上海植物园北区新建展览温室结构设计

崔大光，陆 健

（1. 上海应用技术大学 城市建设与安全工程学院, 上海 201418；2. 上海市园林设计研究总院有限公司, 上海 200031）

园艺博览建筑中的温室建筑往往是植物园的标志性建筑，温室空间常需要较大的跨度和高度，以满足不同种类植物的生长需求，针对温室的研究多与园艺相关，对温室结构体系的研究相对较少[1]。温室结构常采用大跨空间结构，结构材料常采用钢结构和铝合金结构等轻型材料，结构体系常采用单层网格结构。如上海辰山植物园四期温室建筑，除门框采用矩形钢管外，其它杆件均采用铝合金工字形截面，节点形式为板式螺栓连接[2]。北京世园会植物馆温室屋顶采用圆钢管单层网格结构，节点采用鼓形焊接球节点，网壳屋面覆盖材料采用乙烯-四氟乙烯共聚物（ethylene-terafluoroethlene，ETFE）透明膜[3]。拉斐尔云廊采用自由曲面单层网格结构，屋盖杆件采用铝合金和钢材，通过钢结构树形分叉柱支撑在多栋高层建筑屋顶上，成为上海G60科创走廊标志性建筑[4]。上海植物园北区改扩建工程新建展览温室位于园区景观湖北侧，设计为一组温室群，穹顶造型，分两个主题展示区：冷温室和蝴蝶温室，设计通过营造多种生境，展示出丰富的植物品种，该温室建成后将与上海植物园南区温室群、辰山植物园温室群和规划中的世博文化公园温室群在展示内容上形成互补。

冷温室建筑面积481 m2，建筑高度13.95 m，最大长轴跨度约32 m，蝴蝶温室建筑面积1 004 m2，建筑高度19.65 m，最大长轴跨度约40.9 m，经过优选后的结构体系采用矩形钢管空间单层网格结构，该体系具有建筑空间效果美观、工程造价低等优点，植物园展览温室效果如图1所示。

图1 植物园展览温室效果图Fig. 1 Renderings of the exhibition greenhouses in the botanical garden

1 设计参数与荷载取值

1.1 主要设计参数

展览温室结构主要设计参数如表1所示。

表1 温室结构主要设计参数Tab. 1 Main design parameters of greenhouse structure

1.2 恒、活荷载

软件可自动计算钢构件的杆件自重，并放大1.05倍以考虑节点重量。外幕墙选用双层钢化夹胶钢化玻璃（8 mm厚的超白玻璃+1.52 mm厚的聚乙烯醇缩丁醛酯（polyvinyl butyral，PVB）+8 mm厚的超白玻璃），外幕墙连同龙骨系统设计均布恒荷载标准值不利作用取2.0 kN/m2，有利作用（风吸力组合工况）取0.5 kN/m2，均布活荷载标准值取0.5 kN/m2[5]。

1.3 风荷载

风荷载计算标准值与基本风压、风压高度变化系数、风荷载体型系数和脉动风效应等效风压系数有关。本工程结构体型对风荷载较为敏感，设计时风荷载标准值取100年重现期的基本风压。风压高度变化系数偏于安全地按建筑顶点高度确定，冷温室和蝴蝶温室μz分别取1.1和1.2。屋盖主要承重结构的脉动风效应等效风压系数根据《屋盖结构风荷载标准》[6]附录B确定，计算表明脉动风效应不大于平均风效应的2倍，设计时偏于安全地取脉动风效应为平均风效应的2倍。对于重要且平面形状或立面形状复杂的房屋和构筑物，规定采用风洞试验来确定体型系数[5]，本工程根据《屋盖结构风荷载标准》[6]推荐的计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）数值模拟，通过大涡模拟方法得到风载体型系数，用于初步确定主要承重结构的平均风荷载。设计时最终的风载体型系数近似按《建筑结构荷载规范》表8.3.1项次3取值[5]，并与数值模拟值进行包络。CFD数值模拟共采用12个风向角，间隔30°，可提供展览温室表面各部位的体型系数分布云图和数值图。以0°风向角的数值模拟结果为例，图2、图3、图4和图5给出了冷温室和蝴蝶温室的表面体型系数分布云图和数值图。分析结果表明，除少数区域CFD值大于规范值外，大部分区域规范值均大于CFD值。

