浅谈世博会主题馆中的钢结构设计

内容摘要：上海世博会主体馆作为2010年上海世博会的永久保留建筑，其设计包含了三大中国之最：跨度最大、单体太阳能屋面最大、绿化墙面最大。本文重点介绍了世博会主题馆中西侧展厅的钢结构设计，结合实际情况，分析钢结构方案的选择。

关键词：主题馆；西展厅； 钢结构

1、世博会主题馆整体结构概述

世博会主题馆是2010年上海世博会的“一轴四馆”中核心建筑群的一部分。其中，主题馆的东西向长度为288m，南北向宽度为216m，约有8.0万的地上建筑面积、4.8万的地下建筑面积。主题馆的建筑造型遵循“城市屋面肌理”和“里弄”基本思路，以“折纸”的特殊形式，分别形成了从二维平面到三维立体空间的转换。世博会主题馆的整体面积呈矩形，根据建筑功能的不同，将其分为西侧展厅、中厅和东侧展厅，西侧展厅作为室内无柱大空间，是目前我国跨度最大的展厅之一；中厅在东侧和西侧展厅之间，其东西方向的跨度约36m、南北两侧的挑檐悬挑长度是18.9M；东侧展厅的东西向跨度是90m，在跨中部位沿着南北方向布置了一排柱子，分别将东侧展厅分割成2个空间，室内为2层结构，在局部位置设置了夹层，发挥辅助用房的作用。

另外，在主题馆的设计中，包含了三大中国之最：一是建筑的跨度最大，其中西侧的2号展厅和3号展厅是108m×126m的矩形无柱大跨度空间；二是单体太阳能屋面最大，太阳能板的面积约为3万；三是绿体墙面最大，其中东西两侧立面的生态绿化墙面积达到6000。

2、西侧展厅钢结构设计分析

针对西侧展厅大跨度的特殊性，在设计初期，共提出了三种结构方案，即：单向张弦桁架方案；双向张弦桁架方案；巨形框架方案。以下将对具体方案内容进行分析:

方案一：单向张弦桁架方案

在方案一种，沿着屋盖的东西方向布置了9榀跨度为126m的张弦桁架。张弦桁架的上弦刚性结构是三角形，高与宽均为3m；下弦则设置了2根拉索，以此强化整个结构的钢度承载力；同时也带来了复杂的节点构造及施工张拉困难等缺陷；每根拉索分别由3个索段组成，在折点位置，利用两组高度8.5m的撑杆体系和上部桁架连接成为整体，形成一个高11.5m的张弦桁架。两组空间的撑杆沿着跨度居中布置。整体126跨桁架，变成了由中间两组索撑构成的弹性3跨支撑连续梁。这种方法与传统的张弦结构相比，改变了多撑杆的索称体系。这种索称体系，更加集中刚性上弦的弹性支撑力与卸载作用，提高了预应力的效率，具有结构承载性能的优化作用。

方案二：双向张弦桁架

考虑到西侧展厅的平面投影是144m ×180m的矩形，长宽比是1:0.8，因此适宜采取双向传力的方式，以提高屋面竖向的刚度，减少跨中竖向位移。在该方案中，又沿着180m的跨度方向增加了纵向张弦桁架。

方案三：巨形框架方案

在该方案中，沿着西侧展厅屋盖的126m跨度方向，每18m间隔布置一个巨型框架，框架的梁高为8m，跨度比为1:15.7，主要采取人字形腹杆布置；两侧框架的格构桩截面高度参考西侧展厅的两侧附属用房实际，采取交叉斜杆的格构柱腹杆布置方式，可有效传递水平剪力。另外，为了提升巨型框架的竖向承载力，还在梁与柱相交的位置设置了斜撑。

表1：西侧展厅屋盖钢结构方案对比

结构方案 结构高度

m 跨中竖向变形

mm 支座推力

Kn 用钢量

Kg

方案1

（单向张弦桁架） 11.5 -368 22 101

方案2

（双向张弦桁架） 11.5 -426 54 189

方案3

（巨型桁架） 8.0 -262 1940 94

如表1所示，对三种设计方案的性能进行了对比；以结构效率为出发点，第三种方案相对占据优势，其竖向的钢度大、结构高度小；而第二种双向张弦桁架方案则与其恰好相反，不仅没有对屋面的竖向高度增力，而且提高了自身重量，结构效率相对较差，而用钢量又大于第一种方案。

在巨型框架结构中，梁线的刚度明显小于柱线刚度，因此在该方案中的巨型框架梁等同于两端固结梁的的效果，因此该方案中的竖向结构刚度良好；而在方案二中的双向张弦桁架方案，其跨度达到180m，但是结构中允许的高度仅是11.5m，出现了1:15.6的失跨比。可见，纵向张弦桁架的自身竖向高度已经不能达到变形要求，反倒增高了屋盖结构竖向的荷载力。从对下部结构的影响程度来看，张弦桁架方案的竖向荷载力为自平衡，可以实现屋盖结构向下的水平推力作用，进而降低下部支撑的设计难度；在巨型框架方案中，柱底的反力在最不利于荷载工况的情况下为1940Kn，此时上部结构对基础推力的作用较难处理。

以建筑物的整体效果来看，在张弦桁架方案中，利用了较为纤细的拉锁，利用两道撑杆架起整个桁架，体现了屋盖的刚柔并济，室内极具震撼力，效果良好，同时张弦桁架下部的拉索中间位置拉平处理，带来较好的视觉效果，对主题馆永久保留之后的更多使用功能带来方便；鉴于此，在巨型框架方案中，由于涉及到各种交叉腹杆，将对整体使用功能产生影响，结构布局与建筑功能产生了冲突，降低空间利用率，因此该方案不宜采用。

结合上述综合分析，最终西侧展厅的钢结构设计选取了第一套单向张弦桁架结构方案，既实现了钢结构的性能要求，也体现了建筑功能的强大性。

参考文献：

[1]赵园涛、朱连庆.上海世博会主题馆钢屋盖管桁架滑移技术[J].施工技术.2010（8）

[2]南俊、禹慧、龚进.世博会城市最佳实践区C-2场馆钢结构设计要点[J].建筑结构学报.2010（5）

[3]石永久、白音、王元清.大空间钢结构的防火设计与防火涂料选用[J].新型建筑材料.2005

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。