鄂尔多斯东胜区植物园温室屋盖结构设计研究.pdf

第 43 卷 第 6 期 2013 年 3 月下 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 6 Mar 2013 鄂尔多斯东胜区植物园温室屋盖结构设计研究 马明， 钱基宏， 孔慧， 朱礼敏， 宋涛 ( 中国建筑科学研究院，北京 100013) 摘要鄂尔多斯东胜区植物园温室屋盖结构采用大跨度空间结构， 其屋盖曲面为有中心筒支撑的自由曲面。针 对温室结构特点， 在研究了国内外典型温室结构的基础上， 对适用本项目的结构形式进行了研究。对单层、 双层结 构体系受力性能进行了对比， 并结合建筑造型采用了单层空间结构体系; 由于施工难度较大， 针对钢结构、 铝合金 结构分别进行了结构受力性能、 节点构造、 施工难度、 施工速度以及建造与使用成本等方面的对比研究， 最终选用 了铝合金结构; 对 ETFE 气枕结构与玻璃屋面进行了技术经济性对比， 最终确定采用玻璃屋面。最后对屋盖结构的 设计情况进行了介绍。 关键词温室结构;单层空间结构;钢结构;铝合金结构;ETFE 气枕;玻璃屋面 中图分类号: TU391，TU395文献标识码: A文章编号: 1002- 848X( 2013) 06- 0005- 05 Design research on greenhouse roof structure of botanical garden in Erdos Dongsheng District Ma Ming，Qian Jihong，Kong Hui，Zhu Limin，Song Tao ( China Academy of Building Research，Beijing 100013，China) Abstract: Large span space structure is adopted in the greenhouse roof structure of botanical garden in Erdos Dongsheng District Free form surface is used in the roof modeling Considering the special feature of the greenhouse，and based on the analysis of some domestic and overseas representative structures，the structure style which is suitable for the greenhouse in Erdos Dongsheng District was studied Mechanical behavior comparison between the single-layer structure system and double-layer structure system was performed，and the single layer roof structure system is finally adopted Considering the construction difficulty，various comparisons between the steel structure and aluminum structure were performed，such as the comparisons on the mechanical behavior，joint construction，construction difficulty，construction speed and economical efficiency Based on the results of the comparisons，aluminum structure is adopted for the greenhouseTechnique- economics comparisons were also performed between the ETFE cushion and glass roof，and glass roof is finally adopted Design on the roof structure was introduced Keywords: greenhouse structure;single layer space structure;steel structure;aluminum structure;ETFE cushion;glass roof 作者简介: 马明， 高级工程师， 一级注册结构工程师， Email:maming cabrtech com。 1工程概况 鄂尔多斯东胜区植物园温室( 图 1) 位于东胜区 铁西二期的教育园区西侧， 距城市中心 7km。植物 园温室北侧、 西侧和南侧为自然山坡， 东侧为人工 河。屋盖建筑设计时利用了北侧、 西侧的山坡以减 小冬季寒风影响; 南侧屋面最低点距地面仅 2m， 最 大范围地利用了阳光。 图 1植物园温室建筑效果图 温室平面投影为椭圆形， 平面尺寸为 146m 116m。温室办公用房沿椭圆周边布置， 地下室不连 图 2植物园温室混凝土结构模型 续。根据建筑功能布置， 混凝土结构整体分为 5 部 分， 北侧建筑最高点标高 23. 8m， 混凝土屋顶按建筑 造型形成斜面， 支承温室屋盖结构， 见图 2。 温室主要展区及部分办公区域均由采光屋面覆 盖， 建筑面积1. 1 万m2， 展开面积1. 45 万m2， 屋面中 心下凹形成阳光谷( 图 1 虚线所框部分) ， 增加了屋 盖支承。温室屋盖采用自由曲面造型， 阳光谷根 建筑结构2013 年 图 3部分植物园温室照片 图 4单层网壳连接节点示意图 部截面最小， 剖面为椭圆， 长轴 短轴尺寸为 15. 