图2 冷温室表面体型系数分布云图Fig. 2 Cloud picture for shape factor of the cold greenhouse

图3 冷温室表面体型系数数值图Fig. 3 Numerical picture for shape factor of the cold greenhouse

图4 蝴蝶温室表面体型系数分布云图Fig. 4 Cloud picture for shape factor of the butterfly greenhouse

图5 蝴蝶温室表面体型系数数值图Fig. 5 Numerical picture for shape factor of the butterfly greenhouse

1.4 雪荷载

本工程空间网格结构属于对雪荷载敏感的结构，雪荷载标准值按100年重现期基本雪压S0=0.25 kN/m2取值。根据规范规定，温室结构还应按全跨和半跨积雪均匀及不均匀分布工况进行验算[5]，由于结构形体呈拱形，雪荷载不起控制作用。

1.5 地震作用

设计时考虑X、Y两方向水平地震和Z向竖向地震作用，水平地震作用计算时考虑±5%的偶然偏心，地震作用设计参数见表1。另外，结构刚度计算时不考虑维护结构也即非结构构件的影响，周期折减系数取1.0。

1.6 温度作用

以结构的初始温度（合拢温度）为基准，结构的温度作用效考虑温升和温降，合拢温度选取日平均温度。温度变化对构件有热胀冷缩的影响，结构跨度越大温度影响越敏感，特别是合拢施工需选取适当的时间段，避免次应力的产生[7]。冷温室无加温设备，室内布置契合四季变化的植物，室内设计使用温度为-4～29 ℃，而蝴蝶温室室内设计使用温度为13～29 ℃。上海基本气温最低为-4 ℃，最高为36 ℃。设计时钢结构合拢温度取10～15 ℃，考虑升温工况30 ℃，降温工况-30 ℃。如施工时的合拢温度与设计值不一致，应进行施工阶段验算。

2 基础和柱脚设计

设计时对多种基础类型进行比选，结合场地土工程特性和温室上部结构特点，基础型式采用条形承台梁桩基础，并在温室门洞下方无承台梁处设置承台拉梁，使基础承台梁形成1个闭环，增加基础整体性的同时还可有效地抵抗上部结构传至基础的水平推力。桩型采用预应力高强混凝土管桩PHC-AB400（95）-11，10，桩端持力层为灰色砂质粉土层，单桩抗压承载力设计值为460 kN。桩位布置基本与钢柱脚平面位置对应，以减小柱脚对条形承台梁所产生的剪力及变形。设计时还对刚接和铰接2种柱脚形式进行对比，计算结果表明铰接柱脚可有效地释放结构温度应力，柱脚采用外露式铰接柱脚，并通过设置抗剪键来承担柱脚底部水平反力。基础设计采用盈建科建筑结构计算软件YJK-A。

3 上部钢结构设计

3.1 结构体系选型

展览温室平面呈不规则椭圆形，立面为不规则拱形，外表皮为凹凸皱褶形。结合建筑方案所呈现的空旷通透感，结构体系采用杆件数量较少的空间单层网格结构。杆件材料可选不锈钢、铝合金和钢材，不锈钢和铝合金结构造价较高，且空间网格不规则，结构杆件和连接节点规格较多。通过综合比选，结构体系采用空间钢管单层网络结构，杆件形状为方钢管或矩形钢管（即B型），钢材等级为Q355B。冷温室钢构件截面主要规格为250 mm×150 mm×10 mm、220 mm×10 mm和150 mm×8 mm，蝴蝶温室截面规格为350 mm×250 mm×20 mm、250 mm×150 mm×10 mm、250 mm×12 mm、200 mm×10 mm和160 mm×8 mm。钢结构设计软件采用MIDAS/Gen。

