某综合体广场裙楼钢屋盖大云顶结构的设计

上海建筑设计研究院有限公司 上海 200041

1 工程概况

某大型综合体广场，建造在上海市静安区长寿路、万航渡路路口。建筑效果图见图1。

图1 建筑效果图

基地南北长约200 m，东西宽约100 m，总用地面积为13 686 m2。建筑物地下3层；地上裙楼4层，总高度约19 m；主楼29层（包括设备/避难层），总高度约120 m。具体使用功能为5层的商业楼面（地上4层和地下1层），2层的停车场楼面（地下2层和3层），以及29层的主楼高层办公综合楼。建筑剖面见图2。

地上部分建筑面积约为65 693 m2，地下部分建筑面积约为34 884 m2，合计约10 万m2。

图2 建筑剖面

主楼上部结构与裙楼之间设置抗震缝，将结构完全分开。由于建筑平面异常复杂，为了使得抗震缝的设置合理，主楼的底下5层带有部分裙楼。主楼的结构形式为框架－核心筒结构；裙楼的结构形式为框架结构。3层地下室连成整体，设置施工后浇带。

裙楼的屋盖为自由曲线形钢结构，称之为“云顶”。该钢结构头部向上升高，另一端延伸到主楼内部7～8层之间。钢屋盖一端搁置在裙楼部分的混凝土屋顶上，延伸到主楼结构部分的钢屋盖，则设置于主楼结构挑空的2 个混凝土柱子的型钢牛腿上，作为钢屋盖的支撑点。

2 “云顶”的建筑设计方案

“云顶”其建筑造型的几何形状可以概括为3 个直径不同的部分球面组成，中间由2 个马鞍形曲面相贯连接而形成整体。端部最大的部分球面投影约Φ40 m，且略带倾斜并向上升高，一直延伸到主楼内部7～8层之间，其余部分的底部位于同一水平面。对于此球面部分，外方建筑师提出可参考意大利米兰新贸易洽谈会展中心（New Milan Trade Fair）玻璃顶棚的支撑点做法。

该建筑设计的创作灵感主要来源于伞的造型，即从支撑柱伸出若干斜杆作为分支点，如此可以有效减小支撑柱间的跨度，并达到轻盈美观的建筑效果（图3）。

图3 米兰新贸易洽淡会展中心柱支撑节点示意

3 风洞试验及风荷载的取值

由于钢结构“云顶”体形特殊，且大端部的球面部分之下为开放式空间，风荷载更成为整个钢结构屋盖设计的主要控制荷载，故委托了同济大学土木工程防灾国家重点实验室对结构的刚性模型进行了风洞试验，以测量主楼表面及“云顶”上的平均压力及同步脉动压力，并将试验结果用于整体结构设计。

风洞试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室的TJ-3大气边界层风洞中进行，为保证试验的效果，对于目标建筑周围近400 m半径范围内的30 m以上高度的建筑环境均进行了同步模拟，整个试验模型表面共布置了434 个测压孔。

基于试验得到的体形系数而计算的10 min平均风荷载（100年重现期）是结构设计的基本参数。在此基础上，我们参照《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012），考虑风振系数后的风荷载作为结构设计荷载。

风洞试验报告提供了2 种不同形式的设计用风荷载，即阵风风荷载和极值风荷载供结构设计选用。通过对2 种数据最大最小值的差值比较，对于云顶的设计，其设计风荷载以阵风风荷载为大，并以正压为控制风荷载。上述结果同时与根据荷载规范计算的风荷载数据进行了比较，并确定以上述数据作为整个云顶结构设计的风荷载数值。

4 钢屋盖结构方案设计[1-7]

如前所述，建造师对于本项目“云顶”设计的最初构想是想以主楼5～8层挑空的2 个框架柱作为主支撑点，若参照米兰项目的做法，须形成多点支撑以满足结构的要求。但米兰项目仅为单层钢结构长廊，钢柱承受的荷载很小，而本工程的挑空穿层柱是主楼的重要竖向受力构件，其上还有二十多层的楼层荷载，且由于挑空4 层，柱子本身的计算长度已很大，在中间再作用很大的水平力，会造成柱子的大偏心受压，经过计算比较，最后排除了该方案。