8m 12. 8m。屋盖结构支承于周边混凝土结构屋顶上 方， 北侧屋盖支承于混凝土结构侧面。 2屋盖结构设计方案研究 温室屋面材料多采用玻璃， 以取得较高的采光 性能与较好的保温性能。ETFE 膜材是一种透光性 很好的膜材， 透光率可达到 90% ， 并可透过紫外线， 满足植物生长要求。采用 ETFE 制作的气枕有较好 的保温性能， 在英国伊甸园温室中得到了应用， 取得 了较好的效果。 图 3 列举了国内外一些典型的植物温室， 温室 结构设计中既用到了钢结构也用到了铝合金结构。 现有的钢结构温室多采用双层结构， 如北京植物园 温室、 重庆植物园温室均采用了钢桁架结构， 英国伊 甸园采用了六边形网格的双层网壳结构。 单层网壳结构形式优美， 建筑表现力好， 近年来 在一些大型建筑中得到了大量的应用， 上海世博轴 阳光谷、 深圳湾体育中心等结构均采用了单层空间 钢结构， 2010 年建成的上海辰山植物园温室采用了 单层铝合金结构网壳， 取得了较好的建筑效果。 鄂尔多斯东胜区植物园温室屋盖结构设计选型 时应考虑以下问题， 以达到结构安全可靠、 施工质量 可控、 技术经济性良好的目的: ( 1) 结构跨越能力。阳光谷的设计大大减小了 屋盖结构的跨度， 最大跨度约 75m， 根据国内实际工 程经验， 钢桁架、 双层网壳或单层网壳结构均可实 现。国内大跨度结构中还采用过单层空间铝合金结 构， 国内铝合金结构最大跨度达到了 110m， 也可以 用于本项目设计。 ( 2) 建筑表现力。国内建筑设计对建筑表现力 重视程度逐日提高， 很多情况下成为结构选型时首 先考虑的影响因素。建筑表现力的要求往往对结构 设计、 施工提出更高的要求， 如何协调建筑表现力与 结构设计施工难度成为一个重要的研究课题。 ( 3) 结构施工难度。鄂尔多斯地处内陆深处， 寒冷季节长、 结构施工时间短、 冬季施工易产生结构 安全隐患。结构设计宜采用易于施工的结构形式， 避免跨年度施工。 一般来说装配式结构施工难度最小、 施工速度 最快， 如螺栓球网壳结构。钢桁架结构也是国内应 用非常广泛的一种钢结构形式， 工厂预制程度高、 机 械化施工程度高、 施工速度快、 难度相对较小。单层 空间钢结构是最近几年发展起来的一种结构形式， 主要用于自由曲面造型的屋面结构。当采用非圆形 结构构件时， 单层空间钢结构各构件之间会产生相 对扭转角， 一般是通过构件连接节点过渡来实现扭 转效果， 图 4 为单层钢网壳的一种连接节点 1， 其 构造复杂、 施工定位难度大、 现场焊接工作量大、 施 工时间长。 ( 4) 屋面材料。屋面材料可采用玻璃或 ETFE 气枕结构， 这两类屋面保温性能均可满足温室过冬 要求。屋面材料对结构的影响主要表现在 2 个方 面: 1) 屋面材料会直接影响结构网格尺寸的划分， 气枕结构的适用网格尺寸为 3. 5 5m， 而玻璃屋面 宽度选取范围为 1. 8 2. 4m; 2) 屋面材料的选择对 结构恒荷载取值影响较大， 玻璃屋面自重( 含配件) 约 80kg/m2， 而气枕结构很轻， 主要重量来自于气枕 龙骨与其他屋面配件。 ( 5) 造价。结构设计时应在结构体系、 施工方 法等方面统筹考虑， 尽量节约结构工程量， 减少工程 6 第 43 卷 第 6 期马明， 等 鄂尔多斯东胜区植物园温室屋盖结构设计研究 总造价。 3屋盖结构设计方案对比 针对以上问题， 鄂尔多斯东胜植物园温室屋盖 结构设计针对结构体系、 结构材料、 节点构造、 屋面 做法等方面进行了对比研究。 所有的对比研究均采用相同的设计条件， 结构 设计考虑的荷载与作用有: 恒荷载主要包括结构自 重、 吊挂设备与屋面材料， 采用玻璃屋面时， 屋面自 重( 含幕墙配件与吊挂荷载) 0. 8kN/m2， 采用 ETFE 屋面时， 膜材自重 0. 01kN/m2， 龙骨( 含天沟、 管线 等设备) 自重 0. 6kN/m; 屋面活荷载 0. 5kN/m2 ; 雪 荷载 0. 35kN/m2; 基本风压 0. 5kN/m2， 地面粗糙度 类别为 B 类; 根据使用环境， 结构分析时考虑升温 40 、 降温 45 情况; 抗震设防烈度 7 度( 设计基本 地震加速度值为 0. 1g) ， 设计地震分组为第三组， 特 征周期 0. 45s， 场地类别类。 3. 1 结构体系对比 图 5结构体系方案图 结构体系的选择对结构性能有根本性的影响， 设计中研究了双层结构与单层结构两种结构类型， 屋面材料按 ETFE 气枕结构进行网格划分， 结构材 料采用钢材。设计中对比了图 5 所示的 3 类结构方 案， 其中图 5( a) ， ( b) 方案均采用双层网壳结构， 结 构布置时参考了英国伊甸园的结构形式， 采用了六 边形网格， 网格尺寸约 3. 5 5m， 厚 1. 5m。这两种 方案均采用螺栓球节点网壳结构， 施工速度快。 图 5( c) 所示结构方案采用了单层空间钢结构， 根据建筑造型要求， 采用三角形网格， 结构网格尺寸 为 3 7m， 结构 构件 采用 矩 形钢 管， 构 件 截 面 为 300 200， 根据受力不同， 壁厚取 6 10mm。 屋盖中间的阳光谷位置结构落地， 屋盖结构周 边支承于混凝土结构顶面。为减小温度作用下屋盖 结构反力， 屋盖结构采用双向弹簧支座与混凝土结 构相连接， 并在屋盖周边设置环梁加强结构整体性。 根据试算， 支座弹簧水平刚度取 5 000kN/m。 由对比计算( 表 1) 明显可以看出， 双层结构方 案 2 刚度大， 用钢量最省; 双层结构方案 1 开孔较 多， 刚度相对较小， 但双层结构受力性能好， 用钢量 低于单层结构方案; 单层结构方案受整体稳定控 制 2， 结构用钢量大。 双层结构构件多， 建筑师认为过多的杆件对采 光屋面建筑表现力影响大， 最终选择了单层结构方 案作为屋盖结构形式。 不同屋盖结构体系设计方案对比表 1 结构方案 最大竖向 变形 /mm 第 1 周期 /s 用钢量 /t 控制因素 双层结构