结构工程师知识,结构工程师知识点

建造师
结构工程师
2023-07-22
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　　两馆技术交流会

　　8月18日，深圳当代艺术馆与城市规划展览馆（以下简称“两馆”项目）全专业技术交流会在华森成功举办。参与两馆项目设计的设总和各专业负责人来到活动现场，为我们解剖两馆项目从方案设计到建设完成的技术问题。交流会由华森副总经理、执行总建筑师、两馆项目总负责人肖蓝主持。

　　此次交流会是两馆项目全专业的首次聚集，通过汇报和交流，总结各专业技术难点、亮点，并分析过程中存在的遗憾。华森的部分员工、“华森设计”微信公众号部分粉丝参加了交流会。

活动现场

参加交流的两馆项目组合影

　　两馆设计情况介绍

　　肖蓝总对两馆项目设计情况进行介绍

　　两馆项目五个难点部位

两馆的五个难点部位

结构工程师知识,结构工程师知识点第1张

扭曲的表皮钢结构、双曲面幕墙系统、巨型云雕塑、40米空中连桥、特展厅顶部玻璃曲面--“勺子”。两馆从方案到建成，项目组投入了九年的精力。建筑的深化设计与落地完成，需要整个团队的看顾、各专业知识和经验的堆积、以及项目组充分沟通和综合协调。

根据城市文脉生成建筑表皮的过程

云雕塑的演变

　　建筑专业

　　执行设总吴凡分享了关于施工图过程中与各细分专业配合的情况

　　建筑与结构设计

两馆项目在设计中采用了两种主要方式

1.结构设计结合内部空间，通过结构关系表达出内部空间形态，所有的形体上的转折、起伏、收分等均采用主体结构来实现；

2.结构设计结合展览建筑的使用功能，将结构构件尽量布置在建筑的外围，展示空间仅由核心筒等少量竖向构件传递楼面竖向荷载，形成新颖的大跨度大悬挑的整体空间，充分满足了建筑造型及功能使用的要求。

建筑与幕墙设计

两馆的幕墙面积几乎占外墙和屋顶面积全部，不仅体量庞大，而且多为曲面、折面，造型复杂，幕墙专业化程度高。幕墙设计概念综合了立面造型、使用功能、太阳辐射、自然通风、景观视线等因素，利用参数化设计的方式进行设计。

在公共空间和城市规划展览馆区域为了实现自然采光和通透视野采用了玻璃幕墙系统，在东、西立面是带穿孔遮阳系统的双层次玻璃幕墙系统；南、北面则以单层次的玻璃幕墙系统为主；屋面部分主要由直立锁边系统外衬金属板完成面构成、并在功能与建筑设计需要的位置辅以少量采光天窗。

当代艺术馆由于展品对采光环境的特殊要求，其外墙和屋面采用的是直立锁边金属板基层干挂石材饰面幕墙。

幕墙立面照明

　　绿色建筑设计

作为深圳市标志性建设项目和大型公益性艺术机构，两馆项目在立项之初就确立了可持续发展和节能减排的设计理念，在设计过程中，各专业设计师和绿色建筑顾问共同努力，统筹考虑建筑全生命周期内的节能、节地、节水、节材、环保及建筑功能之间的关系，按照《绿色建筑评价标准》要求，运用了多项绿色建筑技术手段合理安排并组织建筑与其他相关因素之间的关系，使建筑和环境之间成为一个有机的结合体，同时具有良好的室内气候条件和较强的生物气候调节能力，满足人们对气流、光线等的舒适性需求，使人、建筑与自然生态环境之间形成一个良性循环系统，因此本项目也获得了国家住房和城乡建设部颁发的国家最高级的“三星级绿色建筑设计标识证书”。

利用ContamW优化自然通风达到大空间整体换气次数2.17次/h

利用ECOTECT优化自然采光环境

　　建筑与BIM及数字化技术

建筑师通过建筑信息模型和数字化技术的手段，解决两馆项目设计中面临的诸如形体复杂、信息数据繁杂、限额控制等难点。BIM作为一个数字化平台整合了两馆设计建造过程中涉及到众多的专业学科。

一些特殊的、复杂的工程，用二维是表达不清楚的。项目中有大量的空间曲面造型，如果用二维图表达就非常困难。而使用基于建筑信息模型（BIM）的软件系统，就可以直观地了解建筑，摆脱对灵感的束缚基于BIM的三维模型不同于通常效果图的所谓三维模型，而是包含了材料信息、工艺设备信息、进度及成本信息等，它是一个完整的建筑信息。

各个设计阶段的数据信息，通过BIM三维模型，精确完整地传递到下一阶段进行深化设计，甚至可以使用模型通过计算机直接提交给制造商加工异型钢构件而实现无纸化建造。BIM实现了形式与功能相结合的整体化空间设计。

冷作业钢现场施工阶段模拟

　　两馆消防解决方案

　　两馆项目设总夏韬分享了关于建筑防火的解决方案

　　项目的消防，超大防火分区是最大的难点

“高规”5.1.2 高层建筑内的商业营业厅、展览厅等，当设有火灾自动报警系统和自动灭火系统，且采用不燃烧或难燃烧材料装修时，地上部分防火分区的允许最大建筑面积为4000㎡；地下部分防火分区的允许最大建筑面积为2000㎡。

