世博轴及地下综合体工程索膜顶棚和阳光谷钢结构设计

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

汪大绥：各位领导、各位同仁，刚才丁院长的报告非常精彩，我现在讲的内容是我们所承担的在世博园里的另外一个项目，叫“世博轴”，下面对我们团队所做的设计情况做一个简单的介绍。

这里有一个跟丁院长相类似的内容，世博轴在整个世博园区里所处的位置是这里，这是世博园区围栏区的中心部分，所谓的围栏区是观众要买票才能进入的部分。围栏区所有的场馆在这里有5个是永久性的场馆，刚才丁院长讲了其中一个，5个场馆成为一轴四馆，左边的是世博轴中心，右边的是演艺中心，后面的是中国馆和主题馆，我们华东院现在承担三个馆的设计：演艺中心、世博中心和世博轴。这5个里面只有世博轴的建筑方案是外国的，其他都是我们中国建筑设计师的原创。

世博轴在园区里的位置非常重要，它所谓一个轴就是把整个场馆串起来了，它的主要功能是参观的观众到达了以后到园区安检的地方，建筑创意非常有特色！它整个的长度是1公里左右。大家所看到的是它的地面部分，今天汇报也是主要讲它的地面部分，索膜结构，它是南端的一个广场，由地面通过各种交通方式进入世博园区里面，从这个广场进入到世博轴的10米平台，人民在10米平台上进行排队和安全检查，所以这个地方人流量是非常大的！到世博园区有很多条地铁，从地铁来到园区的参观者，从负10米的地下室在这里进行排队、安检，然后到达这里。可以看到整个世博轴两边有长长的绿坡，因为这个可以把阳光、空气引入地下室，这样在地下室里也不感觉是在地下室里。

上面的平台是10米平台。10米平台上面是一个索膜结构，把它覆盖起来，覆盖总的长度大概是880米左右，宽度大概是80米，整个覆盖的面积是63000平方米。这个是10米平台的平面图，这里大家可以简单地看一下它的流向，从地面上有排队区，也有安检区。

这是VIP入口的流向。从这里可以看一下建筑效果。整个上面覆盖部分我刚才说了880米覆盖部分，由6个阳光谷和阳光谷之间的索膜结构组成。造型是非常生动的！这可能也是当今世界上比较大的一个索膜结构，它的单片膜面积达到1800平方米，可能是目前现在最大的单片膜，从这里大家可以看到阳光谷，阳光谷从建筑概念上来讲它是把阳光和空气引入地下室的概念。阳光谷也部分成为了索膜结构的拉节点和支点。

这是它的横剖面，大家可以看一下它有一层地下室，上面两层是1米标高和4米5标高，最上面是10米标高，这都有良好的通风条件。索膜结构的组成是由桅杆、谷索和脊索，以及其他一些辅助的索所构成的。大体的数字大家可以看一下，整个建筑面积是24万平米，有覆盖的建筑面积是24万平米。

下面给大家介绍一下索膜结构体系，索膜结构体系的话在这里有一些数据，我刚才基本上都讲过了。这张照片是昨天才赶出来的，大家能看懂意思就行了，这张照片是最近的，世博轴工程主体结构现在是最紧张的阶段，阳光谷已经看到了，索的部分膜已经开始拉了，但是还没有拉到规定的状态。

这里可以看一下它的结构情况。还是先看这一张吧，索膜是靠两边的桅杆，两边的桅杆是一样的，这个桅杆是用谷索拉在锚箍上，桅杆与桅杆之间有脊索和谷索，膜就是张拉在索上的。

再回到上面。上面的平面图上可以看到6个阳光谷间距是不规则的，每个阳光谷的大小尺寸也是不一样的，在这里出现很好看的彩色，好像是图案一样，实际上这个彩色标明了杆件的规格，它的变化很有规律的，形成一个满好玩的图形。

六面阳光谷的尺寸都不一样，最大一个阳光谷上口的直径大概是90米，90米X70米。单纯的三角型网和钢结构。我们的膜结构用的现在国际上强度最高的PTFE膜材，按照我们国家规范分类是A级，它按照每3厘米宽膜材的条抗拉强度，这个抗拉强度是略有差别的，因为弹性量也是有差别的。在膜的应力分析结果当中，所有的膜应力都必须要满足这个强度的标准。

