主题乐园设计实务：单体建筑结构设计

1.结构体系选择及不规则处理

主题乐园中的主要场馆建筑高度一般小于24 m，属于多层建筑。主体结构一般采用混凝土框架结构，对于跨度较大部位采用预应力混凝土梁或型钢混凝土梁，更大跨度会采用钢桁架。部分场馆对变形要求较高，或者设有混凝土结构墙时，采用框架-剪力墙（抗震墙）结构。

由于主题乐园场馆建筑功能和造型的复杂性，该类建筑通常具有较强的结构不规则性。表5-2—表5-4列出了结构规则性判断的依据，分为一般不规则、特别不规则和高层或大跨超限三类。

在主题乐园的结构中，比较常见的一些不规则特性有，扭转不规则、楼板大开洞造成楼板不连续、平面凹凸不规则、局部跃层柱、竖向构件不连续、钢框架与混凝土结构混合使用形成混合结构体系等。除上述提到的结构不规则情况外，表演场具有大型体育场所遇到的大跨和异型钢结构、超长看台、外包于主体场馆以上的大型假山、落于主体结构上的大型游乐设备等；海洋馆还有密集设置于主体结构内的大型水池。基于上述问题的存在，主题乐园中的主要场馆一般都需要抗震不规则论证。

表5-2　建筑结构一般规则类型

表5-3　建筑结构特别不规则类型

表5-4　高层或大跨超限类型

若结构出现上述不规则，通常需要控制一般不规则的数量在5项以内。需要指出的是，对于整体抗侧刚度很大、结构水平变形很小的结构，其扭转性能（扭转位移比）可以适当放松。

对应不规则需采用一定的抗震计算和构造加强措施，主要如下：

（1）尽量减少结构中设置抗震缝，通过加强结构整体性，满足单体结构的安全性。

（2）部分楼板大开洞或连接薄弱处，对楼板进行应力分析，控制楼板的主拉应力，并加强楼板薄弱部位连接。

（3）对看台等斜板区域，取局部单榀结构验算，考虑斜板和斜梁面内和轴向传力特性，确保其分析的准确性，并加强支撑斜梁和斜板竖向构件的抗剪承载力。

（4）对于部分关键的构件，需要提高关键构件性能，并在设计中满足其性能要求。

另外，主题乐园设计中尚需注意其他特殊情况。比如，在海洋馆主体结构设计中，应尽量将水池与主体结构脱开；对于产生较大振动影响的游乐设备，应将其基础和支撑结构与主场馆结构脱开；在主体结构以上设置钢结构假山时，需考虑假山与主体结构之间的相互影响。

2.大跨钢结构屋盖

主题乐园中部分具有观览、表演和剧场功能的场馆，需要较大的无柱空间，这就需要在大空间之上使用大跨钢结构屋盖。此类结构通常下部采用混凝土结构，上部采用大跨钢结构屋盖。

1）大跨结构的基本形式

一般来说，大跨结构的基本类型包括：梁式结构（主要是桁架，含平面桁架和立体桁架）；刚架结构；拱结构；壳体（包括筒壳、穹顶、扁壳和扭壳）；折板；空间网格结构（包括网架、网壳）；索结构（包括悬索、张拉索网）；膜结构（包括充气膜结构和张拉膜结构）。

根据屋盖的平面尺寸、造型及四周混凝土边界的支撑情况，钢结构屋盖的形式可选择常见的单层网壳、双层网壳、网架、平面桁架、空间桁架等结构形式，亦可使用索膜结构、张弦梁结构和索穹顶结构等形式。大跨结构基本形式的主要技术指标见表5-5。

表5-5　大跨结构基本形式的主要技术指标

注：表中数据仅供结构选型时参考，具体应用时，应根据实际情况做必要的分析调整。

大跨结构的选型与建筑规模密切相关，不能把一般结构形式简单地按比例放大后用于大跨建筑。比较合理的方式是将建筑造型与实际的大跨结构形式有机结合起来，根据所选结构的尺寸和比例关系确定合理的结构类型。

2）大跨结构构思及结构选型

要使大跨结构发挥出重承载力首先是结构选型，结构构件截面的大小则是第二位的。梁柱结构是依据截面的惯性矩大小决定承载力和跨越空间的大小，其他结构形式则不然。拱及桁架结构的承载力首先是依靠优越的几何形状而强于梁柱结构。网架结构、壳体结构则是以三维的空间体型获得突出的承载能力而跨越巨大的空间。如果打破其合理的几何体型，则突出的受力能力即不复存在。悬索结构、膜结构看似在于发挥其擅长受拉的材料性能，但是它必须保持有利的线性才能提高其有效的承载能力。综上可见，结构选型在大跨结构实现上具有决定性的意义。