规划馆的矩形平面从10m标高层开始逐层扭转；并在两馆之间有一个大体量的峡谷形大空间，峡谷形大空间正中心设计了一个云雕塑造型，与峡谷形大空间一起形成一个连通的大空间。总建筑面积在15824平方米，因此根本无法采用传统分隔方式按规范所规定的防火面积将各使用楼层与峡谷形大空间进行分隔。

在消防设计中，防火分区的划分是主要问题。如果采用防火墙的方式划分防火分区，则失去了大空间及开敞的视觉效果，不能很好地满足使用所需功能要求；如果采用防火卷帘划分防火分区，则卷帘用量过多、可靠性较差，且机械性能、能耗等均存在一定问题，并且建筑结构上要求做较大调整；如果采用防火水幕划分防火分区，其消防水量巨大，显然是不经济的。

　　解决办法

1.采用性能化的设计方法，通过对特定建筑的火灾模型分析来确定防火分区的设计；

　　2.展览区域内采用不燃烧材料--火灾难以通过该区域蔓延；

3.大堂、公共走道和疏散出口不得摆放任何可燃物及任何妨碍人员疏散的物品：

4.在顶棚下方加设机械排烟设施，在顶棚外围设置高度不小于1m档烟垂壁

　　5.设置灭火效能强的喷淋系统,喷头采用大水滴喷头或快速响应早期抑制喷头，保护时间3h，保护宽度不小于6m（相当于防火间距），设置单独的水泵供水，形成主动防火地段；以形成阻火带，每段阻火带两侧的区域建筑面积不超过国家规范最大允许建筑面积4000㎡，应视为达到防火分隔的目的。

　　两馆参数化设计

　　建筑师李云翔分享了关于两馆参数化设计对建筑结构专业计算的支持

　　复杂曲面屋面与防水排水问题解决

复杂曲面屋面的深化设计中最难以解决的困难是防水问题：如何在曲面交接位置设置排水系统和找到曲面的积水位置。

我们在设计中采用了粒子系统动力学来检测分析模型表皮防水结合部位的排水性能。这有利于帮助我们寻找到设置节水沟和雨水收集点的位置。

而在局部较为复杂的位置，除了通过粒子动力系统的大范围判断外，我们通过对曲面曲率的分析，精确找到不规则曲面交界处的排水处理方法。而为了找到排水坡度变化的转折点以铺设雨水收集点，我们采用进化算法，让计算机通过遗传“自己”找到最优位置。

利用粒子系统进行排水模拟

屋顶曲线区域的排水坡度及方向的分析通过分析模型曲线的曲率得出

　　表皮复杂曲面幕墙的优化设计

表皮复杂曲面幕墙的设计具有不可标准化和形态不规则性。对于西侧和北侧立面的双曲幕墙我们通过参数化具有的批处理能力，对所有玻璃，穿孔板进行了统计和分析，找到他们与结构连接的空间尺度，对需要优化的四边形、五边形玻璃进行优化，对小于30度锐角的三角形玻璃进行标记等，这些工作大大减少重复性劳动工作。

　　节能计算中的一些小应用

节能计算往往针对普通项目的墙体窗等进行分析决策，本项目曲面的复杂性在节能计算中很难认定，通过参数化对幕墙的空间三维定位，我们方便地定义了节能计算中对幕墙，墙体朝向的认定，利用这些幕墙三维空间坐标的投影找到所有幕墙的空间朝向。

　　结构曲面与曲率分析

除了形式的异形，两馆项目在结构表皮上也存在大量异形曲面，参数化的方式分析了这些钢结构的曲率和优化方向。

　　三维异形钢结构的空间定位和截面角度确定

这些复杂异型的钢结构在空间中呈现扭曲，作为建筑师通过参数化方式对结构的空间定位带来很大帮助。这些异型钢结构除了自身的扭曲，在截面上也有不同变化，我们通过对所有结构进行遍历筛查分析，将所有结构按照500mm距离进行切片，把找到的上万个截面进行定位标记与尺寸输出，将这些输出值以EXCEL表格形式可直接对接到钢结构深化公司与厂家。这些数据也作为结构工程师计算的基础数据进行结构荷载计算。

　　数据的优化和排序

本项目对于参数化最大难点是模型信息的缺失下，通过模型方向查找排序所有信息，这一类排序工作大量地通过数学和编程操作，为设计的参数化工作提供了基础。

　　结构的特点和难点

　　专业负责人徐霖代表结构专业进行交流

　　结构特点与难点

　　两馆项目外表皮为由倾斜、扭曲、旋转曲面以及部分直立面构成的复杂多面体网壳结构。

大悬挑桁架

表皮钢结构与主体结构关系复杂

屋盖系统（包括侧面表皮钢结构系统）为杂交结构体系

本建筑结构的空间几何表达模式需要创新方法

型钢-混凝土柱、型钢-混凝土核心筒墙在本项目中大量运用

　　复杂结构单元