化繁为简——论聚春园会展酒店的结构设计

林 航

(福州市建筑设计院有限责任公司 福建福州 350011)

1 项目概况

聚春园会展酒店位于福州市中心，靠近会展中心和闽江。酒店地上建筑面积78 761.33 m2，地下室面积32 635.48 m2。地上共2栋21层建筑(A、B塔)，其中一至四层为裙房，A塔五至二十一层为酒店、行政酒廊,B塔五至十一层为开放式办公、十二至二十一层为酒店。A、B塔高度99.90 m，裙房高度为23.99 m，地下设二层地下室,建筑功能为停车及相关设备配套用房，地下室为全埋式，埋深约11.0 m，人防单元设在地下二层，如图1所示。

图1 建筑实拍

酒店2016年竣工，2019年获得结构专业福建省优秀工程勘察设计三等奖。该工程结构设计有以下几个亮点：

(1)采取合理的结构措施，既不影响建筑使用功能和造型，又避免了结构超限，大大缩短了设计工期，降低了土建造价。

(2)大胆设计，小心求证。该工程于裙房1层大厅至2层，设置540°大型钢螺旋楼梯一部。楼梯内径2.8 m，外径7.4 m，旋转540°，高度6.55 m，中间无支撑柱，结构较为复杂。

2 工程地质概况

场地位于福州断陷盆地东段，场地附近不具备发生强震条件。此外，不存在埋藏的河道、沟浜、墓穴等对工程不利的埋藏物，未发现崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等地质灾害，场地稳定性总体较好，适宜建筑。

勘察场地地层主要由杂填土①、中砂②、淤泥质土③、粉砂④、淤泥质土⑤、粉土⑥、中砂⑦、淤泥质土⑧、粉土⑨、中砂⑩、圆砾、中砂、强风化岩组成。场地地层结构复杂。

本场地抗浮设计水位按罗零高程6.00 m考虑。

场地地下水对混凝土结构具微腐蚀性。场地地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。场地浅部土层对混凝土结构具弱腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。

3 结构体系

该工程A、B塔楼均为21层，高度约89.60 m，采用框架-核心筒结构体系；裙房4层，高度23.99 m，采用框架剪力墙结构体系。裙房千人宴会厅尺寸为29 m×45 m，因功能需要，梁跨度为29.0 m。该部分屋面采用周边简支的主、次钢梁支撑体系，压型钢板组合屋盖。主楼框架-核心筒的框架柱采用钢骨混凝土柱。

4 结构设计亮点

4.1 设计中的化繁为简

按方案要求该工程存在裙房引起的结构超限和切缝后设备层引起的超限情况。结构设计中，采取合理的结构措施，既不影响建筑使用功能和造型，又避免了结构超限，大大缩短了设计工期，降低了土建造价。

4.1.1 裙房引起的超限情况

福州是“茉莉花茶”的发源地，该方案以福州的“茉莉花”为概念设计的意向，在平面的总体布局上，体现茉莉花的花瓣以及叶片的造型。如图2～图5所示，左侧的叶片为A塔楼，右侧的叶片为B塔楼。

图2 二层平面图

图3 三层平面图

图4 四层平面图

图5 五层(裙房屋面层)平面图

最初境外方案方KKS要求，A、B塔与裙房不设缝。若按该要求，则结构具有多塔的复杂类型、且同时具有扭转不规则、楼板不连续[1]、尺寸突变[2]、刚度突变、其他不规则等多项不规则，为超限高层，具体不规则情况如表1所示。

表1 不规则类型[1-2]

综上所述，结构超限主要因裙房与A、B塔楼不设缝造成。通过与KKS沟通后，在裙房与A、B塔间设置抗震缝，将上部结构切成A、B塔与裙房3个结构单体。切成3个结构单体后，裙房高度为23.99 m，不属于超限高层，且裙房采用框架剪力墙结构，剪力墙刚度远大于框架刚度，承担大部分剪力的剪力墙连续贯通，框架柱虽存在跃层、不连续等不利因素，但框架仅作为第二道防线，承担的剪力较少，切缝后裙房结构安全、可靠。经过验算，裙房采用框架剪力墙结构后，即使顶层大宴会厅大量抽柱，亦能保证150 mm缝宽下，不发生因地震产生的结构碰撞。抗震缝处均为次要使用功能房间和走道，经装饰处理后，不影响建筑使用功能和造型。