（1）建筑空间特点。空间是建筑设计的核心，也是区别不同建筑类型的根据，特别是大空间公共建筑的本质特征在于其空间的特点。结构是围合空间的基本手段，因而结构构思的主要依据无疑是建筑空间。

体育场馆、会堂、剧场等观演性建筑，受演出特点、视线设计、疏散布局、声学设计等制约，其大厅多为扇形、圆形、椭圆形等曲线平面，空间高度也有高低起伏的变化。这些比较独特的空间特点对结构构思是个巨大的挑战。

展览建筑为适应展示内容的不断发展变化，空间设计趋于用大柱网或大跨度的灵活空间。其空间体型既有常见的平行六面体，也有曲面体、圆柱体、三角形球体等。

合理的建筑空间是结构构思不能忽略和脱离的根本依据，背离它，结构构思将是无源之水，无本之木。

（2）外部空间环境。建筑构思中有关建筑布局、形体构建、体量权衡、尺度处理问题都同环境条件有所关联，其中，建筑体型、体量、尺度等既同建筑空间直接相关，也与结构形态紧密牵连。因此，结构构思也应考虑建筑的外部环境条件，密切配合建筑构思妥善解决。

不同的结构形式其结构形态具有收敛和扩张两种不同视觉特点，如圆柱体、半球体等有逐步收敛的视觉特性。而平板型空间网架及某些悬索结构则有扩张的视觉效果。因此，结构构思应该依据外部环境做相应的思考。

（3）建筑造型意向。结构形态直接影响着建筑造型意向的实现，因此结构构思应与建筑构思紧密呼应。若建筑师对结构形态问题重视不够，对结构的造型特点研究不多，会使建筑创作出现各种各样自相矛盾的背离现象。

结构构思一方面应围绕建筑造型的意向，以理性的心态探讨结构的基本思路是否得当，使其服从于建筑构思而不特立独行；另一方面，也应深入研究结构形式的造型特点，合理选型，不执意强求采用某种结构形式。

（4）物理心理要求。大空间公共建筑将成千上万人纳入一堂，避开风雨寒暑等不利影响，在创造舒适宜人的声、光、热物理环境的同时，还应考虑复归自然，满足人们的心理需要并节约能源。这些要求直接涉及屋盖结构的选型，这是结构构思的一项重要任务。(www.xing528.com)

大空间建筑由于跨度大，侧窗采光难以使照度和均匀度达到要求，只好转向屋顶采光，于是采光成为大跨结构构思颇具挑战性的课题。运用现代建筑材料以及开闭屋盖复归自然，是高科技的结晶，既对结构构思有重大影响，也要付出较高的经济代价，当然也给人们带来了全新的空间感受。

大跨建筑对热环境的要求则因地域气候条件的不同而有所侧重，如寒冷地区侧重御寒和防结露，炎热地区侧重防热辐射和降温。这会与某些新结构新工艺，如薄膜结构、阳光板、玻璃屋面构成一些问题，结构构思需要认真推敲，妥善解决。

（5）技术经济条件。大跨屋盖结构占建筑造价较大，一般在10%～50%，有的还会更高一些。体育场馆由于下部房间和设备较多，屋盖造价占建筑造价的比例相对小一些，在10%～15%。由此可以看出，屋盖结构的经济性对大跨建筑的造价和投资额都有举足轻重的作用。

结构的经济性主要反映在结构形式的优劣和材料单价的高低。各种常见的结构形式的经济性主要反映在材料用量的多少，如果相差不多则不必深究，但如相差很大则应斟酌结构构思是否合理。众多事实说明，结构构思除应满足建筑构思要求之外，还应做一定的技术经济分析比较工作，从优选择，有时则需要反过来推敲建筑构思的合理性，甚至调整建筑构思。

（6）建筑工期长短。现代大型建筑，一般是应特定的需要而建，建设工期普遍较短，多者不过三五年，少者不足一年，超过允许的建筑工期往往会造成较大的政治或经济损失。

结构工程占建设工期较长，多数情况下结构工期的长短对整体建筑工期有决定性的影响。因而，结构构思必须考虑建设工期的长短，结构施工的繁简及快慢。比如，我国严寒低温的北方，施工条件较为严苛，冬季漫长，不利于钢筋混凝土结构和焊接钢结构的施工，不宜施工季节长达3～6个月。大跨建筑的结构构思必须结合建设工期缜密思考，选择得当的结构技术，以期圆满完成任务。

