如何实现反曲之美？——清水混凝土建筑玉环博物馆和图书馆结构设计巧思

题记

玉环博物馆和图书馆项目，由中国建筑设计研究院有限公司李兴钢和任庆英两位勘察设计大师的团队合作设计。从“夏奥”到“冬奥”，对两位合作多年的大师来说，这个项目的规模体量实属“小品”级别，然而其中蕴涵的结构设计与建筑设计深度融合的经验，值得记录和分享。

△建筑效果图

玉环，是全国14个海岛县市之一。位于浙江东南沿海。玉环市名源于海岛奇观，古志记载“晨雾绕岛，形状如环；上有流水，洁白如玉”，由此得名。本项目便选址在这一片渔港新城之中。

该项目的建筑方案，吸收了玉环坎门渔港地区山势地形特征，结合水面，形成建筑之间一种对望的关系，并与周围大的山形水势相配合，将极具特色的建筑形态和当地环境很好的融合。

图书馆总建筑面积1.05万平米，博物馆总建筑面积0.8万平米。图书馆地上2层，局部地下1层，建筑高度15.5m。博物馆主要的展厅空间沿垂直方向分为4层，分别对应不同的展览主题。技术和办公用房、藏品库房、设备机房位于一层基座层内，建筑高度24米。

图书馆YJK模型

图书馆SAP2000模型

博物馆YJK模型

博物馆SAP2000模型

△结构整体计算模型

△建筑方案效果图

△现场照片（摄影?李森）

建筑师希望以一种结构单元体与功能单元体结合的概念进行设计。通过并置、斜交、叠合、包含、堆积、聚合等几何操作手法，在场地内放置了18个单元。

△功能单元体—结构单元体

△结构单元体的组合示意

为把建筑形态优美、使用功能完备和结构受力合理三者有机结合，本项目采用两种典型结构形式来营造相对标准化的无柱空间，对应不同的阅览空间和展厅空间：

一种是反曲薄壳屋盖

一种是箱型鱼腹梁楼盖

建筑师要求整个建筑呈现清水混凝土效果，因而主体结构需采用钢筋混凝土结构。

反曲薄壳屋盖设计

反曲屋盖不仅使建筑有着起伏美妙的轮廓线，在室内也形成了较大的无柱空间。本项目的反曲形状采用悬链线的方程式，垂跨比1/20,与二次曲线相比更接近自然悬垂的感觉。然而混凝土楼板本身是带裂缝工作的，反曲或者下凹的屋面对于裂缝处理很困难。为实现这种曲面形式，结构采用现浇混凝土壳体屋面，并在板壳中设置了预应力索。将悬索固定在两端的剪力墙上，墙体起到传递竖向力和屋盖悬索水平力的作用，是一种较为新颖的预应力索-壳组合结构。

预应力索在屋盖结构中起到关键作用：第一，悬索在重力下的悬垂能够完美贴合建筑师要求的屋盖形状，第二，施加预应力也是控制裂缝的有效手段，第三，板内预应力设置也让屋面的轻薄观感成为可能。

屋面的现浇混凝土曲面板壳，与预应力索相辅相成，为预应力悬索提供了压重和平面外刚度。屋盖的压重和刚度，这两点在本项目设计中尤为重要。

项目所在地玉环市，处于风荷载很大的沿海地区。相对而言，北京五十年一遇的基本风压是0.45kPa，而玉环是1.2kPa，玉环风荷载约是北京的3倍。而且每年都会有威力可观的台风“光顾”。因而这种下凹形式的屋面，能够通过薄壳结构的受力特点较好地抵御向上的风吸力，可以避免屋顶被吸上去。比单纯增加屋盖厚度来压重效率更高。

屋盖的设计主要通过三方面控制配筋和截面尺寸：第一，根据结构强度条件确定索构件截面；第二，根据结构的刚度条件确定混凝土壳的厚度；第三，根据风荷载引起的壳面平面外弯矩配置普通钢筋。

△现场照片（摄影?李森）

△典型结构单体SAP2000计算模型

△张拉预应力前，屋面结构变形示意

△张拉预应力后，屋面结构变形示意

△全跨承受向上风吸力屋面结构变形示意

△全跨风吸力作用下的屋盖结构前三阶屈曲模态

最终施工的屋盖厚度非常薄，对应31.4m和17m跨度，分别采用了180mm厚和150mm厚，在接近支座位置，均逐渐加厚到300mm。在31.4m跨度的情况下若使用常规梁板结构屋盖设计，如采用预应力混凝土梁500mm×1500mm，混凝土屋面板厚120mm，折算厚度达到31cm/m²。而本项目平均厚度仅需18.9cm/m²。可见预应力索-壳组合结构屋盖不但形态轻薄，兼具较好的经济性。