从这张图可以更清楚地看到膜结构的组成。左边的图三角形是我们一个基本单元，大家可以看一下，这是一个曲边三角形，三角形有三个定点，还有三个桅杆，每个桅杆之间有两个背索，一个拉，一个压来平衡，在同一边的称之为边索，靠地面那边的称之为脊索，膜的位置最高点就在脊索上，大体上相当于三角型平分线的索是谷索，是往当中聚集的。从这两边的图大家可以看一下右上的横剖面，这里是桅杆、背索，以及水平索，还有内桅杆，大家看一下，在膜的这个地方、形成喇叭口的地方有一个内桅杆，内桅杆的作用是在设计深化过程当中提出来的，刚开始的方案还没有内桅杆，没有内桅杆的话膜在风作用下的变形非常非常大，控制不住，主要是因为膜的尺度太大了。

从中可以看到在内桅杆和外桅杆之间有水平的索，整个索膜结构体系还是相当复杂的。这是外桅杆的布局，外桅杆是由三个圆杆组成的，钢是100的厚钢板，上面有一个柱头，所有的索是通过这个头来连接，因为所有的索之间有一定夹角的要求，因为要保证梢子能插进去，这个索跟柱轴要穿梢子，所以使得它有一定的空间。

这是桅杆的制作。桅杆是以抗压为主，但是考虑到结构性能要求，对它保留了一定量的抗压能力，它的抗压是在球角上做的隔板，它有一定的转动能力，这个转动能够保证在地震作用下发生侧移而不会被破坏。

这是一根内桅杆。内桅杆的作用是防止膜组织锥体有过大的向下的的倾斜，因为膜的尺度非常大，8、90米的膜，风吹的时候整个膜在风向作用下会向下，这样就有很大的变形，这样人在里面会很不舒服，因为不能定位，所以我们插了一个内桅杆，因为内桅杆的存在使得它可以摆动。同时对索整个张拉这里有一个环，我们的膜通过这个环往下拉，这样膜就张开了。

这是桅杆的细部。大家看一下由于我们的雨水都会汇集到喇叭口底部，喇叭口底部雨水要通过内桅杆来排到排水系统去，所以这个是相当复杂的。可以看一下虚线所标识的就是排水管，如果我们的雨水不能够顺利地排出，在膜里产生积水的话那就会出现灾难性的后果，所以要充分地保证雨水及时地排出来。这是排水管，很大的，而且要保证畅通。由于膜是受拉力的，所以内桅杆基本上是处于受压的状态。它下面做成一个水平条，要保证一定量抗压的能力。

下面是阳光谷。这张背景照片是最近阳光谷已经基本完工的形状，上面玻璃已经装好了。阳光谷的结构是单层的单轴体系，它并不是一个旋转面，是一个曲面，并不是旋转面，因为半径是变化的，造型确实是满难的，要做成一个很流畅的表达，要有网格划分，不是一件很容易的事情。即使是网格划分好了以后，它下面的工作复杂性也是相当大的。

阳光谷的基本构建是巨型方管，它的基本尺度宽度是65，或者是80，高度是180，它特别采用了方管，而并不是过去经常使用的圆管，这个可能是建筑师的追求，因为近年来方管确实用得不太多，它的复杂性比圆管要大得多，我们经过这次的探索觉得这确实是非常难的。由于我们有部分的索膜结构要张拉在阳光谷上，所以在受力大地方有一些大的断面，甚至是个别的地方要实行实心的断面。

我们阳光谷总共有6个，6个有三家公司在做。上海、浙江、江苏的三家公司分别在做。最大的是90米，在左上方这个，但是它不是对称的，两边椭圆的，因此两个方向是不一样的。可以看一下这是一个不对称的东西。由于有一部分的索要拉在阳光谷上，所以出现拉索的节点，如果这个角度很合适的话，大家可以看一下右边，右边的索通过一个耳杆，通过一个插销连在阳光谷上，但是有的时候很难一直达到节点，这时候我们要对阳光谷的部分构建进行设计，大家看一下左边的都插了钢板，这样就变成了实体的网格，而且索的中心线要对着这个中心，连接的方式通过这个钢板来做。阳光谷的变化有很多，索的方位和高度角度变化也很多。

