永定客家纪念坛混凝土空间结构设计.pdf

浙江 建筑 ， 第 2 7卷 ， 第 1 1 期 ， 2 0 1 0年 1 1月 Z h e j i a n g Co n s t r u c t i o n，Vo 1 2 7，No 1 1，No v 2 0 1 0 永定客家纪念坛混凝土 空间结构 设计 S t r u c t u r e D e s ig n o f a Co n c r e t e H a k k a Co mme mo r a t iv e Al t a r i n Y o n g d i n g 周 嵘 ， 金 卫 明， 郑桂 花 ， 朱一峰 Z HOU R o n g J l N We i mi n g ZHE NG G u i h u a Z HU Y i -r e n g ( 杭州雅克汉方 建筑设计有 限公 司， 浙江 杭州 3 1 0 0 0 4 ) 摘要 ： 客家纪念坛是一座位于福建永定县世界 文化遗产 客家 土楼群 区的山地建筑 ， 其结构形式 是混凝土空 问框 架结构 。该 文针对 山地建筑及本工程体型的特点 ， 介绍了其风荷 载取值计算 ， 和用 Vis u a l L I S P语言进行空间建模 ， 用 P MS A P和 S A P 2 0 0 0进行 有限元计算分析 比较 ， 并采用空间曲面投影平法的表示 方法 。为类似特殊体 型的混凝土空 间结构设计 的建模 、 计算和 图纸表示提 供 了一种行之有效的方法。 关键词 ： 山地建筑 ； 混凝土空间结构 ； V i s u a l L I S P语言 ； 有限元计算 ； 曲面投影平法 中图分类号 ： T U 3 7 5 4 文献标识码 ： B 文章编 号： 1 0 0 8 3 7 0 7 ( 2 0 1 0) 1 1 0 0 2 5 0 3 1 工 程概 况 客 家 土楼 是 世 界文 化 遗 产 ， 也 是福 建 省 永定 县 的城市 名片 。客家 圣殿 项 目位 于永定 县城 的东 北方 向 ， 距离 永定 门约2 k m， 南 临永 定河 ， 朝 向东南 ， 地 势 由东南 向西北 逐步 升 高 ， 是 坐 落 于 山 南坡 的一 组 建 筑群 。它 是 陈列和 展 示 客 家 土楼 的场 所 ， 是 传 播 客 家文 化 的胜 地 。该 建 筑 群包 括 客 家 纪 念 坛 、 客 家 博 物馆 、 普 明寺 、 游 客服 务 中心等 等 。 客家纪 念 坛 建 筑 占地 面 积 1 5 0 2 m ， 建 筑 面 积 1 4 9 6 i n ， 建 筑高 度 ( 女 儿 墙 最 高 点 ) 3 4 5 4 m， 是 象 征客 家精神 与 文化 的神圣 殿堂 。平 面布 局取 意于 太 极 八 卦图 ， 立面 为螺旋 上 升的 片墙 ， 寓意 着客 家精 神 的腾 飞。纪 念坛建 筑效 果 图见 图 1 。 经 建筑 抽 象 后 的平 面轴 网 为一 个 中心 圆 、 两根 向外展 开并相 互包 含 的螺旋 线 和 中心 放射 线交 叉而 成 ， 平面最 大 宽 度4 7 2 m。空 间组 成 为 中心 圆拉 伸 成 正 圆锥 体墙 面 ， 螺 旋 线 拉 伸 成 向 中心倾 斜 且 相 互 乜 含的螺 旋 曲面墙 屋 面为 三 片 向 中心盘 升 的螺 旋 曲面 。 图 1纪 念 坛 建 筑 效 果 图 客 家纪 念 坛 结 构形 式 为 混凝 土 空 间 框架 结 构 ， 墙体 采 用 1 6 0 m m厚 混 凝 土 现 浇 板 ， 外 挂 石 材 ， 屋 面 为部 分现 浇混 凝 土楼 板 ， 部 分轻 钢 屋 面。 结 构 设 计 使 用年 限 1 0 0年 ； 建筑 抗震 设 防类别 乙类 ， 抗震 等 级 三级 ； 基 础 采 用 柱 下 独 立 基 础 ， 基 础 设 计 等 级 甲级 收 稿 日期 ： 2 0 1 0 0 70 4 作者简介 ： 周嵘 ( 1 9 6 9) ， 男， 浙江衢州人 ， 高级 程师 ， 从事建筑结构设计工作 。 2 6 浙江建筑 2 0 1 0年第 2 7卷 2建筑风荷载取值计算 本 工程 属于 山地 建 筑 ， 根 据 建 筑 结 构 荷 载设计 规 范 ( G B 5 0 0 0 9 2 0 0 1 ) 中 的 表 D 4 ， 基 本风 压按 福建省 龙 岩市 重现期 为 1 0 0年 的风 压 值 ， 取 0 4 5 k N m 。 地 几 A J 1 L d = 6 2 8 一 图 2 山 坡 实 际 尺 寸 示 意 图 面粗糙 度 为 B类 ， 离 地 面 高 度 3 5 2 I I 1 ， 屋 顶 风荷 载 高度 变化 系数 x =1 4 9 。