某天街项目大跨异形采光顶的设计要点分析

某天街项目大跨异形采光顶的设计要点分析

郑平

（

深圳集智数字科技有限公司龙湖集团商业研发中心，北京100029 广东 深圳 518000）

摘  要：在当前健康建筑和节能减排政策大力推行环境背景下，人们对建筑室内热舒适、光环境和建筑能耗都有了更高的要求。因此玻璃采光顶在公共建筑中的应用较为广泛。本文以重庆礼嘉某天街项目采光顶设计为例，从体系选型、建筑物理与采光、结构分析等方面对大跨异形采光顶的设计要点进行分析，以期为同类项目设计提供参考。

从建筑空间尺度和经济性维度阐述采光顶结构形式及几何形态选择的出发点，从商业项目后期运营节能、室内舒适度、维护和经济性维度阐述采光顶建筑物理性能与采光的平衡与取舍，在确定采光顶结构形式、几何形态和遮阳形式以后，从矢跨比、杆件连接节点和整体稳定性维度进行单层网壳结构分析。

关键词：天街项目；大跨；异形采光顶，；单层网壳，；建筑物理，日照，遮阳结构分析

前言

礼嘉天街位于重庆两江新区礼嘉-照母山片区，作为礼嘉商圈60万平方米滨水低密商业中的核心部分，礼嘉天街项目辐射5KM范内的常住人口超过55万、品质楼盘达到132个、别墅39个、洋房/大平层项目57个，高层36个。在客群的优质性与区域品质商业的空白之间，我们看到了“高客质、大客群、高需求”的巨大潜力，礼嘉天街「精选你的生活」这一项目定位，奠定了礼嘉天街项目运营的核心战略。引入重庆首家山姆会员店，为重庆人民提供品质生活，首次在龙湖商业引入近万平米的玻璃采光顶，与周边的自然资源相互呼应，形成“滨水+商业”、“一半山水一半城”的商业消费体验。

1项目概况

某天街项目位于重庆两江新区某片区，天街项目作为商圈60万平方米滨水低密商业中的核心部分，辐射5KM范围内的常住人口超过55万、品质楼盘达到132个、别墅39个、洋房/大平层项目57个，高层36个。在客群的优质性与区域品质商业的空白之间，存在“高客质、大客群、高需求”的巨大潜力，这一项目定位，奠定了该天街项目运营的核心战略。引入重庆首家山姆会员店，为重庆人民提供品质生活，首次在天街中引入面积约10000m2的玻璃采光顶，与周边的自然资源相互呼应，形成“滨水+商业”、“一半山水一半城”的商业消费体验。

2.1 项目所在地：中国重庆

2.2 地面粗糙度：B类

2.3 采光顶总展开面积约10000平方米

2采光顶几何形式及结构体系几何形式选型

3.1     该项目采光顶的根据建筑师的最初设想，项目结构形式为平顶采光顶方式，最大跨度40m。但考虑到提升用钢量的有效性和控制杆件尺寸从而保证优秀的建筑外观，并从建筑空间尺度和经济性维度，对比了不同的几何形式及结构体系。

2.1平顶井字梁体系

平顶井字梁体系。通过平直的交叉井字梁布置平顶，杆件受力主要以抗弯为主，杆件在两段由柱支撑形成简支体系。除传递自重和风荷载外，对主体结构无更多附加荷载。杆件尺度200mm宽x850mm高，整体用钢量水平180-220kg/sqm，用钢量水平较高。

2.2平顶预应力梁体系

通过平直的交叉井字梁布置平顶，利用檐口位置的出挑在檐口端部设置预应力拉索，拉索的预应力张拉使得刚性杆件弯矩重分布，降低跨中弯矩。杆件受力主要以抗弯为主，杆件在表现为连续梁力学行为。除传递自重和风荷载外，主体结构在柱根部和拉索根部会增加垂直荷载，需要与LDI结构设计单位深度配合。杆件尺度150mm宽x600mm高，整体用钢量水平120-160kg/sqm，用钢量水平略偏高。

2.3拱顶单层网壳体系

通过1/6-1/8矢跨比形成双曲自由曲面拱，杆件节点刚接。杆件受力主要以轴力为主从而充分利用杆件截面强度达到最小化杆件尺度的目的。两侧支座位置对主体结构有一定水平推力。杆件尺度80mm宽x250mm高，整体用钢量水平80-100kg/sqm。用钢量水平属于比较经济的范围。

单层网壳结构体系成熟而有利，对于控制杆件尺寸及用钢量都有较大帮助，但需要重点考察体系的整体稳定性。

综上三个方案考虑，单层网壳结构体系成熟而有利，对于控制杆件尺寸及用钢量都有较大帮助，但需要重点考察体系的整体稳定性。我们最终选择了有一定拱高的单层网壳结构体系方案，以便达到建筑尺度关系控制及经济性的平衡。