我想通过刚才的介绍大家对阳光谷大体情况有一个了解了，到底是怎么回事也有所了解了。下面我想讲一下对于设计和研究方面做的一些工作。我们现在基本上是这样的过程，就是我们首先要通过风洞实验来得到风压分布和风压的时程。这个模型不是用膜做的模型，而是用有机玻璃来做的，所以称之为一个物理模型，样子是一样的，但是性能是不一样的。这部分做了之后我们就要在计算机里建立一个索膜的模型，在这个模型上施加预应力，然后再把风洞实验所得到风的压力分布加上去，在计算机进行一个时程的分析，这样就可以得到索和膜的内力支撑，然后根据索和膜的内力来进行索和膜强度的组合。索膜的定律跟前面所讲的索膜的时程进行比较，风振系数不能作为一个指定的量。

索膜的位移控制是按照一种等待跨度的十分之一吧，有这么一个公式，其中一条边的三分之二对于膜结构本身是一个大变形的东西，跟我们一般性钢铁的弹性体结构完全不是一回事，但是对它的变形还是可以控制的，通过控制可以防止这个膜振动太厉害。

因为膜结构现在是受拉状态，希望能够保持初始的应力，膜应力不能出现松驰，常规状态下膜不能松驰，松驰的应力为零，短期荷载下可能会出现部分松驰，但是要控制松驰面的面积，我们基本上是满足要求的。一张膜局部的图，在膜的下拉点附近可以看到蓝色的数字是0，0就是松驰，它所占的面积跟膜相比是小于10%的。

膜面最大应力是大家最关心的。就是膜的强度不能超过它，如果超过它，你首先要把应力算准，现在膜的几何形状比较复杂，从我们这里来看，达到22000以内的膜是没有问题的，超过22000的我们要用双层膜来控制它，要做双层膜，但是因为超过这个应力有没有呢，有是有的，但是很少，从大体上黄绿色看不到，只有个别是黄绿色的，在下拉点附近黄绿色还是有一些的。这个是喇叭口，也有一些像花一样的，这些是双层膜的位置，是往下拉的地方，我们称之为下拉点，会超过单层膜的强度，做出来是这样的。另外还有从内桅杆底部这里还有一些斜的索，是防止风压过大位移的，是吊住它的，这样的话应力显然会大一些，在局部也有些加强。

接下来我们做索膜结构局部倒塌分析，圆圈出来的桅杆把它弄断了，它断了以后有什么结果，会不会出现连续倒塌，这个索一断，背索不算，这个桅杆上拉了7根索，假设恐怖分子来了，把这个索炸断以后，这7根索里有5根松驰了，5根索只有一个数字，那就是背索断掉以后，相应的索松掉了，但是有两根是绷紧的，边索是封起来的，它不会倒，为此我们也做过实验，大家可以看一下这个实验照片。左边的照片是完好的，右边的照片有意识地来切断，这个破坏现象跟破坏理论分析还是相吻合的。

另外我们对索膜也做了一些健康的监测，主要是两个方面的内容，一个是对索力的监测，还有一个是膜边力的监测。索力监测是在索外面用一个双层线圈组成的绕轴，刺激的话就会感应出来电压，会感应出来，电压大小和电流大小跟索的应力水平相关，同时测出感应出来的电流和电压，然后就可以知道索力的变化了。下面还有一个简单的例图和实物，这个东西是放在露天的，我们是用不锈钢做的，需要测的时候可以接上电线，不需要测的话就拆掉，什么时候测都可以，这个跟我们过去相比它的可靠性更高，技术上更先进，水平索和背索都做了应力监测。

另外这是膜的应力监测，它是采用真空的办法，有一个空心的容器来压在膜面上，四周密封，一抽真空以后，大家看一下顶上去了，顶上去的位移跟膜的应力是相关的，如果是膜绷得很紧就顶不上去，如果是膜松的话就顶上去了。