山地建筑 ( 见 图 2 ) 风 压 高度 变化 系数应 考虑 地形 条件 ( 斜坡 ) 修正 为 ： 叼 ：【 + ，c x tg o ( 卜 ) = + 4 0 3 ( 一 ) =1 5 3 ( 1 ) 式 ( 1 ) 中， t g = 3 2 6 2 8= 0 5 1 0 3 ， 取 0 3 。 经修 正后 的屋顶 风荷 载高 度变 化系数 为 = B =1 53 X 1 4 9 ：2 2 8 圆形建筑整体计算时的风荷载体型系数取值 ： 由 = 2 2 8 x 0 4 5 x 4 7 2 = 2 2 8 6 0 0 1 5 H d= 3 5 2 4 3= 0 8 2 ， 取 = 0 0 8 d ， 则 = 0 8 。 根据文献 2 中7 4 1 条 ， H B= 3 5 2 4 0 5= 0 8 71 5 ， 不 考虑 风压 脉动对 结构 产生顺 风 向风 振 的影 响 ， 即 卢 =1 0 。 = 卢 ： Wo=1 00 8 X 2 2 80 4 5：0 8 2 1 3 V i s u a l L I S P程序在空间轴线建模 中的应用 根据该建 筑 的体 型特 征为 螺旋上升式 的复杂空间 曲面， 结 构设计 时 ， 通过 S k e t c h u p导 出三 维模 型 ， 再经 V i s u a l L I S P编程近 似取点， 建立初步计算模 型 。 施工图设计 阶段 ， 采 用多段相切 的变直径 圆弧来模 拟螺旋 曲线 ， 用多片相 切 的 圆锥 面 去模 拟倾 斜的 螺旋 曲面 。通 过不 断 调整 图 3 u a l LI S P生 成的 曲面网格 图 平面圆弧半径 R 1 1 ， 平 面圆弧起始角度 A 0 ， 单段 圆弧等 分数 ， 各 圆锥倾斜角度 n ， 空间曲线的起始高度 加 ， 曲 线高度 的变化角度 6 ， 以获得不 同的空 间曲面 ， 进行 拟 合 。结构专业编制 V i s u a l L I S P程序 ， 通过程 序计算 出 曲面上 的坐标 值 ， 并 将各坐标 值通过 线段连接生成 规 律变化的 曲面网格 ， 形 成三维 空间 的直观效 果 。该 V i s u a l L I S P生成的 曲面网格见 图 3 。由此 ， 最后确立相 对准确 的空间轴线模型 。以下为生成单 片曲面 网格的 V i s u a l L I S P程序语 言片段 ： ( S E T Q a( ( a P I )1 8 0 ) ) ； ； ； 圆锥倾斜角度 a转化成弧度 ， ( S E T Q d a( P I( 2 N ) ) ) ； ； ； 圆弧等分后的圆弧角度 ， ( $ E T Q b( ( b P I )1 8 0 ) ) ； ； ； 曲线高度 的变化 角度 b转化成弧度 ， ( S E T Q A0( ( A O P I )1 8 0) ) ； ； ； 平 面 圆 弧 起 始 角 度 A O转 化 成 弧 度 ， ( S E T Q r 0( ( h 0( C O S a ) )( S I N a ) ) ) ； ； ； 圆锥母线投影长度 ， ( S E T Q r 0(一 R 1 1 r 0 ) ) ； ； ； 锥顶 圆弧半径 ， ( S E T Q 1 0( ($ r 0 P I )(2 N) ) ) ； ； ； 锥顶 圆弧分段 长度 ( S E T Q P D 1( P O L A R O 0 A 0 R 1 1 ) ) ( S E T Q P D 1 1( P O L A R O 0 A 0 r 1 ) ) ( S E T Q P D1( L I S T ( C AR P D1 )( C ADR P D1 )0 ) ； ； ； 圆锥 母 线 底 坐标 ( S E T Q P U 1( L I S T( C A R P D 1 1 )( C A D R P D 1 1 )h O ) ) ； ； ； 圆锥母线顶坐标 ( C O MMA N D ” L I N E ”P D 1 P U 1” ” ) ； ； ； 在 C A D中画母线 ( S E T Q h l h 0 ) ； ； ； 数值传 递 ( S E T Q r l r 0) ( S E TQ 1 1 l 0) 4 P MS A P和 S A P 2 0 0 0软件结构分析及结 果比较 由于本 工程 的楼 面和三 个屋 面标 高相互 错落变 化 ， 没 有 明 确 的楼 层 概 念 ， 很 难 在 P MC A D 中建 模 ， 故只能用 A U T O C A D软件建立空间轴线模型 ， 然后 直接导 入 到 P M S A P软 件 中建 立 空 间结 构 模 型 。结 构规则 性 按 平 面 立 面 均 不 规 则 ， 地 震 作 用 考 虑 X Y 水平地 震及 双 向地震 扭转 效应且 自动计算 最不利 的 第 1 1 期 周 嵘等： 永定客家纪念坛混凝土空间结构设计 2 7 地震 作用 方 向角 ， 楼 板全 定义 为 弹性楼 板 ， 周 期折 减 取 0 7 ， 考虑 PA效 应 。