结构成就建筑之美-某单层网壳雨棚的结构选型

结构成就建筑之美-某单层网壳雨棚的结构选型

丘友威[1]

（1.广东省建筑设计研究院有限公司，广州，510010）

摘要：某展馆项目在南北两馆之间设计了一条狭长的通廊雨棚，该雨棚采用单层网壳的结构形式，详细介绍了该结构的选型和计算流程。在设计过程中，结构专业提出了四种可行的结构方案（包括有索和无索），并与建筑专业展开了密切的协同设计。最终，决定采用均一网格的无索壳体方案，实现了结构设计与建筑效果的高度统一，在保证结构受力高效合理的前提下，节约了钢材，立面三没有多余的结构构件，使建筑造型呈现出优美、舒展的效果。

关键词：单层网壳结构；结构设计；建筑美学，协同设计

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0引言

随着建筑美学的发展和社会对建筑品质的不断追求，结构设计不能只顾于单一的学科领域，而是需要多学科的协同合作[1][2]。单层网壳结构作为一种常见结构形式，具有轻量化、高效性、美学性等特点，还能够充分体现现代建筑的时代精神和文化内涵，满足各种建筑造型的设计需要。单层网壳结构已经被广泛应用于体育馆、会展中心等大跨度建筑中，成为了建筑设计的重要结构形式。在单层网壳结构的设计与施工中，结构设计和建筑设计的配合、协同和创新是单层网壳结构设计成功的重要保证[3]-[5]。

本文以某单层网壳雨棚为例，探讨了结构与建筑专业在单层网壳结构设计中的协同作用。通过建筑专业提供的雨棚轮廓，结构专业提出几种不同的结构方案，并针对这些方案进行分析计算，通过比较结构设计结果，总结出各方案之间的优缺点，反馈给建筑后通过建筑专业的三维建模，直观得到不同结构方案的实际造型效果，全面地对不同方案的结构造型、造价、建筑美学效果等各方面进行了评估，经对不同索承体系和不同网格壳体的比选，结合建筑玻璃模数和整体通透性，确定采用均一网格的无索壳体方案，最终成品的结构设计与建筑效果实现了高度统一，在结构受力高效合理的前提下，做到了节约钢材，立面上没有多余的结构构件，建筑造型优美舒展。

1工程概况

某展馆工程位于广东省广州市，在南北两馆之间设计了一条狭长的通廊雨棚，雨棚全长约为500米，宽27米，采用单层网壳形式。网壳采用斜交网格形式，尺寸为3.7m~4.2m，屋面板为玻璃板并需要结构预留光伏板荷载，网壳的支撑为变截面直缝管形成的树形柱，设计使用年限为50年，抗震设防烈度为6度（0.05g），建筑场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，特征周期为0.35s，由风洞试验结果确定正负风压取值。

图 1 某工程单层网壳雨棚建筑效果与结构模型图

2结构与建筑协同设计原则

结构与建筑专业的协同设计是确保该单层网壳结构中得以安全、高效、美观实现的关键。本工程在单层网壳雨棚的设计中拟定了以下设计原则。

2.1安全性原则

在协同设计中需保证建筑物的结构安全为首要前提。设计应根据建筑物的用途、场地环境、气候条件等因素，制定合理的结构选型方案，确保单层网壳结构的结构稳定、承载力满足要求、变形不超标。

2.2美学性原则

在保证结构选型合理的前提下，追求建筑美学与结构的设计统一，充分发挥出单层网壳结构高效、灵活、空间感强的特点。在结构力学和建筑美学之间寻找平衡，确保建筑物在视觉效果上达到最佳的效果。

2.3可持续性原则

协同设计应该遵循可持续发展的理念，尽可能地减少对自然资源的消耗，降低建筑物的能耗和碳排放量。例如，在单层网壳结构的设计中，对于结构专业应当进行合理的构件布置、荷载取值避免过度设计造成材料浪费；对于建筑专业采取安装光伏板等利用太阳能等可再生能源以减少能源消耗，提高能源利用效率。

2.4实用性原则

以实现建筑物的功能为目标，设计需要根据建筑物的用途、功能等因素，制定合理的结构设计方案，确保单层网壳结构能够满足建筑的功能要求。

2.5可维护性原则

在结构与建筑专业的协同设计中，需要充分考虑单层网壳结构的维护问题，制定相应的维护计划，确保单层网壳结构的长期稳定性和使用寿命。

3结构方案的选型与设计

在得到建筑雨棚造型轮廓后，结构专业进行试算得到斜交网格尺寸并提出如下四种结构形式的方案进行比选，结构计算模型，恒荷载取值为1.0kN/m2，活荷载为0.5kN/m2，风荷载2.1 kN/m2（风吸）和0.4 kN/m2（风压）。