在与建筑师协商后，最初采用的替代方案是铝合金结构薄壳+环梁的设计方案。即选用铝合金作为结构主构件，主要是因为其自重轻，构件尺寸小，也能满足建筑设计轻盈美观的要求，但由于其强度较普通钢结构低，而“云顶”主入口又是主楼与裙房连接的部分，跨度相当大，仅靠铝合金薄壳结构自身无法满足要求，故只能采用钢环梁作为薄壳的支承构件，具体布置可参见图4。

这个方案基本能够满足结构支撑的要求，也适当兼顾了建筑美观的要求。从图中也可以看出有5 根柱作为环梁的竖向支承构件。其中左边有2 根Φ1 800 mm劲性混凝土大柱，右方有3 根Φ1 300 mm的劲性混凝土大柱，采用从劲性柱中伸出悬挑梁的方式来支撑钢环梁。

图4 拟用方案的主入口薄壳环梁仰视

虽然该方案基本解决了“云顶”大跨度支撑的问题，但由于钢环梁的存在，不可避免地会影响整个屋面建筑的通透感，该方案最终还是未能得到建造师的认可。

经过与建筑师的反复商讨，最后确定的实施方案是钢结构单层网壳方案，并对建筑形体进行了调整，即保留端部的球状造型，仅对后端的马鞍形曲面进行了简化，调整为接近单向的拱形曲面。整个结构方案以单层网壳为主，仅在主入口等大跨度无支撑点区域，将其局部调整为双层网壳，以满足结构强度及挠度的要求，主框架柱支撑方式则改为从柱中合适高度处两侧各伸出1 个钢结构牛腿作为分支点，如图5所示。

图5 最后确定的“云顶”支撑点示意

我们对整体钢结构网壳采用有限元程序分析，其基本荷载考虑了自重、活荷载、雪荷载、风荷载、地震荷载及温度荷载，其中温度荷载按±30 K考虑。在正常使用极限状态下，共考虑了7 种荷载组合。同时进行了整体稳定性分析，并考虑了P-Δ效应及结构的几何缺陷（考虑节点的最大初始位移为50 mm），计算结果，满足设计要求。

5 “云顶”设计与主体结构设计的联系

就结构本身而言，“云顶”原为独立的钢结构，但由于其跨越主楼与裙房，本身结构也相当复杂，故其对于主体结构的影响不容忽视。该影响主要体现在2 个方面：

其一，由于利用主体结构作为其支撑点，为保证连接效果，主体结构的支撑柱改为型钢混凝土柱，特别是主楼中的2 根框架柱，在设计时须考虑节点的美观。

其二，由于“云顶”的存在，特别是其延伸入主楼区域，造成与“云顶”相接处主楼L5～L8层的楼板严重缺失，导致该2 根柱子在该段高度范围内没有水平向约束，造成该处的刚度突变，形成了结构的薄弱层；且由于该相接处的楼板严重缺失，从而造成该部位的楼层刚度中心较多地偏移质量中心，造成平面不规则。

针对上述影响，我们对于主体结构的塔楼部分，有针对性地采取了加强措施，具体如下：

（a）加强竖向结构出现突变的楼层楼板厚度，在L4和L9层因为中间的L5～L8层部分楼板缺失，故该2 层楼板的厚度取150 mm，并加强楼板配筋。

（b）对于底部楼层的外框柱的配筋加强：自L10层以下的柱子均采取全柱箍筋加密，以提高柱子的抗剪能力；其中的2 根大柱子，由于无水平约束的自由长度超长，超过4 个楼层的高度，除了加大柱子的直径（Φ1 500 mm），以控制柱子的长细比，且在柱子L10层以下部分设置型钢加强。

（c）与斜柱相交的各楼层框架梁，考虑斜柱引起的水平力，在梁的两侧均设置受拉钢筋，并加强相应部位楼板的配筋。

6 结语

本工程裙楼钢屋盖大“云顶”设计经历了多次结构方案比选，并通过与建筑设计的紧密配合及协商，最后的实施方案基本达到了与建筑设计的和谐统一。从实践的经验来看成，“云顶”结构的设计亦非单纯的钢结构设计，需要协同考虑与建筑主体结构的联系和相互影响，以满足规范要求。