空 间结 构梁柱 模 型实体 轴 测 图见 图 4 ， 第 一 振 型 下 结 构 变形 彩 色 云 斑 图 见 图 5 。考虑 到 本 工 程 结 构 比较 复 杂 ， 另 外 用 S A P 2 0 0 0 软件 建立 计 算 模 型 ， 进 行 内力 计 算 和 变 形 分 析 ， 并对 其计算 结果 进 行 分 析 比较 ， 计 算 结 果 的主 要 参 数见 表 1 。 图 4空 间结 构 梁 柱 模 型 实体 轴 测 图 图 5第 一 振 型 下 结 构 变 形 彩 色 云 斑 图 表 1 两种软件计算结果对 比 如表 1 所 示 ， 用 两种 软件 建立 的力 学模 型 ， 计 算 结 果 的主要参 数基 本一 致 。说 明用 空 间结构 模 型对 复 杂混凝 土空 间结 构进 行模 拟并通 过 分析计 算 的结 果 是可靠 的 。 5空 间结 构 按 曲面 投 影 平 法 表 示 本工 程各楼 、 屋 面标 高 比较 复杂 ， 1 层 结 构 平 面 图标 高 一 0 0 5 0 m， 夹层 结构 平面 由 1层 至4 3 5 0 m， 由标 高变 化 的大坡 道 和局 部 楼 面 组 成 ， 屋 面 一 标 高 变 化 从 4 2 5 2 m到 9 5 0 0 m， 屋 面 二 标 高 变 化 从 5 7 7 8 m到1 2 9 0 3 m， 屋 面 三标 高 变化 从 1 2 8 3 5 m到 2 0 5 0 2 m。若用 传统 的按 各层 标高 画剖 视 图的 方式 画平 面图 。导致 一个 平 面 图纸 中存 在 多个 屋 面 ， 平 面 中多处 出现屋 面 与屋 面 重 叠 、 墙 面 与 屋 面 重叠 的 现象 ， 施 工人 员很 难看 清 图纸 ， 这 种传 统 的表示 方式 明显不 合理 。笔者 尝试 按每 个单 独 曲面投影 平 法表 示 ， 同时标 出所有 梁 柱 交 点 处 曲 面 的标 高 。使 得 每 个 曲面 的范 围明 确 ， 曲面模 板 、 板 配筋 、 梁 配 筋 的表 达变得 简单 明 了， 见 图 6 。 图 6按 曲面 投 影 平 法 表 示 的 屋 面 结 构 平 面 图 需要 注 意的 问题 ： 一 是沿 螺旋 墙 面盘升 的梁 ， 为 双曲梁 ， 应增注中间点的平面定位和标高 ， 以方便施 工单 位定 位 ； 二 是不 同的 曲面存在 高低 交错 的情 况 ， 应提 醒施 工单 位在 施工 时 ， 要 多个 平 面配合使 用 ， 不 能单 纯按 曲面 投影 平面 分层 施工 。 6 结 语 ( 1 ) 山地 建 筑 的风 荷 载高 度 变化 系数 随地 形 修 正及近似 圆形建 筑 的体 型系数计算是 本工程 的特 色。 ( 2 ) V i s u a l L I S P语 言 在 本 工 程 的 应 用 ， 让 坐标 数 值 直 接 变 成 A U T O C A D软 件 中 的点 和线 ， 使 得建 筑 外形 调试 过程 数 字 化 、 直 观 化 ， 节 省 了大 量 的 时 间 。同时为 结构 空 间计算模 型的建立 准 备 了条 件 。 ( 3 ) 用空 间结 构模 型 对 复杂 空 间 结构 进 行模 拟 并 通过分 析计 算 的结果 是 可靠 的 。 ( 4 ) 空间 曲 面 以投 影 平 面 图另 附节 点标 高 的平 法表达 方式 ， 使得结构 设计表达 简单 明了 。但各 空 间 曲面 间的交错关 系需 以详 图 的方式 做 补充 。本 工程 主体结 构的现场施工 基本完成 ， 施 工过程顺利 。 参 考 文 献 1 徐正忠 ， 王 亚勇 ， 王迪 民 ， 等 G B 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1建筑抗震设 计规 范 S 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 8 ： 61 2 2 陈基发 ， 胡 德忻 ， 金新 阳 ， 等 G B 5 0 0 0 9 2 0 0 1建筑结构荷 载设 计规范 S 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 6： 2 4 3 9 3 陈伯雄 ， 冯 伟 V i s u a l L I S P程序设 计一 技 巧与 范例 M 北 京 ： 人 民邮 电出版社 2 0 0 2 ： 3 6 4 2 4 北京 金 土木 软 件技 术 有 限公 司 S A P 2 0 0 0中文 版 使 用指 南 M北京 ： 人民交通出版社 ， 2 0 0 6 ： 1 8 2 4