3）大跨钢结构屋盖设计要点

大跨钢结构屋盖设计过程中，除考虑上述章节提及的结构选型外，尚应注意以下要点：

（1）荷载和作用

在大跨钢屋盖结构设计的荷载中，温度作用、风荷载和竖向地震作用是区别于其他结构类型的主要荷载类型。若温度作用对大跨钢结构影响非常大，通常采用滑动支座或橡胶支座来释放或减小温度对屋盖受力的影响。由于屋盖结构造型的复杂性，造成屋面上不同部位所受风荷载有较大的不均匀性，而不同于我们常规结构使用的单一体型系数。因此，大跨钢结构屋面往往采用分区域的风载体型系数，必要时宜通过风洞试验得出。

（2）稳定性分析

对于网壳结构及其他易失稳的结构形式，一般需要进行几何非线性分析。几何非线性分析有特征值屈曲和非线性屈曲两种分析方法。当结构刚度分布均匀，非线性程度不高时，两种方法计算结果基本一致；但如果结构非线性程度较高，或者结构比较复杂，应进行非线性屈曲分析。

（3）整体结构与独立屋盖结构协同分析

大跨钢结构屋盖分析时，应分别对单独钢屋盖结构模型及钢屋盖与下部混凝土结构整体模型进行计算，并取二者中的较大值对钢屋盖进行设计。

（4）抗震分析

对于大跨及异形钢屋盖，一般尚需满足中震弹性的性能要求。

（5）涂装设计及要求

防火和防腐蚀是大跨钢屋盖结构设计的重要组成部分。由于建筑效果和其结构构件功能的复杂性，钢构件上的防火涂料设置需要特殊考虑，部分项目尚需根据消防性能化要求进行防火设计。对于处在较差环境类别下的大跨钢屋盖，需要充分考虑其腐蚀环境来制订可靠的防腐蚀方案。

4）大跨钢结构屋盖设计实例

钢屋盖上的恒荷载，除结构构件自重外，顶部一般使用轻质屋面系统。除考虑不上人屋面外，活荷载需根据工艺提资考虑设备吊挂荷载及马道检修荷载。风荷载可根据风洞试验和规范值的包络取值；地震作用除考虑水平地震作用外，还应考虑竖向地震作用。此外，对于大跨钢结构屋盖结构，温度作用不可忽视，该荷载工况往往最终起控制作用。

案例一：

主题乐园中某单体场馆为表演场，屋顶造型为贝壳型（图5-1、图5-2），X向最大跨度约97.5 m，Y向最大跨度约59.5 m，舞台上方的屋面上设有水箱，另外在整个屋面区域配合舞台工艺设有各种吊挂荷载。

图5-1　案例一钢屋盖结构轴侧视图

图5-2　案例一钢屋盖结构竖向变形图

在该跨度和荷载条件下，屋面钢结构基本形式采用双层正交桁架结构，在每道桁架上下弦杆之间设置竖腹杆和斜腹杆，并沿整个屋盖周边设置加强边桁架，通过支座与下部混凝土柱或圈梁连接。由于屋盖平面较大，为了减少温度作用下的柱顶水平反力，仅在南边界6轴和7轴两个点设置固定铰支座，北侧1/A轴上中部5个支座设置X向滑移支座，其余支座均为铅芯橡胶支座，释放水平约束。杆件截面均采用圆管，杆件之间均采用相贯焊接节点。

案例二：

某主题乐园中一表演场看台顶部为挑棚结构，综合考虑建筑造型、标高和看台视线要求等因素，表演场看台挑棚采用典型的悬挑结构，其建筑/结构传力路径大致为屋面覆材→次梁→悬挑主梁，其中次梁最大包络值跨度15.5 m，主梁悬挑25.8 m（图5-3—图5-5）。

图5-3　案例二钢屋盖结构分析模型及边界条件

图5-4　案例二钢屋盖竖向位移包络（max：向上↑27 mm）

图5-5　案例二钢屋盖竖向位移包络（max：向下↓133 mm）

由于该钢屋盖为室外悬挑结构，自重和风荷载是其主要荷载。采用变截面悬挑钢梁，有效降低了其自重。风荷载在没有风洞试验数据的情况下，其体型系数参考了荷载规范取值，即风荷载体型系数按荷载规范中“开敞单双坡顶盖”类型，根据不同部位和风向取值为-1.3，-0.5及+1.0，+0.7。