摘要：某工程的装饰大屋顶由48个倒圆锥体膜结构组成，为给该建筑造型提牢固的钢结构骨架，提出由均为直杆的倒四角锥组成的结构形式。由于膜结构造型的局限性，进一步提出了由拱形支撑作为倒圆锥骨架的结构形式，并将两种结构形式进行分析对比，探讨结构形式与建筑造型相结合的可能性。
关键词：建筑造型；膜结构；拱形支撑；结构形式
B1-1展示直销中心是兰州高原夏菜副食品采购中心建设项目基地的标志性建筑，该基地坐落在甘肃省中部、省会兰州东郊，榆中县定远镇张老营村、蒋家营村和白家坪，位于兰州市高新区榆中园区规划范围内，距离兰州市中心城区仅14公里，距离榆中县城15公里。
建筑方案以圆形作为几何母体，造型语言简洁洗练，视觉效果具有丰富的韵律感。大屋顶由48个倒圆锥体组成，采用膜结构作为塑形材料，柱廊形成灰空间，犹如高耸的苍穹，象征着广袤无垠的大自然。立方体内部空间层层退台，塑造出一个中庭空间与大屋顶相连。立面由圆形构件组合成的金属板，创造出一种优雅通透的光影效果。
B1-1效果图
为达到建筑意图，B1-1地下一层~五层为现浇钢筋混凝土框架结构，而大屋面以上的倒圆锥体采用钢结构构架的形式，与主体钢结构结构采用铰接连接。
一、设计参数
1.按《建筑工程抗震设防分类标准》以及《建筑抗震设计规程》（甘肃省地方标准）的规定，本工程的建筑物抗震设防类别属于重点设防类（乙类）。
2.按兰州市榆中县定远镇抗震烈度为8度（0.20g）抗震烈度设防。
3.本场地Ⅱ类场地，特征周期为0.45秒，设计基本地震加速度值为0.20g。建筑结构的阻尼比为0.05，设计地震分组为第三组。
4.本工程采用的设计地震参数如下：
二、构架形式选择
为给48个倒圆锥形提供牢固、合理的骨架，最初结构设计师们提出了由若干四角锥相
连接组成的结构形式，所有杆件均为直杆，在每根柱的倒椎体底部位置连接四根杆件，分别在x、y向与大屋面的杆件连接，形成一个形似“钻石”的四椎体。如下图所示：
这种结构形式目标明确，施工简单，但也存在一些问题。首先，建筑造型的倒圆锥体为膜结构张拉而成的弧形，需要刚性支撑将面绷紧，而结构杆件均为直杆，在张拉膜结构前需要二次施工，用若干檩条将弧形的位置确定出来，再设置支撑，大大增加了施工难度。其次，由于造型要求，每个钻石之间需要由杆件相连，形成薄弱部位，不利于结构传力，且每个节点连接的杆件过多。
因此，结构设计师们设想，能否将建筑造型和结构杆件相结合，利用钢结构杆易成型的特点，顺着建筑造型的弧度，从钢柱倒圆锥体底部位置伸出互相垂直的四根拱形支撑，与大屋面高度的杆件连接，这四根拱形支撑也组成了倒圆锥体的骨架。这样，整个钢结构构架形成了X、Y向的连续拱，结构形式清晰、简洁，便于传力。如下图所示：
三、两种结构形式对比
为证明包含拱形支撑结构形式的可行性，也为了对两种结构形式有比较直观的了解，在SAP2000有限元模型中分别建模，相应部位的杆件大小、荷载均一致，计算后进行以下数据的对比。
1、杆件应力比
经过计算，“钻石型”结构形式，最大应力比出现在两个“钻石”连接处，为0.462，斜杆的应力比为0.161，其余位置的杆件应力比相对较小。连接处属于薄弱位置，应适当增强。而拱型结构，最大应力比出现在拱形支撑的端部，为0.776，拱形其他位置杆件应力比均小于0.1，由于拱形支撑的连续性，顶部杆件连接平滑，应力较小。拱形支撑应力比相差较大，可做变截面。
2、杆件弯矩
选取两种结构形式同一位置的代表杆件进行对比，两根钢柱的弯矩相差不大，主要差别出现在构成倒锥形的杆件上。钻石形杆件的外挑杆件，最大弯矩值为102.9KN•m，拱形相应位置的杆件则达到了273.3KN•m。主要原因是拱形构件无法对外挑杆件形成有利的支撑。另外，钻石形杆件相交处和连接钻石的杆件均出来了弯矩突变，而拱形结构的弯矩则较为平滑。
3、用钢量
经统计，钻石形结构的用钢量为1395.6吨，拱形支撑结构的用钢量为1428.3吨，拱形用钢量略高于钻石形，约为2.3%。这是因为在两种结构形式在相应杆件尺寸一致的情况下，拱形杆件的长度略高于直杆。根据应力比变化将拱形支撑设置为变截面以及对于杆件尺寸的大小进一步的优化，减小用钢量，节省一部分造价。
4、施工难度
如上文所述，对于钢结构，全部为直杆的结构显然比拱形结构施工难度低。然而，为达成建筑造型，需要若干长度不一的檩条精确定位、安装，以形成可靠支撑，再将膜进行张拉，这样一来，施工造型大大增加。而拱形支撑结构是将建筑与结构相结合，将结构构件按照圆锥形的弧度弯曲、布置，在预制构件时，精确按设计弧度成型，现场按定位吊装安装，使后期张拉倒锥形膜的施工难度大幅度减小。
对某屋顶造型为48个倒圆锥体的具体工程，在设计前期提出了倒四锥形相连接的“钻石”结构形式。由于膜结构的造型和施工要求，对结构形式进行改进，将结构形式与建筑造型相结合，提出由x、y两个方向的连续拱形支撑组成的结构形式。为证明拱形支撑结构形式的可行性，将两种结构形式分别建模、分析、对比，结果显示，拱形支撑结构虽刚度略低于“钻石”结构形式，但其计算结果均满足结构安全、稳定的要求，且施工难度大幅度降低。因此，对某些建筑造型奇特的工程，通过合适的杆件布置，将结构形式与建筑造型相结合，可起到事半功倍的效果。
参考文献：
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论文作者:于安琪
论文发表刊物:《基层建设》2018年第22期
论文发表时间:2018/9/12
标签：结构论文; 拱形论文; 形式论文; 建筑论文; 造型论文; 圆锥体论文; 应力论文; 《基层建设》2018年第22期论文;