度为21.22 m,建筑主体平面沿用地成“一”字形展开，外形为自由曲面。该建筑为国内少有的不规则建筑物，建筑的设计灵感来自于当地的冬季景观，建筑形体概念源于枯木融冰的意象，建筑形体两端简洁中部突变扭曲，生成具有动感的整体形象，外形酷似一件极具创意的雕塑作品。结构效果图及实物图见图1，图2。

地面以上结构形式采用平面钢架，主入口采用空间桁架结构。建筑物共2层，局部3层，其中1层层高6.5 m，2层层高5.5 m，3层夹层随屋面高低错落变化。中间主入口处门洞口跨度有42 m宽无柱，洞口上部设置人行走道。门洞位置设置了上下双层空间拱桁架，上层拱桁架与屋面钢架梁相连接，下层桁架与楼面梁拉结，兼作楼面走道的支架。底部洞口为门口，上下拱桁架之间的洞口即为窗口。整个结构沿长度方向设置了四道支撑，每道支撑间距将近60 m。

本工程外形创意为一根平放的圆木，外立面多不规则洞口，高度变化，多折线，外形不规则且无规律。内部空间为满足展示要求，多处开大洞。本文将针对本钢结构设计过程分析进行详尽的介绍。

2 钢结构方案选型

2.1 结构方案比选

异形复杂的建筑作品结构的实现难度较大，既要保证建筑的外立面效果，又要满足内部使用功能的要求，且要保证结构受力合理，安装方便，通过一系列的分析比较，并与建筑师反复核对，确保结构方案的可实施性。本结构方案经比较初步确定采用网壳方案和平面刚架结构方案，下面对两种结构方案的比较结果阐述如下。

方案1：对本结构外形控制主要采用单层网壳结构，内部采用钢框架。网壳结构用多个小单元沿曲面方向组拼来拟合复杂的异形曲面结构。

方案2：采用平面刚架结构，主入口采用桁架结构。平面刚架按轴网布置，刚架外轮廓完全与建筑一致，入口位置刚架与桁架拉结，形成空间受力体系。

以上两个方案均可以实现建筑要求的立面效果及使用功能要求，但两个方案的受力性能仍有一定的差别，为了确定最合理的结构方案，利用Midas.gen软件进行分析，得出结构的周期结果，最不利荷载组合作用下的结构位移，1.0恒荷载和1.0活荷载作用下结构的变形值和结构的用钢量大小。具体计算结果见表1。

表1 方案比较结果

经以上比较，方案2具有受力合理和安装简便的优势，对地下室混凝土结构的影响较小，虽然其用钢量略高于方案1，但竖向刚度和动力性能均优于方案1。故选定方案2为最终确定的实施方案。

2.2 主结构优化

本工程由30榀形状完全不一致的刚架组成，其典型剖面见图3。刚架最大跨度约20 m。入口处由上下分开的两个空间桁架组成，为了实现建筑效果，该两部分结构外形要与建筑控制结构面一致。

结构优化既要保证结构的受力性能，尽可能的降低结构用钢量，又要保证结构构件尽可能的小，实现建筑的效果要求，对结构进行了一系列的优化处理。刚架由原来的全部采用箱型截面调整为下部受力大的部分采用箱型截面，上部屋面采用H型钢截面；对大跨度钢梁采用加腋做法；柱脚采用铰接柱脚，以此来减小对地室柱的影响，从而减少混凝土用量。

通过比较支撑对结构整体刚度的影响(见表2)，有支撑时结构刚度大于无支撑体系。且本结构体系为平面刚架结构，故支撑系统是该结构形式的重要组成部分，因此最终采用有支撑结构体系。

表2 周期结果比较 s

3 结构计算

该结构计算采用整体三维模型计算，该方法可以考虑不同刚架及连接刚架的构件相互作用，得到的结构内力和位移响应也较准确。

本工程考虑到其复杂程度，计算内容除常规的及结构静力、动力分析外，还补充了结构的整体稳定分析，拱脚节点有限元分析等内容。

为保证分析结果的准确性，分析软件采用了3D3S和Midas.gen有限元计算软件，两种计算软件通过相互校核，确保分析结构的准确性。并采用Ansys软件进行节点实体模型分析。计算模型见图4。

3.1 荷载取值

计算荷载主要包括恒荷载、活荷载、雪荷载、风荷载、温度作用及水平地震作用。主要荷载取值(见表3)。

抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，阻尼比取为0.04；温度效应按升降20 ℃考虑，其中施工合龙温度为室内正常使用温度10 ℃～15 ℃。

表3 结构荷载表 kN/m2

3.2 结构设计分析

经计算并优化，确定钢屋盖结构各部分杆件的截面形式，柱采用箱型截面和H型钢截面，梁采用H型钢，桁架采用圆形钢管截面。整体结构的应力比云图，如图5所示，结构构件应力比分布图，如图6所示，其中关键杆件应力比不大于0.9，其他杆件应力比小于1.0。结构最终总用钢量约105 kg/m2。

结构在荷载标准组合作用下，屋面刚架梁竖向位移最大为49 mm，为结构跨度的1/306；主入口拱最大变形97 mm，为结构跨度42 m的1/402。结构竖向变形满足规范要求。

本结构水平荷载控制工况为风荷载，地震对结构不起控制作用。经计算，水平风荷载作用下结构水平位移为22 mm，位置发生在结构最高点21 m处，水平变形是结构高度的1/954，结构侧移满足现行规范要求。

提取结构的前3阶自振周期，详见表4，1阶～3阶的振型图见图7。从表4中数据可见，结构的前3阶振型整体振动，表明结构的整体刚度较好。

表4 结构动力特性

基于Ansys对拱进行非线性稳定计算，同时考虑了材料非线性及几何非线性。根据Q345钢材相关特性定义塑性材料，初始缺陷最大值取为跨度42 m的1/300，按照线性屈曲第一屈曲向量分布添加初始缺陷,结构失稳后整体位移形态及极限状态下位移最大点的荷载—位移全过程曲线如图8所示。从图8中可以看出，在考虑钢材的弹塑性后，钢结构部分极限承载力为恒载+活载的12倍，满足规范要求。

本工程由于入口处拱脚推力较大，拱脚最大推力将近2 000 kN，该节点采用半球节点，埋件设置抗剪键。现取拱脚节点进行实体建模有限元分析，见图9。

分析结果表明拱脚采用半球加肋节点，该节点有限元分析显示最大应力302 kN/m2，在两根主管相交位置应力集中，通过对该位置的补强措施，能保证节点有足够的安全储备。

4 结语

黑龙江省文化产业示范区中国木雕馆、冰雪画文化艺术馆钢结构经初步选型设计，明确该结构最优方案为柱脚铰接的平面刚架与空间桁架结构的组合体系，其结构形式简洁，受力性能较好。通过详尽的计算分析，确保结构的强度和刚度满足规范要求，确保了结构的使用安全。