如何實現反曲之美？清水混凝土建筑玉環博物館和圖書館結構設計巧思。

?

題 記

?

玉環博物館和圖書館項目，由中國建筑設計研究院有限公司李興鋼和任慶英兩位勘察設計大師的團隊合作設計。從“夏奧”到“冬奧”，對兩位合作多年的大師來說，這個項目的規模體量實屬“小品”級別，然而其中蘊涵的結構設計與建筑設計深度融合的經驗，值得記錄和分享。

?

玉環，是全國14個海島縣市之一。位于浙江東南沿海。玉環市名源于海島奇觀，古志記載“晨霧繞島，形狀如環；上有流水，潔白如玉”，由此得名。本項目便選址在這一片漁港新城之中。

?

該項目的建筑方案，吸收了玉環坎門漁港地區山勢地形特征，結合水面，形成建筑之間一種對望的關系，并與周圍大的山形水勢相配合，將極具特色的建筑形態和當地環境很好的融合。

?

圖書館總建筑面積1.05萬平米，博物館總建筑面積0.8萬平米 。圖書館地上2層，局部地下1層，建筑高度15.5m。博物館主要的展廳空間沿垂直方向分為4層，分別對應不同的展覽主題。技術和辦公用房、藏品庫房、設備機房位于一層基座層內，建筑高度24米。

?

建筑師希望以一種結構單元體與功能單元體結合的概念進行設計。通過并置、斜交、疊合、包含、堆積、聚合等幾何操作手法，在場地內放置了18個單元。

?

為把建筑形態優美、使用功能完備和結構受力合理三者有機結合，本項目采用兩種典型結構形式來營造相對標準化的無柱空間，對應不同的閱覽空間和展廳空間：一種是反曲薄殼屋蓋，一種是箱型魚腹梁樓蓋。

?

建筑師要求整個建筑呈現清水混凝土效果，因而主體結構需采用鋼筋混凝土結構。

?

反曲薄殼屋蓋設計

?

反曲屋蓋不僅使建筑有著起伏美妙的輪廓線，在室內也形成了較大的無柱空間。本項目的反曲形狀采用懸鏈線的方程式，垂跨比1/20,與二次曲線相比更接近自然懸垂的感覺。然而混凝土樓板本身是帶裂縫工作的，反曲或者下凹的屋面對于裂縫處理很困難。為實現這種曲面形式，結構采用現澆混凝土殼體屋面，并在板殼中設置了預應力索。將懸索固定在兩端的剪力墻上，墻體起到傳遞豎向力和屋蓋懸索水平力的作用，是一種較為新穎的預應力索-殼組合結構。

?

預應力索在屋蓋結構中起到關鍵作用：第一，懸索在重力下的懸垂能夠完美貼合建筑師要求的屋蓋形狀，第二，施加預應力也是控制裂縫的有效手段，第三，板內預應力設置也讓屋面的輕薄觀感成為可能。

?

屋面的現澆混凝土曲面板殼，與預應力索相輔相成，為預應力懸索提供了壓重和平面外剛度。屋蓋的壓重和剛度，這兩點在本項目設計中尤為重要。

?

項目所在地玉環市，處于風荷載很大的沿海地區。相對而言，北京五十年一遇的基本風壓是0.45kPa，而玉環是1.2kPa，玉環風荷載約是北京的3倍。而且每年都會有威力可觀的臺風“光顧”。因而這種下凹形式的屋面，能夠通過薄殼結構的受力特點較好地抵御向上的風吸力，可以避免屋頂被吸上去。比單純增加屋蓋厚度來壓重效率更高。

?

屋蓋的設計主要通過三方面控制配筋和截面尺寸：第一，根據結構強度條件確定索構件截面；第二，根據結構的剛度條件確定混凝土殼的厚度；第三，根據風荷載引起的殼面平面外彎矩配置普通鋼筋。

?

最終施工的屋蓋厚度非常薄，對應31.4m和17m跨度，分別采用了180mm厚和150mm厚，在接近支座位置，均逐漸加厚到300mm。在31.4m跨度的情況下若使用常規梁板結構屋蓋設計，如采用預應力混凝土梁500mm×1500mm，混凝土屋面板厚120mm，折算厚度達到31cm/m2。而本項目平均厚度僅需18.9cm/m2?？梢婎A應力索-殼組合結構屋蓋不但形態輕薄，兼具較好的經濟性。

?

型魚腹梁樓蓋設計

?

為了與屋頂的下凹曲面協調一致，二層樓蓋的建筑形式也要求采用下凹曲面。然而從使用功能出發，二層的建筑地面應該是平整的。即一樓的天花板為下凹形式，二樓的地面為平板形式。這給結構設計帶來了不小的難度。

?

