大同未来能源馆结构设计

刁鹏展

1 工程概况

山西省大同未来能源馆建筑面积约2.9 万m2，展示面积约1.8 万m2，包括地上3 层，地下1 层，是1 座集能源战略规划馆、能源文明传播馆、能源革命示范馆、能源科普教育馆、能源生活体验馆以及能源技术展示馆“六馆合一”的综合展览馆，也是目前国内超低能耗最大规模的被动式建筑。

该建筑的结构形式为少柱剪力墙体系，整个建筑考虑使用功能展厅，要求大空间无柱。主体结构由6 个小核心筒作为竖向受力支撑构件，核心筒间净距32.5 m。3 层悬挑4.5 m，支撑32.5 m跨的大梁；2 层以上所有建筑空间实现了“全无柱设计”，这样不仅能使场馆采光及视线效果达到最佳，还能最大程度释放空间，确保单个展厅的有效参展面积最大化以及整体空间的连通性。建筑剖面图如图1 所示。

图1 建筑剖面图（来源：作者自绘）

2 结构设计中的重点与难点

2.1 地基处理

主体结构由6 个小核心筒作为竖向支撑构件，除地下室局部有柱子，1 层外侧有柱子，没有其他竖向结构构件。经计算，核心筒下筏板考虑外扩的情况下，最大荷载约600 kPa 左右，基底位于第4层粉质黏土，地基承载力为160 kPa，不能满足上部结构荷载要求，需采取桩基处理措施方可达到设计要求。方案设计时，通过3 种桩基方案进行比选。

（1）混凝土预应力高强管桩。由于土层中存在粗砾砂，压桩施工困难，桩长难以达到设计长度，在施工过程中容易爆桩，影响工期且难以控制，因此不予采用。

（2）水泥粉煤灰碎石（Cement Flyash Gravel，CFG）桩。CFG 桩单桩承载力低，复合地基变形沉降大，不能满足核心筒下承载力的要求，也不予考虑。

（3）钢筋混凝土后压浆灌注桩。桩身强度高，单桩承载力高，桩长满足设计要求，桩基沉降小，施工简便，地层适应性能广泛。因此，本工程最终确定采用混凝土灌注桩。

2.2 整体结构计算

建筑长宽比为1.7，X 向比Y 向长，6 个核心筒沿X 向3 列，Y 向2 行。核心筒X 向墙厚为0.6 m，Y 向墙厚为1 m。整体模型计算时通过调整墙厚尽量使XY两个方向的刚度接近。1 层层高为7.8 m，局部9 m，在展厅区域外9 m 层高处做了夹层，与夹层相连的竖向构件采用有夹层和无夹层两种工况进行包络设计。地下1 层框架柱较多，加之周围挡土墙的刚度贡献及核心筒上部洞口在地下封堵，地下1 层与地上1 层两个方向的剪切侧向刚度比很容易满足大于2 的要求，嵌固端定在±0.00 标高的楼板处。地上1 层有部分框架柱，在规定的水平力作用下，结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值小于10%，应按剪力墙结构进行设计。通过调整核心筒墙体布置及墙体厚度，整体指标均满足规范要求。

2.3 大跨梁结构措施

首层展厅楼面活荷载10 kN/m2,区域内的地下展厅32.5 m×88.6 m，不允许有竖向构件。展厅沿短边Y 向布置主梁，与核心筒相连的大梁用型钢混凝土梁增加刚度，梁截面700 mm×2 100 mm。与型钢混凝土柱相连的大梁用纯钢梁，能减少自重且方便施工；钢梁为箱型截面，尺寸600 mm×1 920 mm。楼板厚度为180 mm，钢梁支撑在楼板下，型钢混凝土梁和钢梁在梁底同一标高，方便地下展厅吊顶。钢梁上翼缘有楼板的约束可以避免平面外失稳，钢梁下翼缘尤其是在柱附近的位置存在受压失稳的问题，需设置侧向支撑[1]。本项目工程在钢梁与钢梁、钢梁与混凝土梁的下翼缘设置了刚性系杆隅撑，保证钢梁下翼缘的平面外稳定。

考虑增加建筑净高，钢梁截面大，设备管道及风管避开梁跨中和端部在钢梁腹板中间留孔穿越。钢梁开孔图如图2所示，由图2 可以看出，各种管线穿梁时均做了局部补强。对于1 层展厅屋顶室外展示区，屋顶种植覆土考虑0.6 m厚，活荷载应为4.0 kN/m2，2 层结构模型如图3 所示。从模型上可以看出，沿3 个方向都不能设柱，只有4 个核心筒支撑。利用2 层建筑局部抬高屋面处做Y 向支撑大梁，梁高为3.3 m，X 向做钢梁一端与钢柱连接，一端与Y 向支撑大梁连接。核心筒之间采用型钢混凝土梁连接，增加结构刚度。

图2 钢梁开孔图 （来源：作者自绘）

图3 2 层结构模型（来源：作者自绘）

大跨度展厅具备布展灵活性和空间应变能力，有效解决了展陈设计工作开展延后及存在较大不确定性而造成的技术衔接难题。充分应用结构截面综合布设管线，有效增强了展馆内部空间的序化效果，最终使建筑设计满足了展厅的使用功能。

2.4 剪压比超限的结构对策

2.4.1 剪压比超限

6 个核心筒作为主要竖向构件，也是整个建筑的抗侧力构件，承担着结构体系在水平地震作用下所产生的水平剪力。该建筑与普通建筑相比活荷载大，跨度大，竖向构件剪力墙比较集中，部分筒体墙体的剪压比很难满足。通过增加墙厚来提高墙体的受剪面积，不但占用建筑的有效使用空间，而且增加了自重，提高了地震作用效应。开设洞口降低了剪力墙的刚度，可以减少地震作用，但也存在一些问题。例如，开洞形成的一些短肢墙，其剪压比很容易超限[2]。