我们的计算分析这里就不去说了，主要是用两个软件。它的振动特性简单地来说一下，这么大的尺度，它的基本原理就是振型非常地密集，它是这样抖的，这是很不容易做的，因为抖的话平面尺度比较大。

这些是静力分析，这个就不说了。这里还想讲一个事情，就是稳定性的分析。大家比较关心稳定性，这个在表上会有，最小值是红字，这是双线性分析。下面要讲的是什么呢，因为我们现在达到4点几，甚至是8点几，但是杆件的抗压稳定性没有这么大，过去很多人提到，但是没有很深入。这次是这样的，我们要寻找杆件，如果杆件已经超过稳定线路的话，一定要把这个杆件去掉，要把这个杆件的刚度杀死，你杆件坏的话怎么样还来起到稳定的作用呢，所以可以看到这样的情况，部分的杆停止工作，并不会导致承载力的降低，当部分杆件失效的时候，我们强度大概还剩下70%左右的效果。

最后还有几分钟来讲一下关于节点的事情。我们这次设计过程当中花的时间最多的是节点怎么样来做出来，怎么样来制造节点，我们也走出了一条很有意思的道路，基本上可以实现了从CAD到CAM的衔接。就是计算机辅助设计和计算机辅助制造的衔接。难的是方型的管件，六根方管交汇于同一点，你怎么样确定方管的方向呢，因为方管理有一个强轴，有一个弱轴，每一个节点都有一个法向，另外一端是另外一个节点，我又不能把钢管拧成一个麻花，所以我们必须要有一个办法来找到正确的方向。现在有这么一个定义，比如说6根杆分成6个小平面，6个小平方两两之间有一个夹角，另一个杆件的方向是夹角的平衡线，这个法向就是我们一个等待的该节点的法向，每根杆件都有很痛苦的三个角度，有大量数据都是图没法画的，但是可以算得出来，都是算得出来的，但是算得出来画不出来，一个阳光谷大概有3千个节点，3千个节点没有一个是画出来的，如果没有计算机来实现的话，我们没法知道该怎么样做，但是现在我们很好地完成了，也做到了。

我们有三家工厂分别用不同的工艺来做，我比较欣赏的是大家现在看到的这个，这个节点有两种，一个是铸钢节点，一个是焊接节点。大家现在看到铸钢节点的加工过程，看到这个图，是一个机器人在切割一个泡沫塑料，大家可以看到，这个泡沫塑料那边有一个小圆弧，这个边上有一个切割边，这个切割边上头小，下头大，它这里有一个扭角，这个扭角是电脑算出来的，然后告诉机器人，在这边这个图，按照这种方法切割出来的模具可以组装成一个节点，因为你切割得非常精密，胶水一涂就粘在一块了，所有的定位都是非常准确的，组装好了以后表面上有很多编号，那是每个杆件的编号，如果是模具和杆件的编号编错了是装不上去的，绝对不能换地方，也就是说找不到两根相同的杆件和两个相同的节点，如果没有计算机辅助制造的话我们是做不到这一点的。

然后用这个模具来做出来了铸钢节点。最后一个图是用非常先进的控制设备来检测经过加工以后的面，它的空间角度都是符合我们的设计要求。这是我们一个从CAD到CAM转变的过程。外面的世界很精彩，不知道机械制造还有这个本事，当时我们原来的方案是德国的方案，我们不能这样做，我们中国人喜欢搞焊接，焊接的话有误差还可以调一下，还有一个是如果是按照德国人的方法来做的话，技术费用就是9千多万，我们还不需要花这个钱，所以自己来做。我们同济大学、浙江大学与相关的工厂一起大家共同经过很痛苦的过程，最终这条路算走通了，感到非常高兴！

这是一个焊接节点，焊接节点是用同样的工艺，但是它切割出来不是塑料模块，而就是杆件，它不是用一个电热丝切割的，是等离子来切割出来的。整个结构很难很难，这个实验也做了一下。这是我们最近的，本周现场膜的照片。大家看到阳光谷出来了，膜也上去了。但是现在还是很紧张的时刻，还需要靠各方的共同努力！

好的。谢谢大家！