如果從常規結構設計思路，二層樓蓋做成梁板結構的平板樓蓋，下面的曲面造型由建筑專業用吊頂解決，設備管線在吊頂中“消化”，是最為簡單的結構方案。然而，這樣可能給建筑帶來一些構造問題，吊頂做成后效果也肯定不是清水混凝土的感覺。因此，結構設計考慮到由于頂部的大跨度懸索結構會給兩側墻體造成向內的較大側推力，使得中間這層樓板就處于壓彎狀態。而二層樓蓋不論作為壓桿，還是作為受彎構件跨中承受較大的彎矩，跨中都需要截面較大。而兩端支座處彎矩較小，梁高也可以相對較小，由剪力控制。因此，魚腹形狀恰好是這層梁需要的形狀，魚腹梁的幾何形狀具備充分的合理性。

?

魚腹梁除了結構性能的優勢，還形成了較大的箱型使用空間，可以將設備專業管線隱藏其中；魚腹梁上開若干孔洞，便于設備管線穿行，減輕結構自重；較大的結構空腔，提高了上下層間的隔聲性能；結構用料也比較經濟，31.4m結構凈跨混凝土折算厚度約43.4cm/m2。

?

魚腹梁施工過程中采用二次澆筑。第一次澆筑魚腹梁下翼緣、下層混凝土曲板和腹板，第二次澆筑上翼緣及預制板上的疊合層。

?

支撐墻體設計

?

為了給拉索提供支承，在矩形平面的兩端結合建筑功能布置多道平行的鋼筋混凝土剪力墻，各剪力墻之間通過擴大其端部邊緣墻體厚度和設置高連梁使得建筑平面端部形成筒體。一方面滿足結構豎向和側向抗力要求，另一方面為建筑提供了可供靈活布置的大空間，從而形成鋼筋混凝土剪力墻的抗側力結構體系。

?

基礎設計

?

場地原始地貌單元屬海岸平原。地表面平坦，場地內地基土埋深、層厚變化較大，性質差異較大，屬于不均勻地基，場地內有較深厚的淤泥土層。結合本工程淤泥較厚，持力層較深的特點，并考察當地基礎施工經驗和樁基施工成熟度，本工程基礎采用直徑800mm樁徑的鉆孔灌注樁，并采用樁端樁側后壓漿以提高承載力。

?

由于懸索屋面通過預應力鋼索與墻體連接，結構墻體受到偏拉作用，因此墻體在基礎位置存在較大彎矩，為平衡此彎矩采用偏心布樁，而不是將承臺的幾何形心與墻體的幾何形心重合，基本滿足規范群樁重心與恒載重心重合的要求。

?

張拉過程分析

?

屋蓋結構的預應力加載方案，有兩種選擇。

?

傳統方案是：安裝預應力索——調索（用千斤頂調整索的垂度）——鋪預制混凝土板——加荷載（用紅磚壓重）——再調索——灌縫（細石混凝土）——卸荷——做保溫防水層。這種方案優點是施工簡單，受力原理清晰。缺點是需要通過后期修飾和吊頂來遮蓋預制板和后澆縫，無法做成清水混凝土，拉索位于板下部，屋蓋整體性略差。

?

玉環項目的施工方案是：采用緩粘結預應力技術，將預應力索布置在反曲屋面的樓板截面形心，反曲屋面整體澆筑完成并待混凝土達到設計強度后，再張拉預應力。這種施工方案，將在屋面下部形成完整的清水混凝土效果，無需進行多余的吊頂處理。

?

然而這種張拉方案，會讓人有以下的擔憂：一是，兩邊剛度那么大的墻體，在向外張拉時，預應力是被墻“吃”掉了還是加到板上了？如果被墻“吃”掉，板上沒有預應力，拆模后整個下凹曲面殼體結構就會開裂嚴重；二是，張拉預應力時，板中會不會產生很大的彎矩作用。結構設計師和預應力廠家做了一系列數值模擬和試驗研究后發現，如果屋面是平板的，預應力是加不到屋面板上去的，只有墻變形之后板才能受壓；但對于反曲的板而言，在張拉過程中，由于板的平面外剛度比墻體平面內剛度小得多，板的底部會不斷上移，使板處于受壓狀態，也就是預應力確實加到了板上。這種加載模式也基本符合R.B.B.Moorman提出的預應力作用的等效荷載法理論。

?

總結：本項目將建筑師對于外形設計的追求和結構師對于力學設計的理解深度融合，又將設備管線用“藏”的方式被結構構件遮蓋，形成了所見即結構的建筑效果，探索出了一條形與力相得益彰的建筑設計之路。

?