4.1.2 A、B塔设备层引起的超限情况

A塔4F和5F间设有设备转换层，4F层高5.31 m，设备转换层层高2.19 m，5F层高3.60 m；B塔8F和9F间设有设备转换层，8F层高4.00 m，设备转换层层高2.19 m，9F层高3.60 m。

以A塔为例，设备层如采用钢筋混凝土梁板式结构，A、B塔转换层均设置在裙房屋面的上层塔楼内，此时易形成结构薄弱部位，不利于结构抗震。由于跨度较大，设备层梁高需800 mm，一方面影响设备层下一层的净高，如图6所示，净高为4510 mm；另一方面设备转换层刚度极大，设备转换层下面一层的刚度均小于设备转换层的50%，如图7所示，A塔楼4F和设备层X向刚度比KX=5.4798/13.287=0.412<0.50,Y向刚度比KY=4.5325/10.990=0.412<0.50，层刚度偏小，具有明显的抗震薄弱部位，可能引起不良后果，为抗震规范中的特别不规则建筑。即使切缝后，仍为超限高层建筑。按该方案，应采取有效的抗震措施，包括增大构件内力、提高抗震等级和超限审查要求的加强措施，将大大增加结构造价。

图6 A塔楼梁板式结构设备层剖面示意

图7 A塔楼4F和设备层的刚度

为避免结构超限，决定设备层采用钢结构，设备层钢梁通过钢吊柱吊在设备层顶的钢筋混凝土梁上，楼板采用压型钢板组合楼板，钢梁和组合楼板高度为400 mm，如图8所示，净高为4910 mm，部分节点如图9所示，实际施工现场如图10所示。此时结构电算中不存在设备层，设备层作为荷载施加在5F楼面，电算中A塔4F层高为5.31(4F)+2.19(设备层)=7.5 m，5F层高为3.60 m，如图11所示。A塔楼4层和5层X向刚度比KX=3.8797/5.8601=0.66>0.50,Y向刚度比KY=3.2090/5.0798=0.632>0.50，按该方案结构无明显的抗震薄弱部位，结构不属于超限高层建筑。

图8 A塔楼吊柱式钢结构设备层剖面示意

图9 吊柱式钢结构设备层主要连接节点示意

图10 吊柱式钢结构设备层

图11 A塔楼4F和5F的刚度

4.2 大胆设计，小心求证

该工程于裙房1层大厅至2层，设置钢螺旋楼梯一部。楼梯内径2.8 m，外径7.4 m，旋转540°，高度6.55 m，中间设休息平台两处，无支撑柱，如图12所示。

图12 540°大型钢螺旋楼梯

螺旋楼梯为空间结构。该工程采用midas软件进行计算，楼梯上下端均铰接于混凝土结构，计算过程中发现，螺旋楼梯内环梁为主要受力梁(内外环梁展开长度分别为14.7 m、35.5 m)，第一至二休息平台间梯段变形，支座反力如图13所示，楼梯竖向变形如图14所示。为协调其变形，楼梯踏步内设置槽钢，并于踏步面及楼梯底面设置连续钢板[3]。楼梯断面采用内外环梁加踏步槽钢梁的形式。

图13 螺旋楼梯支座反力

图14 螺旋楼梯竖向变形

因该楼梯较为复杂，担心软件不能准确模拟其刚度，计算的挠度存在误差。施工阶段采用堆载方式对结构进行了验证，如图15所示，沿螺旋楼梯自下而上(1号-8号)共设8个应变片。堆载过程中，发现由于螺旋楼梯内环梁的刚度远大于外环梁，导致外环梁处的挠度远大于计算值，无法满足设计要求，故将楼梯上下端与混凝土结构的连接方式更改为固接，更改后挠度满足设计要求，如图16所示。

图15 施工堆载验证照片

(a)加载总量4 t，约0.87 kN/m2，各点挠度计算值和实测值(mm)

5 结论

(1)随着建筑发展的创新，建筑的造型越来越多样，给结构工程师带来了巨大的挑战。结构工程师应该从安全、经济、合理的角度出发，在不影响建筑风格、造型和使用功能的前提下，能化繁为简，避免结构超限。

(2)随着我国社会经济的发展，人们对建筑造型、功能要求的多样化，建筑类型越来越复杂，既要求结构工程师大胆设计，又要求建设过程中小心求证。

(3)尽管计算软件日益普及，结构分析和计算软件的功能日益完善，但是结构设计中仍应重视结构概念，避免对计算软件的依赖，甚至过于相信。