3.1方案一：拉索+中心撑杆方案

方案一由拉索+中心撑杆组成，如图 2所示：

图 2 拉索+中心撑杆方案（用钢量827t）

3.2方案二：拉索张弦梁方案

方案二为拉索张弦梁方案，如图 3所示：

图 3 拉索张弦梁方案（用钢量829t）

3.3方案三：均一网格方案

方案三为均一截面网格无索方案，所有网壳杆件截面尺寸相同，个别通过改变截面厚度满足计算要求，如图 2所示：

图 4 均一网格方案（用钢量801t）

3.4方案四：大小网格方案

方案四为由相同网格的不同截面大小的构件组成，如图 5所示：

图 5 大小网格方案（用钢量761t）

3.5结构计算结果

结构计算分析采用了MIDAS Gen有限元分析软件进行分析。

3.5.1方案一计算结果

图 6 方案一：拉索+中心撑杆方案变形（1.0D+1.0L）

图 7 方案一：拉索+中心撑杆方案应力比（>0.6的构件）

3.5.2方案二计算结果

图 8 方案二：拉索张弦梁方案变形（1.0D+1.0L）

图 9 方案二：拉索张弦梁方案应力比（>0.6的构件）

3.5.3方案三计算结果

图 10方案三：均一网格方案变形（1.0D+1.0L）

图 11方案三：均一网格方案应力比（>0.6的构件）

3.5.4方案四计算结果

图 12 方案四：大小网格方案变形（1.0D+1.0L）

图 13 方案四：大小网格方案应力比（>0.6的构件）

3.6方案对比

根据结构计算结果，索方案一和二变形较为一致，索支撑部位的网架变形小，在20mm左右，索未支撑的区域变形大，在80mm左右。方案三网壳中部变形在80mm左右，且呈连续、狭长的变形分布。方案四大截面构件交点处变形约为90mm，但大网格中心变形很大，在150mm左右。索方案一和二应力比基本保持一致，有索方案对柱子的受力要求较高。方案三的主要棚面仅在悬挑段和柱子支承处采用厚截面，构件的应力比也能较为理想，同时柱子受力也较好。方案四中，与大截面相连的小截面构件应力比难满足，若采用铰接形式，将进一步增加大网格的中部变形。

比选结构四种方案，根据计算结果，得出如下结论：

（1）索方案一和二变形和应力比都较为一致，相比于无索方案，索方案的主要优点是能显著减小变形，但由于中心撑杆的存在，雨棚下部空间受到限制，不利于空间利用；

（2）无索方案三和四变形较大，但在相同构件情况下，其构件应力比、对柱子的影响要好于有索方案；

（3）采用大小网格形式时（无索方案四），大网格中部的变形非常大，同时与大截面相连的网壳构件较为不利，应力比较高；

（4）为满足建筑效果和良好的结构受力，通廊光棚结构推荐采用无索方案三。

4建筑效果反提

结构经计算分析最终确定四种形式的网壳结构，提资建筑后，建筑专业经建模，四种方案效果图如所示。

图 7 方案一：拉索+中心撑杆方案

图 9 方案二：拉索张弦梁方案

图 11 方案三：均一网格方案

图 13 方案四：大小网格方案

从效果图来看，最终决定采取方案三：均一网格的无索壳体方案作为最终设计方案。成品建筑造型简洁，结构构件造型即为建筑效果，结构设计合理，建筑设计美学达到最大化。

5结论

本文以某单层网壳结构设计方案的分析和比较，最终确定了以无索壳体方案作为最佳设计方案。该方案不存在拉索和支杆，所有网壳杆件截面尺寸相同，通过改变截面厚度满足计算要求，能够满足建筑效果和结构受力，具有造型简洁和美观的优点。在设计中，设计充分考虑了结构和建筑效果的配合，最终成品实现了结构受力合理可行，同时也满足建筑美学的效果要求。

参考文献

[1]李彦鹏,周健. 参数化技术在结构设计中的应用[J]. 建筑结构,2022,52(10):142-147.

[2]彭礼. 结构成就建筑之美——南昌·旭辉中心示范区结构设计[J]. 建筑与文化,2021(2):22-29.

[3]张帆,罗赤宇,王金锋,等. 广州金融城交通枢纽复杂曲面网壳结构设计关键技术[J]. 建筑结构,2022,52(21):104-110.

[4]陈志华,徐皓,王小盾,等. 天津于家堡大跨度单层网壳结构设计与分析[J]. 天津大学学报,2015(z1):91-95.

[5]赵立. 某异型单层网架结构采光顶结构设计[J]. 钢结构,2017,32(6):69-72.

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