3 建筑物理与采光

结构形式及几何形态仅仅是控制项目采光顶的关键因素中的一环。综合考虑项目所在地的实际情况，周边建筑的相互遮挡关系，同时充分利用可利用的天光日照而又不为其不利的日照光线影响，同样也是非常重要的。因此，我们一下进入建筑光环境分析流程，以便获得最优的采光顶物理性能。

3.1日照关系

项目采光顶的南侧靠西有两栋高层住宅，除此之外的遮挡关系相对简单。因此利用BIM技术我们将整个项目的体量关系创建三维模型，如下图1。

图1 项目的体量关系三维模型图

同时，如上图1所示，所能看到的，发现采光顶的短跨随着其位置变化而变化。出现这种现象的原因主要有两个：一方面在结构上

我们需要通过一定的矢跨比获得良好的结构行为，；另一方面变化的跨度和矢跨比控制天然形成了一个自由曲面状态，该自由曲面本身即是基本的结构形式，同时也是建筑的表达形式。如下图：。

采光顶的在设计过程中，逻辑基本是主要考虑尽可能多的天光自然采光能进入室内，从而给室内带来宽阔的视觉及光环境感受。尤其在冬季，较多的日照自然光还能有效降低能耗。但夏季我们却期待较少的日照光线进入室内或者，尽可能是间接日照而不是直接日照。

得益于冬夏季的日照高度不同，同时受本项目南侧和西侧的建筑遮挡关系的影响，我们分析采光顶不同形态下各个不同位置的日照辐射得热，按照根据不同的得热情况综合分析后开展下一步的设计工作。

经分析的全年直接阳光辐射得热分布如下图：

我们可以看到，本项目的直接阳光辐射得热较高的区域集中在西南侧，而得益于采光顶本身的几何形态以及建筑物之间的遮挡关系，位于高层建筑一侧的东南方采光顶，以及东北侧采光顶区域，其全年阳光直接辐射得热值处在一个较低的水平范围内。

3.2第五立面生成原则

依据上述3.1分析结果可知，我们开始讨论对基于日照辐射分布的第五立面生成原则进行分析。初步的方向是，：将网格划分好以后结合最大的辐射值及最小辐射值，中间差值考虑4种不同状态，总计6种不同的状态。

假定最大辐射值为100，最小辐射值为0，中间差值考虑分别为20，40，60，80。那么，我们可以分别就0-100辐射值范围内的网格划分对应不同的设计语言。虽然最终可能形成了一个表面上看上去随机的建筑肌理，但该建筑肌理则与日照辐射本身却是形成了对应关系。

结合Rhino+GH参数化手段，我们初步给出两种不同的方案，该两种方案均能较好的反馈日照直接辐射与面板所在位置的关系。

3.3第五立面的两种方案

方案一（：结合日照辐射布置的铝板遮阳。）

结合Rhino+GH，辐射范围从0-100的6个级别我们分别定义其出现铝板遮阳而不是玻璃采光顶的概率为0%，、20%，、40%，、60%，、80%，、100%，这样我们就能获得一个具备一定随机性，但随机概率则与阳光直接辐射得热相关联的第五立面方案。

经过GH运算后，其大概的布置情况如下图2所示：

图2 铝板遮阳布置情况图

而在再次考虑直接阳光辐射值时，我们可以发现，其能有效遮挡夏季不利的直接阳光辐射得热，而又能同时在合适的时间段获得良好的日照采光。以达到建筑外观、建筑物理性能及采光顶设计需求有效结合统一的目标。日照辐射分析结果如下图：

方案二（：菠萝皮布置方案。）

同样，我们也可以考虑将遮阳立体化，而不是简单的将玻璃替换成铝板。如之前所述，我们结合Rhino+GH，辐射范围从0-100的6个级别我们分别定义其菠萝皮铝板外遮阳的高度分别为0mm，、40mm，、80mm，、120mm，、160mm，、200mm，这样我们也就能获得一个具备一定随机性，但随机概率则与阳光直接辐射得热相关联的第五立面方案。

局部的菠萝皮遮阳经过结合日照辐射布置情况分布后，如下图3所示。

完整的布置情况，如下图所示

图3 局部菠萝皮遮阳布置情况图

考虑遮阳效果后的光环境分析情况如下：

 经综合对比上述两个方案，方案一的遮阳效果直接而有效。且实现成本较低，工艺难度也较低。而方案二，因其菠萝皮立体的造型带来的工艺上相对复杂，同时方案二可以被认为是两层构造，除了菠萝皮遮阳铝板外，仍然需要一层玻璃构造，其成本也较方案一增加较多。因此，最终我们选择方案一继续深化。

4 单层网壳结构分析 

4.15.1单层网壳结构体系主要特征

5.1.1（1）杆件连接节点至少应该是半刚半铰的模型，理想状态是全刚接模型，在节点构造上需要有合理的考虑。

5.1.2（2）因矢跨比的不同，体系对于周边混凝土主体结构会带来一定的水平推力，矢跨比越小水平推力越大，因此找到合适的矢跨比将反力控制在合理范围同时也能将主要的杆件尺度控制在合理范围

