如何實(shí)現(xiàn)反曲之美？清水混凝土建筑玉環(huán)博物館和圖書館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧思。

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題 記

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玉環(huán)博物館和圖書館項(xiàng)目，由中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司李興鋼和任慶英兩位勘察設(shè)計(jì)大師的團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)。從“夏奧”到“冬奧”，對兩位合作多年的大師來說，這個(gè)項(xiàng)目的規(guī)模體量實(shí)屬“小品”級別，然而其中蘊(yùn)涵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)深度融合的經(jīng)驗(yàn)，值得記錄和分享。

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玉環(huán)，是全國14個(gè)海島縣市之一。位于浙江東南沿海。玉環(huán)市名源于海島奇觀，古志記載“晨霧繞島，形狀如環(huán)；上有流水，潔白如玉”，由此得名。本項(xiàng)目便選址在這一片漁港新城之中。

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該項(xiàng)目的建筑方案，吸收了玉環(huán)坎門漁港地區(qū)山勢地形特征，結(jié)合水面，形成建筑之間一種對望的關(guān)系，并與周圍大的山形水勢相配合，將極具特色的建筑形態(tài)和當(dāng)?shù)丨h(huán)境很好的融合。

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圖書館總建筑面積1.05萬平米，博物館總建筑面積0.8萬平米 。圖書館地上2層，局部地下1層，建筑高度15.5m。博物館主要的展廳空間沿垂直方向分為4層，分別對應(yīng)不同的展覽主題。技術(shù)和辦公用房、藏品庫房、設(shè)備機(jī)房位于一層基座層內(nèi)，建筑高度24米。

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建筑師希望以一種結(jié)構(gòu)單元體與功能單元體結(jié)合的概念進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過并置、斜交、疊合、包含、堆積、聚合等幾何操作手法，在場地內(nèi)放置了18個(gè)單元。

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為把建筑形態(tài)優(yōu)美、使用功能完備和結(jié)構(gòu)受力合理三者有機(jī)結(jié)合，本項(xiàng)目采用兩種典型結(jié)構(gòu)形式來營造相對標(biāo)準(zhǔn)化的無柱空間，對應(yīng)不同的閱覽空間和展廳空間：一種是反曲薄殼屋蓋，一種是箱型魚腹梁樓蓋。

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建筑師要求整個(gè)建筑呈現(xiàn)清水混凝土效果，因而主體結(jié)構(gòu)需采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

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反曲薄殼屋蓋設(shè)計(jì)

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反曲屋蓋不僅使建筑有著起伏美妙的輪廓線，在室內(nèi)也形成了較大的無柱空間。本項(xiàng)目的反曲形狀采用懸鏈線的方程式，垂跨比1/20,與二次曲線相比更接近自然懸垂的感覺。然而混凝土樓板本身是帶裂縫工作的，反曲或者下凹的屋面對于裂縫處理很困難。為實(shí)現(xiàn)這種曲面形式，結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆混凝土殼體屋面，并在板殼中設(shè)置了預(yù)應(yīng)力索。將懸索固定在兩端的剪力墻上，墻體起到傳遞豎向力和屋蓋懸索水平力的作用，是一種較為新穎的預(yù)應(yīng)力索-殼組合結(jié)構(gòu)。

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預(yù)應(yīng)力索在屋蓋結(jié)構(gòu)中起到關(guān)鍵作用：第一，懸索在重力下的懸垂能夠完美貼合建筑師要求的屋蓋形狀，第二，施加預(yù)應(yīng)力也是控制裂縫的有效手段，第三，板內(nèi)預(yù)應(yīng)力設(shè)置也讓屋面的輕薄觀感成為可能。

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屋面的現(xiàn)澆混凝土曲面板殼，與預(yù)應(yīng)力索相輔相成，為預(yù)應(yīng)力懸索提供了壓重和平面外剛度。屋蓋的壓重和剛度，這兩點(diǎn)在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中尤為重要。

