超大跨度城市穹頂結構選型的概念設計建議

1、超大跨度城市穹頂結構選型的概念設計建議世紀 60 年代以來，歐、美發(fā)達國家的學者對超大跨度城市穹頂方案展開研究，先后提出了若干概念性設計方案。1968 年，美國建筑結構工程師 Fuller 與建筑師Shoji Sadao 合作提出著名的曼哈頓穹頂計劃;（ 圖1a） ,擬建造直徑 3 200 m,高度 1 600 m 的短程線型網殼結構超級城市穹頂，以覆蓋東河與哈德森河之間繁華的曼哈頓島第 21 64 街區(qū)。Fuller 認為由于內部空間巨大，在內部熱空氣作用下穹頂結構將有漂浮的趨勢，可抵消部分結構重力荷載。同時指出，曼哈頓穹頂在營造內部舒適環(huán)境的同時，能夠減少空調、冬季除雪等龐大開支，如果選擇

2、合適的建筑材料，10 年時間節(jié)省的開支能夠滿足穹頂建設的資金要求。同一時期，德國建筑結構工程師 Frei Otto 提出北極之城;的超大跨度穹頂方案（ 圖 1b） ,用直徑2 000 m 的充氣膜結構覆蓋北極部分區(qū)域，以改變常駐北極科研工作者的工作環(huán)境。充氣膜結構自重很輕，如何抵御北極暴風雪侵襲是其最大挑戰(zhàn)。北極之城的設想得到了國際上許多同行的響應，迄今方案仍處于探討中。為抵御颶風和熱浪襲擊，美國工程師提出在休斯敦上空修建一座跨度 1 600 m、高度 450 m 的城市穹頂（ 圖 1c） ,設計要求能夠抵御 5 級颶風。與英國伊甸園工程類似，采用 ETFE 氣枕作為圍護結構，既減輕結構自重，

3、又滿足內部采光需求。2009 年美國探索頻道曾推出專題紀錄片，介紹休斯敦穹頂方案進展。2010 年，美 國 索 膜 結 構 設 計 安 裝 公 司 Span22Systems 提出適用于超大跨度城市穹頂的 Spantheon結構體系（ 圖 1d） ,并申請國際專利（ Patent 2006/136867） 與美國專利（ Patent 7726087） .該體系由若干巨大拱桁架匯交于城市穹頂中心，形成巨大的支承骨架，拱桁架之間大范圍區(qū)域由輕型張拉索膜結構覆蓋。此外，俄羅斯、日本等國家工程師也對超大跨度城市穹頂提出了展望。俄羅斯某公司 2010 年提出要在西伯利亞一處直徑 1 200 m 的廢棄礦

4、坑上建造一座可容納 1 萬人的立體城市社區(qū)； 日本巴組鐵工所曾提出 1 000 m 的城市穹頂藍圖，體現工作、居住、娛樂一體化的未來理想城市。由上述可見，發(fā)達國家已經對 1 000 m 級城市穹頂方案開展研究，我國在該領域尚處空白。我國近年來也出現了對營造區(qū)域小環(huán)境的探索，例如成都新世紀環(huán)球中心3（ 圖 2） 是亞洲第一大單體建筑，主體結構平面尺寸約 500 m ×400 m,以海洋;為主題，改造區(qū)域小環(huán)境，創(chuàng)造出內陸城市海景風情島;的娛樂休閑模式，獲得了良好的社會和經濟效益，該項目為改造區(qū)域小環(huán)境建筑的發(fā)展提供了借鑒?；谏鲜鲆延醒芯?，對擬建在寒冷地區(qū)的跨度800 m、矢高 20

5、0 m 的超大型穹頂建筑（ 圖 3） 的封閉式屋蓋的結構選型開展研究。2 跨度 800 m 穹頂結構選型跨度 800 m 穹頂可行性結構方案，包括剛性結構、雜交結構、柔性結構以及組合結構等四類結構體系共計13 種結構方案。研究考察了不同方案結構性能特點，并給出方案可行性建議。圖4 為結構選型思路，其中凱威特型簡稱 K 型。2. 1 選型條件結構方案選型階段考慮了構件的重力荷載（ 質量密度取 7 850 kg/m3） 、節(jié)點的重力荷載（ 取構件重力荷載的 0. 4 倍） 、附加面恒載 1. 0 kN/m2、活荷載0. 5 kN / m2、溫度作用（ 結構整體升、降溫 30 ） 以及風荷載（ 有待

6、于專項研究，暫取基本風壓 0. 5 kN/m2,風振系數 1. 6,體型系數與風壓高度變化系數暫按GB 50009-2012建筑結構荷載規(guī)范4規(guī)定取值）等荷載作用，并對上述荷載進行合理組合。剛性構件材料選用 Q420B 圓鋼管，截面設計根據 GB 50017-2003鋼結構設計規(guī)范5與 JGJ 7-2010空間網格結構技術規(guī)程6等相關規(guī)定控制其應力比與長細比，材料強度設計值需要考慮結構重要性系數1. 1 及圓鋼管壁厚的折減，同時考慮構件整體穩(wěn)定系數影響，應力比控制為 0. 8; 拉索采用抗拉強度為 1 670 MPa 的高強度拉索，拉索最大內力值控制為破斷力的 50%.結構性能評價指標包括強度

7、、剛度、穩(wěn)定性與經濟性。剛度指標指結構在恒荷載與活荷載標準值組合作用下的最大撓度值。穩(wěn)定性指標指結構穩(wěn)定承載力系數，包括彈性穩(wěn)定系數與彈塑性穩(wěn)定系數，后者兼顧幾何非線性與材料非線性，更能反映結構真實受力狀態(tài)，因此以控制后者為主。經濟性指標指構件與節(jié)點材料用量，以投影面積用鋼量來表征。超大跨度穹頂結構由于內部功能復雜，要求屋蓋結構具有良好建筑適應性，如通透性，能夠滿足內部采光要求等。2. 2. 1 雙層網殼雙層網殼結構兼具桿系結構與薄殼結構的特征，構件以軸向受力為主，力學性能優(yōu)異，具有較強的跨越能力。為考察雙層網殼結構在跨度 800 m 穹頂中的適用性，經網格劃分研究，選取構件長度均勻、構造合理

8、的 K 型與短程線型網殼進行研究。對于 K 型網殼結構，考察了 K 型平行弦三向交叉桁架球面網殼（ 圖5a,簡稱交叉桁架方案;） 、K 型角錐球面網殼（ 圖 5b,簡稱球面方案;） 與 K 型角錐懸鏈面網殼（ 圖 5c,簡稱懸鏈面方案;） ; 對于短程線型網殼，考察短程線型角錐球面網殼方案（ 圖 5d,簡稱短程線型方案;） 性能。交叉桁架方案由平面桁架代替單層網殼中單根構件獲得，結構環(huán)向未設置斜腹桿；球面方案是通過三角錐連接結構上下弦桿件，結構上弦桿件布置同單層 K6 型網殼?？臻g結構是典型的形效結構，倒置懸鏈面是結構受豎向荷載作用合理的受力形狀，彎矩水平較低，結構剛度較大，懸鏈面方案與球面方案的結構拓撲相同；