5.1.3（3）单层网壳的整体稳定性是非常重要的思考方面，局部杆件的静力计算往往能显示出色的力学分析结果，但整体稳定是类似结构体系的重要关注点。

4.2稳定性分析计算分析

整体模型

支座约束

基本的变形和应力

以下为挠度组合工况三变形最大值：

以下为温度工况下的支座位移情况：

以下为杆件强度校核：

以下为连接节点的应力校核：

稳定性分析    

结构体系采用的是天幕钢结构，此钢结构为单层网壳结构，根据规范规定，计算过程为：①取单工况荷载标准值下计算结构总反力；②计算单工况下结构第一阶屈曲变形；③取第一阶屈曲变形形状并放大至跨度的1/300作为初始缺陷，即umax=19250/300=64.2 mm。④在初始缺陷下，考虑材料非线性，对结构进行全过程非线性分析，获取位移荷载曲线。⑤找到失稳点及对应的支总反力，对比单工况反力，计算得到其安全系数。

4.2.1活荷载稳定分析

（1）上部半跨活荷载下稳定分析结构塑性铰指定如下：

上部半跨活荷载下稳定分析

上部半跨活荷载时结构反力：

     结合相关数据，计算出

上部半跨活荷载反力为：Fz=5180-4230=950 KN。

屈曲计算：

第一阶屈曲变形大位置在中庭位置。

根据屈曲计算，第一阶屈曲变形大位置在中庭位置，稳定分析结果曲线图如图54：

图54 上部半跨活荷载下稳定分析稳定分析结果曲线图

结构失稳点反力为Nz=12059 KN，

安全系数K=12059/950=12.69＞2.0.满足。

由此可见，上部半跨活荷载稳定满足要求。

（2）（）下部半跨活荷载稳定分析

    结合相关数据，计算出下部半跨活荷载时结构反力：

半跨活荷载反力为：NZ=5048-4231=817 KN。

屈曲计算：

根据屈曲计算，第一阶屈曲变形大位置在中庭位置。

稳定分析结果曲线图如图5：

图5下部半跨活荷载稳定分析曲线图

保守的时，取结构出现塑性铰位置作为失稳点。

结构失稳点反力为Nz=8173 KN

安全系数为：K=8100/817=9.91＞2.满足。由此可见，

下部半跨活荷载稳定满足要求。

（3）满跨活荷载时稳定分析

结合相关数据，计算出满跨活荷载时结构反力：

满跨活荷载下反力为：Fz=6000-4230=1770 KN。

根据屈曲计算：，

第一阶屈曲变形大位置在连廊位置。

稳定分析结果曲线图如图6：

图6 满跨活荷载时稳定分析曲线图

当极限承载力时，第11步反力为：Fz=31539 KN，

则其安全系数为：31539/1770=17.81 ＞2.0.满足要求。由此可见，

满跨活荷载稳定满足要求。

4.2.2风压稳定分析

（1）正风压时稳定分析

结合相关数据，计算出正风压荷载时结构反力：

风荷载正压反力Fz=5915-4230=1685 KN

根据屈曲计算，屈曲计算：

第一阶屈曲变形大位置在连廊位置。稳定分析结果曲线图如图7

稳定分析结果：

图7 正风压时稳定分析曲线图

塑性铰出现处正风压安全系数为：K=18476/1685=10.96 ＞2，满足。由此可见，

正风压荷载时稳定满足要求。

（2）侧风压时稳定分析

侧风荷载是Y向反力，结合相关数据，计算出侧风压荷载时结构反力：

侧风荷载是Y向反力为：Fy=514 KN

根据屈曲计算，第一阶屈曲变形大位置在连廊位置。稳定分析结果曲线图如图8：

图8 侧风压时稳定分析曲线图

当屈曲计算：

第一阶屈曲变形大位置在连廊位置。

稳定分析结果：

塑性铰出现时，在第12步，竖向力Nz=8737 KN，前文反力只取了Y向反力，不能明确做比较，选取失稳节点，通过其运行步数及Y向反力曲线观察失稳曲线如下图9：

图9 观察失稳曲线图

由图9可以看出，第12步时，结构出现塑性铰，其Y向支座反力对应的为：Fy=3200 KN。

塑性铰出现处侧风压安全系数为：K=3200/514=6.2 ＞2.满足。

侧风压荷载时稳定满足要求。

综上所述，结构稳定性满足要求。5 结语

6现场实施

通过上述分析，本文项目采光顶钢结构及玻璃幕墙施工仍在作业过程中，对于本次采光顶的设计探讨将根据实际施工作业情况和最终的使用情况做进一步研究和总结。从建筑空间尺度和经济性维度进行了采光顶几何形态及结构形式选型，并从商业项目后期运营节能、室内舒适度、维护和经济性等维度阐述采光顶建筑物理性能与采光的平衡与取舍。通过分析，选用单层网壳结构体系，从矢跨比、杆件连接节点和整体稳定性等维度对单层网壳结构的稳定性进行分析。研究表明，单层网壳结构体系的结构稳定性满足要求。

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