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項(xiàng)目所在地玉環(huán)市，處于風(fēng)荷載很大的沿海地區(qū)。相對而言，北京五十年一遇的基本風(fēng)壓是0.45kPa，而玉環(huán)是1.2kPa，玉環(huán)風(fēng)荷載約是北京的3倍。而且每年都會(huì)有威力可觀的臺風(fēng)“光顧”。因而這種下凹形式的屋面，能夠通過薄殼結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)較好地抵御向上的風(fēng)吸力，可以避免屋頂被吸上去。比單純增加屋蓋厚度來壓重效率更高。

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屋蓋的設(shè)計(jì)主要通過三方面控制配筋和截面尺寸：第一，根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度條件確定索構(gòu)件截面；第二，根據(jù)結(jié)構(gòu)的剛度條件確定混凝土殼的厚度；第三，根據(jù)風(fēng)荷載引起的殼面平面外彎矩配置普通鋼筋。

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最終施工的屋蓋厚度非常薄，對應(yīng)31.4m和17m跨度，分別采用了180mm厚和150mm厚，在接近支座位置，均逐漸加厚到300mm。在31.4m跨度的情況下若使用常規(guī)梁板結(jié)構(gòu)屋蓋設(shè)計(jì)，如采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁500mm×1500mm，混凝土屋面板厚120mm，折算厚度達(dá)到31cm/m2。而本項(xiàng)目平均厚度僅需18.9cm/m2?？梢婎A(yù)應(yīng)力索-殼組合結(jié)構(gòu)屋蓋不但形態(tài)輕薄，兼具較好的經(jīng)濟(jì)性。

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型魚腹梁樓蓋設(shè)計(jì)

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為了與屋頂?shù)南掳记鎱f(xié)調(diào)一致，二層樓蓋的建筑形式也要求采用下凹曲面。然而從使用功能出發(fā)，二層的建筑地面應(yīng)該是平整的。即一樓的天花板為下凹形式，二樓的地面為平板形式。這給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了不小的難度。

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如果從常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，二層樓蓋做成梁板結(jié)構(gòu)的平板樓蓋，下面的曲面造型由建筑專業(yè)用吊頂解決，設(shè)備管線在吊頂中“消化”，是最為簡單的結(jié)構(gòu)方案。然而，這樣可能給建筑帶來一些構(gòu)造問題，吊頂做成后效果也肯定不是清水混凝土的感覺。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮到由于頂部的大跨度懸索結(jié)構(gòu)會(huì)給兩側(cè)墻體造成向內(nèi)的較大側(cè)推力，使得中間這層樓板就處于壓彎狀態(tài)。而二層樓蓋不論作為壓桿，還是作為受彎構(gòu)件跨中承受較大的彎矩，跨中都需要截面較大。而兩端支座處彎矩較小，梁高也可以相對較小，由剪力控制。因此，魚腹形狀恰好是這層梁需要的形狀，魚腹梁的幾何形狀具備充分的合理性。

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魚腹梁除了結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)勢，還形成了較大的箱型使用空間，可以將設(shè)備專業(yè)管線隱藏其中；魚腹梁上開若干孔洞，便于設(shè)備管線穿行，減輕結(jié)構(gòu)自重；較大的結(jié)構(gòu)空腔，提高了上下層間的隔聲性能；結(jié)構(gòu)用料也比較經(jīng)濟(jì)，31.4m結(jié)構(gòu)凈跨混凝土折算厚度約43.4cm/m2。

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魚腹梁施工過程中采用二次澆筑。第一次澆筑魚腹梁下翼緣、下層混凝土曲板和腹板，第二次澆筑上翼緣及預(yù)制板上的疊合層。

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支撐墻體設(shè)計(jì)