3.2 杆件计算长度

网格杆件的计算长度与结构体系、节点刚度以及杆件所处的位置有关[8]，单层网格杆件在壳体曲面内、外的计算长度不同，计算长度系数对杆件稳定性验算结果有较大的影响，壳体曲面内的杆件计算长度可取为0.9l，壳体曲面外的其计算长度为1.6l。MIDAS软件可对选定的构件直接输入绕强轴（单元坐标轴y轴）和绕弱轴（单元坐标轴z轴）屈曲时自由长度的有效计算长度系数。需要注意的是，在定义构件的自由长度系数前应设置构件的单元坐标轴，使2个单元坐标轴与网络结构曲面的径向和法向相一致。

3.3 节点设计

为保证空间结构的几何不变性，单层网格结构应采用刚接节点[8]，有限元分析时采用具有6个自由度的梁单元，且在节点构造设计上也必须与计算模型相符。翁振江等[9]对网格结构中各种典型装配式节点进行了总结，对工程中应用的节点进行了分类。对于单层网格结构，以往多采用焊接球节点实现刚接节点，但巨大的焊接球节点往往对建筑效果有很大的影响。直接相贯连接的钢管结构节点外观简洁，除无斜腹杆的空腹桁架外，当符合一定条件时才可视为铰接节点[10]。文献[10]的附录H还提供了无加劲钢管直接焊接节点刚度的判别方法。本工程为采用钢管相贯节点的单层网格结构，为增加节点刚度和节点承载力，在主管对应支管的位置增设2道内加劲板以保证节点刚性。

3.4 结构自振特性

特征值分析采用Lanczos法计算，振型的选取数量根据振型质量参与系数确定，冷温室取120个振型，蝴蝶温室共150个振型。冷温室前三阶自振周期分别为0.854、0.574 和0.477 s，振型分别为沿温室短轴方向的平动、整体扭转和沿温室长轴方向的平动，扭转周期与一阶平动周期比值为0.67。蝴蝶温室前三阶自振周期分别为0.862、0.613和0.566 s，振型分别为沿温室短轴方向的平动、沿温室长轴方向的平动和整体扭转，周期比为0.66。计算结果表明，2个温室的周期比均满足规范规定周期比不大于0.9的限值要求。温室结构第一振型分布云图如图6和图7所示。

图6 冷温室第一阶振型Fig. 6 Mode 1 of the cold greenhouse

图7 蝴蝶温室第一阶振型Fig. 7 Mode 1 of the butterfly greenhouse

3.5 结构变形、强度和稳定验算

冷温室在恒荷载和活荷载标准组合作用下竖向变形最大值为22 mm，在恒荷载和风荷载标准组合作用下竖向变形最大值为18 mm，在恒荷载和温度作用标准组合作用下竖向变形最大值为18 mm，均不大于变形允许值L/400=17 600/400=44 mm，结构竖向变形满足要求；在风荷载作用下最大侧向变形为27 mm，不大于变形允许值H/250=13 000/250=52 mm，结构侧向变形满足要求。蝴蝶温室在恒荷载和活荷载标准组合作用下竖向变形最大值为32 mm，在恒荷载和风荷载标准组合作用下竖向变形最大值为27 mm，在恒荷载和温度作用标准组合作用下竖向变形最大值为36 mm，均不大于变形允许值L/400=24 100/400=60.2 mm，结构竖向变形满足要求；在风荷载作用下最大侧向变形为38 mm，不大于变形允许值H/250=19 000/250=78 mm，结构侧向变形满足要求。全部荷载工况组合作用下，钢结构单元最大应力比均不大于0.9，满足结构强度和稳定要求，计算结果如图8和图9所示。