单元A 净跨31.4m，屋盖180mm厚

单元B 净跨17m，屋盖150mm厚

单元C 净跨17m，屋盖150mm厚

△结构单元midas Gen 模型

箱型鱼腹梁楼盖设计

为了与屋顶的下凹曲面协调一致，二层楼盖的建筑形式也要求采用下凹曲面。然而从使用功能出发，二层的建筑地面应该是平整的。即一楼的天花板为下凹形式，二楼的地面为平板形式。这给结构设计带来了不小的难度。

如果从常规结构设计思路，二层楼盖做成梁板结构的平板楼盖，下面的曲面造型由建筑专业用吊顶解决，设备管线在吊顶中“消化”，是最为简单的结构方案。然而，这样可能给建筑带来一些构造问题，吊顶做成后效果也肯定不是清水混凝土的感觉。因此，结构设计考虑到由于顶部的大跨度悬索结构会给两侧墙体造成向内的较大侧推力，使得中间这层楼板就处于压弯状态。而二层楼盖不论作为压杆，还是作为受弯构件跨中承受较大的弯矩，跨中都需要截面较大。而两端支座处弯矩较小，梁高也可以相对较小，由剪力控制。因此，鱼腹形状恰好是这层梁需要的形状，鱼腹梁的几何形状具备充分的合理性。

△鱼腹梁受力状态示意

鱼腹梁除了结构性能的优势，还形成了较大的箱型使用空间，可以将设备专业管线隐藏其中；鱼腹梁上开若干孔洞，便于设备管线穿行，减轻结构自重；较大的结构空腔，提高了上下层间的隔声性能；结构用料也比较经济，31.4m结构净跨混凝土折算厚度约43.4cm/m²。

鱼腹梁施工过程中采用二次浇筑。第一次浇筑鱼腹梁下翼缘、下层混凝土曲板和腹板，第二次浇筑上翼缘及预制板上的叠合层。

△结构顾问总工谢定南方案设计阶段手稿

△鱼腹梁形成的箱型结构示意

△鱼腹梁空腔剖面示意

支撑墙体设计

为了给拉索提供支承，在矩形平面的两端结合建筑功能布置多道平行的钢筋混凝土剪力墙，各剪力墙之间通过扩大其端部边缘墙体厚度和设置高连梁使得建筑平面端部形成筒体。一方面满足结构竖向和侧向抗力要求，另一方面为建筑提供了可供灵活布置的大空间，从而形成钢筋混凝土剪力墙的抗侧力结构体系。

△墙体变形云图及墙体预应力型钢设计

基础设计

场地原始地貌单元属海岸平原。地表面平坦，场地内地基土埋深、层厚变化较大，性质差异较大，属于不均匀地基，场地内有较深厚的淤泥土层。结合本工程淤泥较厚，持力层较深的特点，并考察当地基础施工经验和桩基施工成熟度，本工程基础采用直径800mm桩径的钻孔灌注桩，并采用桩端桩侧后压浆以提高承载力。

△图书馆基础沉降云图

△博物馆基础沉降云图

由于悬索屋面通过预应力钢索与墙体连接，结构墙体受到偏拉作用，因此墙体在基础位置存在较大弯矩，为平衡此弯矩采用偏心布桩，而不是将承台的几何形心与墙体的几何形心重合，基本满足规范群桩重心与恒载重心重合的要求。

△群桩重心与恒载重心重合示意图

张拉过程分析

屋盖结构的预应力加载方案，有两种选择。

传统方案是：安装预应力索——调索（用千斤顶调整索的垂度）——铺预制混凝土板——加荷载（用红砖压重）——再调索——灌缝（细石混凝土）——卸荷——做保温防水层。这种方案优点是施工简单，受力原理清晰。缺点是需要通过后期修饰和吊顶来遮盖预制板和后浇缝，无法做成清水混凝土，拉索位于板下部，屋盖整体性略差。

△传统加载方案

玉环项目的施工方案是：采用缓粘结预应力技术，将预应力索布置在反曲屋面的楼板截面形心，反曲屋面整体浇筑完成并待混凝土达到设计强度后，再张拉预应力。这种施工方案，将在屋面下部形成完整的清水混凝土效果，无需进行多余的吊顶处理。

△玉环项目张拉方案

然而这种张拉方案，会让人有以下的担忧：一是，两边刚度那么大的墙体，在向外张拉时，预应力是被墙“吃”掉了还是加到板上了？如果被墙“吃”掉，板上没有预应力，拆模后整个下凹曲面壳体结构就会开裂严重；二是，张拉预应力时，板中会不会产生很大的弯矩作用。结构设计师和预应力厂家做了一系列数值模拟和试验研究后发现，如果屋面是平板的，预应力是加不到屋面板上去的，只有墙变形之后板才能受压；但对于反曲的板而言，在张拉过程中，由于板的平面外刚度比墙体平面内刚度小得多，板的底部会不断上移，使板处于受压状态，也就是预应力确实加到了板上。这种加载模式也基本符合R.B.B.Moorman提出的预应力作用的等效荷载法理论。