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為了給拉索提供支承，在矩形平面的兩端結(jié)合建筑功能布置多道平行的鋼筋混凝土剪力墻，各剪力墻之間通過擴(kuò)大其端部邊緣墻體厚度和設(shè)置高連梁使得建筑平面端部形成筒體。一方面滿足結(jié)構(gòu)豎向和側(cè)向抗力要求，另一方面為建筑提供了可供靈活布置的大空間，從而形成鋼筋混凝土剪力墻的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。

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基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

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場地原始地貌單元屬海岸平原。地表面平坦，場地內(nèi)地基土埋深、層厚變化較大，性質(zhì)差異較大，屬于不均勻地基，場地內(nèi)有較深厚的淤泥土層。結(jié)合本工程淤泥較厚，持力層較深的特點(diǎn)，并考察當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)施工經(jīng)驗(yàn)和樁基施工成熟度，本工程基礎(chǔ)采用直徑800mm樁徑的鉆孔灌注樁，并采用樁端樁側(cè)后壓漿以提高承載力。

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由于懸索屋面通過預(yù)應(yīng)力鋼索與墻體連接，結(jié)構(gòu)墻體受到偏拉作用，因此墻體在基礎(chǔ)位置存在較大彎矩，為平衡此彎矩采用偏心布樁，而不是將承臺的幾何形心與墻體的幾何形心重合，基本滿足規(guī)范群樁重心與恒載重心重合的要求。

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張拉過程分析

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屋蓋結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力加載方案，有兩種選擇。

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傳統(tǒng)方案是：安裝預(yù)應(yīng)力索——調(diào)索（用千斤頂調(diào)整索的垂度）——鋪預(yù)制混凝土板——加荷載（用紅磚壓重）——再調(diào)索——灌縫（細(xì)石混凝土）——卸荷——做保溫防水層。這種方案優(yōu)點(diǎn)是施工簡單，受力原理清晰。缺點(diǎn)是需要通過后期修飾和吊頂來遮蓋預(yù)制板和后澆縫，無法做成清水混凝土，拉索位于板下部，屋蓋整體性略差。

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玉環(huán)項(xiàng)目的施工方案是：采用緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，將預(yù)應(yīng)力索布置在反曲屋面的樓板截面形心，反曲屋面整體澆筑完成并待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再張拉預(yù)應(yīng)力。這種施工方案，將在屋面下部形成完整的清水混凝土效果，無需進(jìn)行多余的吊頂處理。

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然而這種張拉方案，會(huì)讓人有以下的擔(dān)憂：一是，兩邊剛度那么大的墻體，在向外張拉時(shí)，預(yù)應(yīng)力是被墻“吃”掉了還是加到板上了？如果被墻“吃”掉，板上沒有預(yù)應(yīng)力，拆模后整個(gè)下凹曲面殼體結(jié)構(gòu)就會(huì)開裂嚴(yán)重；二是，張拉預(yù)應(yīng)力時(shí)，板中會(huì)不會(huì)產(chǎn)生很大的彎矩作用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師和預(yù)應(yīng)力廠家做了一系列數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)，如果屋面是平板的，預(yù)應(yīng)力是加不到屋面板上去的，只有墻變形之后板才能受壓；但對于反曲的板而言，在張拉過程中，由于板的平面外剛度比墻體平面內(nèi)剛度小得多，板的底部會(huì)不斷上移，使板處于受壓狀態(tài)，也就是預(yù)應(yīng)力確實(shí)加到了板上。這種加載模式也基本符合R.B.B.Moorman提出的預(yù)應(yīng)力作用的等效荷載法理論。

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總結(jié)：本項(xiàng)目將建筑師對于外形設(shè)計(jì)的追求和結(jié)構(gòu)師對于力學(xué)設(shè)計(jì)的理解深度融合，又將設(shè)備管線用“藏”的方式被結(jié)構(gòu)構(gòu)件遮蓋，形成了所見即結(jié)構(gòu)的建筑效果，探索出了一條形與力相得益彰的建筑設(shè)計(jì)之路。

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