图8 冷温室单元应力比Fig. 8 Element stress ratios of the cold greenhouse

图9 蝴蝶温室单元应力比Fig. 9 Element stress ratios of the butterfly greenhouse

3.6 结构稳定极限承载力分析

为避免单层网壳整体失稳或局部壳面失稳，规范规定单层网壳应对稳定性进行补充验算[8]。本工程首先进行结构屈曲模态分析，按满跨均布恒荷载和活荷载标准组合得到结构最低阶屈曲模态。进一步运用位移控制法进行结构极限承载力分析，并以结构一阶屈曲模态的形式考虑初始几何缺陷的分布，取1/300网格结构跨度作为缺陷最大值[8]，分析时考虑结构的几何非线性。结构荷载-位移曲线如图10和图11所示，取曲线下降段前的峰值点作为结构稳定极限承载力。计算结果表明，冷温室结构极限承载力稳定系数为21.2，蝴蝶温室结构极限承载力稳定系数为35.2，均满足规范规定的安全系数限值4.2的要求。

图10 冷温室结构稳定极限承载力Fig. 10 Ultimate stability bearing capacity of the cold greenhouse

图11 蝴蝶温室结构稳定极限承载力Fig. 11 Ultimate stability bearing capacity of the butterfly greenhouse

3.7 钢结构防火设计

钢结构的缺点是耐热，但是不耐火。传统的钢结构防火设计先根据建筑物耐火等级确定钢构件的耐火极限，施工图纸上再注明防火涂料的厚度应达到其耐火极限的要求，施工单位依据标准耐火试验报告选择相应的防火涂料种类及厚度，这种方法的缺点是标准耐火试验得到的结果没有反映构件截面大小、形状以及荷载类型等因素的影响。为此，《建筑钢结构防火技术规范》[11]提供了与构件实际受力情况相符的钢结构防火设计方法，建立在结构分析与耐火验算的基础上，按结构耐火承载力极限状态进行耐火验算与防火设计。实际工程中钢结构防火保护措施通常采用防火涂料法、包裹防火板法和包覆隔热材料法[11]，其中防火涂料保护是工程中最常采用的方法，也是本工程选用的方法。本工程建筑耐火等级为二级，因结构体系为单层空间网格结构，所有的钢构件耐火极限均采用2.5h，分别采用膨胀型防火涂料和非膨胀型防火涂料2种类型涂料进行计算，对于膨胀型防火涂料，计算出需要满足相应耐火极限要求的等效热阻，对于非膨胀型防火涂料，计算出需要满足相应耐火极限要求的等效热传导系数和涂层厚度。钢结构构件的耐火验算和防火设计主要有3种方法[11]：耐火极限法、承载力法和临界温度法，本工程采用Midas/Gen推荐的临界温度法进行钢结构防火设计，软件具体分析步骤为：①设置材料升温特性并进行高温特性材料连接，确定高温下结构钢的强度设计值和弹性模量的升温曲线，本步操作前必须先赋予钢材的热特性值；②定义建筑火灾升温函数，可直接选择规范提供的建筑室内纤维类火灾升温曲线，并根据耐火极限要求给定火灾持续时间；③定义防火参数，根据耐火极限和防火保护类型赋予构件等效热阻或等效热传导系数和防火保护层厚度；④计算所有钢构件截面形状系数；⑤定义单元升温，赋予构件防火荷载工况；⑥对高温下结构钢的弹性模量进行折减；⑦设置耐火承载力极限状态荷载组合设计值；⑧对构件进行防火设计验算，得到各构件的临界温度。经过计算，本工程钢结构防火设计的等效热阻为0.27 m2·℃/W，等效热传导系数和防火保护层厚度为0.10 W/(m·℃)和30 mm。

4 结 语

近年来，大跨空间异形建筑方案越来越多地应用在温室建筑、景观构筑物和雕塑建筑中，单层空间网络结构因具备杆件数量少且有规律、适用的跨度大、与异形表皮结合能力强等优点，成为结构工程师的首选方案。本文对上海植物园北区新建展览温室结构设计进行了全面介绍，包括设计参数和荷载取值、基础和柱脚设计以及上部钢结构设计要点，可为矩形钢管空间单层网格结构工程设计提供参考。