2.4.2 超限结构措施

第一，减小连梁截面高度，结合层高设置双连梁；连梁剪压比不够可设置抗剪钢板。第二，除了结合建筑设备专业要求在筒体留洞，还在剪力墙受力较大的部位开设结构洞口。第三，筒体四角加设型钢，一是为了连接型钢混凝土大梁，二是补偿此处墙体边缘构件暗柱配筋及受剪箍筋。第四，若墙体剪压比很难满足，尤其是短肢剪力墙处，则可增设钢板，设置钢板剪力墙。

2.5 超长结构温度应力计算

工程主体结构东西长度约为109 m，南北宽度约为71 m，按照《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）的规定，现浇剪力墙结构伸缩缝最大间距为45 m，该结构严重超长，应进行温度应力计算。按照《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）第9.2.1 条 和9.3.2 条 的规定，基本气温可采用规范中附录E 规定的50 年重现期的月平均最高气温Tmax和月平均最低气温Tmin。

根据收集的气象资料显示，大同属中温带重半干旱气候，1 月份最冷，平均气温-10.9oC，年极端最低气温-29.1oC；7月份最热，月平均气温21.8oC，最热月14 时平均气温26.2oC，年极端最高气温为37.7oC；气温年、日温差都较大，分别为32.7oC 和13.2oC。根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）的规定，大同月平均最高气温Ts,max=32oC，月平均最低气温Ts,min=-22oC，根据现场的施工组织安排，后浇带合拢时间大约为6月，为降低合拢温度，可采用冰块降温的办法，合拢温度取15 ～20oC[3]。本工程采用YJK 软件进行温度应力计算,结构计算时，楼板采用弹性楼板6，按照有限元计算楼板内力，并根据计算结果增设温度钢筋以满足规范要求。

2.6 膨胀加强带做法

本工程工期紧张，在施工中将原设计的温度后浇带改成了膨胀加强带，具体做法如下。第一，加强带宽2 m，中心与现有温度后浇带中心重合，在两侧水平结构（全部水平构件）混凝土内掺10%～12%的镁质高性能抗裂剂。第二，加强带的混凝土比主体结构部位高一强度等级，且混凝土内掺14%～15%的镁质高性能抗裂剂。采用膨胀加强带可以连续施工，超长混凝土结构不留缝且不易开裂，减少了分缝处理带来的麻烦，大大缩短了工期，取得了显著的经济效益。目前，该项目已经投入使用3 年，使用状态良好[4]。

2.7 大悬挑结构设计

3 层核心筒外挑为4.5 m、梁后支撑为32.5 m 跨的大梁，悬挑结构的运用使建筑获得了开放空间，建筑空间也得到进一步延伸。悬挑梁在整个结构设计中非常关键，由于是静定结构体系，一旦出现质量问题，将对整个建筑造成极大的安全隐患。

结构设计时考虑竖向地震作用，取反应谱分析和10%重力荷载代表值的包络值，并考虑以竖向地震作用为主的组合效应[5]。需要注意的是，悬挑结构的关键构件以及与之相邻的主体结构关键构件的抗震等级应提高一级。

另外，应严格控制裂缝和挠度。梁内设型钢，悬挑梁做成变截面，根部为1.8 m 高，端部为0.8 m 高，方便风管和设备管道从梁端部通过，增加建筑净高。封口大跨梁跨度为32.5 m，应进行挠度控制。沿与大跨梁垂直方向每间隔4.2 m设悬挑型钢梁并向内延伸1 跨，减少封口梁的计算跨度，调整后的封口梁高度为1 m（上翻0.2 m）。整个悬挑结构不显臃肿，净高增加，使用舒适。

3 大型公共建筑设计策略

本工程工期非常紧张，施工单位百天建成，设计单位现场全程进行服务跟踪。通过项目实践，提出以下几点设计策略以供同类项目参考。

第一，对于大型公共建筑的结构专业，应从方案阶段就提前介入，理解和领会建筑创作意图，及时提出结构处理措施和解决建议，专业间的有效配合才能保证项目设计的性能合理，进而实现设计优化的目标。

第二，设计应和施工现场紧密配合，根据工程的特殊性，及时做出相应的调整。例如，原设计防水板和基础承台上平，由于本工程工期紧张，现场及时调整了图纸，改为防水板和基础承台下平。这种做法虽然增加了土方和房心土回填量，但却减少了施工难度，加快了施工进度。

第三，对于大跨度的公共建筑，结构专业不能为了给建筑提供更大的使用空间而过分优化截面，尤其是竖向构件。本工程核心筒的墙厚偏薄，为了控制剪力墙墙体剪压比，设置了很多钢板，增加了施工难度，影响了施工工期，同时也增加了造价。由此可见，优化结构截面在大开敞的展厅空间内效果微乎其微。

4 结语

大同未来能源馆是我国第一个以“超低能耗”“绿建三星”“LEED 金级”及“健康建筑”4 个认证标准为总体设计目标的高性能建筑，也是国内首例实现“近零能耗建筑”目标的大型展馆类公共建筑。该建筑功能复杂，存在荷载较大、结构超长、大跨度以及大悬挑等问题，通过合理的方案选型、结构布置、计算模型的分析和对比以及特殊的结构加强措施，较好地实现了建筑设计意图，满足了规范要求，进而保证了结构安全[6]。