杭州西湖博物馆的结构设计

39第40卷增刊建筑结构2010年4月杭州西湖博物馆的结构设计金振奋，沈金（浙江大学建筑设计研究院，杭州310027）[摘要]杭州西湖博物馆主体建筑设于地下，造型新颖，体系较为复杂。超长地下室结构通过设置施工后浇带、内掺新型聚丙乙烯抗裂纤维、优化混凝土配合比等综合措施不设缝。主展厅为二跨单层斜框架，跨度大、荷载重，采用型钢混凝土框架结构，外墙采用全拉索点式空间扭面幕墙。[关键词]型钢混凝土框架；全拉索点式空间扭面幕墙AnalysisanddesignofHangzhou’sWestLakeMuseumJinZhenfen,ShenJin（TheArchitecturalDesignandResearchInstituteofZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China）Abstract:TheWestLakeMuseumisundertheground,withnovelstyleandcomplexstructure.Thelongbasementisnosettlementjointbytheconstructionofcast-in-situbelt,innermixingDURAfiberandtheoptimizeddistributionofconcrete.Themajorexhibitionhallisonestoreytwospansobliqueframe,withthesteelreinforcedconcreteframestructure.Theoutsideisadoptedthestayedcabletosupportthecurvecurtainwall.Keywords:thesteelreinforcedconcreteframestructure；thestayed-cablecurvecurtainwall1工程概况杭州西湖博物馆位于浙江省杭州市西湖东南侧，东邻南山路，南靠柳浪闻莺公园，西接西湖水域，北侧为著名的钱王祠景点，地理位置十分优越，为西湖综合保护工程之一。博物馆主要包括主展厅、旅游接待中心及办公部分等。为保护西湖轮廓线，并使博物馆与西湖环境相协调，其主体建筑设于地下，仅东、北两侧办公部分有一层地面建筑。展厅顶板向西南方向倾斜，通过上部覆土，并自然布置了5滴象征西湖的水滴，使该建筑与周边环境连为一体。该场地局部有需要保护的古树名木，结构在相应部位开设了洞口。通过在展厅的东、北两侧设置全拉索点式空间扭面幕墙，体现了其现代性。博物馆鸟瞰图见图1。图1西博馆整体鸟瞰图博物馆主体结构采用现浇钢筋混凝土框架结构，地下一层，局部设置钢结构夹层作为各部分的连接通道。根据造型需要，主展厅采用边柱为斜柱、顶部为斜梁、斜板的地下单层二跨斜框架，最大跨度为26.1m，最大柱高约为15.0m，且顶板上有较厚的覆土及较大的绿化荷载。斜屋面最高点建筑设计标高为8.535m。2结构计算和分析2.1设计参数选取建筑结构设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，结构重要性系数1.0。杭州地区抗震设防烈度为6度，设计地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，建筑抗震设防分类为乙类，场地土类型为II类。风荷载标准值基本风压（考虑50年重现期）：0.45kN/m2；地面粗糙度：B类。楼、地面的活荷载按现行荷载规范取值，并考虑活荷载的不利布置。主展厅屋面上考虑覆土厚度为600mm，活荷载为4.00KN/m2。2.2结构计算和分析结构整体分析计算采用PKPM系列程序。主体结构混凝土部分采用SATWE、TAT及PMSAP进行整体计算，并对典型的单层二跨斜框架采用PK进行复核。40二层局部钢结构连廊采用PKPM系列的STS进行计算，东、北两侧的幕墙及顶板上的水滴形幕墙采用SAP2000进行计算。3主体结构设计3.1地基基础设计根据地质勘探报告，工程位于杭嘉湖平原的西南部，属于比较典型的第四纪软粘土地区，主要土层的物理力学指标见表1。主要土层物理力学指标表1层号土层名称层厚/m桩周土摩擦力特征值/kPa○1杂填土1.3~4.6—○2-1粉质粘土0.9~2.111○2-2粘质粉土0.8~1.614○3-1砂质夹砂质粉土0.4~2.56○4-1粉质粘土0.5~3.316○4-2粘土1.1~6.220○5-1全风化凝灰岩1.5~19.725○5-2全风化凝灰岩1.8~14.030○5-3强风化凝灰岩未穿透42基础结构采用桩基、独立承台加双向地梁的形式。由于场地地下水位较高加上工程以单层大跨度地下展厅为主，结构受到的净上浮力较大，桩基设计需考虑结构整体抗浮。且考虑到桩基施工对周边环境的影响，经优化比选确定采用钻孔灌注桩。经计算，钻孔灌注桩直径为700和800，以○5-3强风化凝灰岩层作为桩端持力层，桩端土承载力特征值为1500kPa，有效桩长约为30.0m。抗拔桩计算时桩周土抗拔承载力系数除○2-2层取0.70外，其余土层取0.80，抗拔桩直径为800，控制有效桩长为16.0m。灌注桩混凝土强度等级为C25。3.2超长地下室设计博物馆主体均设于地下层1，整个地下室为一不规则的四边形，两个方向最长边分别约为75，120m，属于超长地下室结构，且为了保护古树名木，在局部区域开设洞口。地下室平面布置如图2所示。图2地下室结构平面布置图由于地下室防水要求较高（防水等级为一级），仅在办公、研究及接待部分在地下室顶板以上设一道伸缩缝，缝宽按防震缝要求设置，整个超长地下室结构不设缝。为了有效减少施工期间混凝土水化热引起的干缩和冷缩，避免混凝土出现有害的裂缝，较好地解决超长地下室结构抗裂、防渗的问题，采用设置施工后浇带、混凝土内掺新型聚丙乙烯抗裂纤维（杜拉纤维）、优化混凝土配合比、外侧设置柔性防水层及加强养护等综合措施。该建筑2005年10月投入使用至今，未发现有害裂缝，说明综合措施效果较好。根据勘探报告知，地下水主要为空隙潜水，分布于浅层填土及粘质粉土层中，分布广泛而连续，抗浮设计水位为8.20m（黄海高程）。该工程地下室底板底标高为2.40m（黄海高程），抗浮水头为5.80m。整个展厅只有地下一层，而且柱距很大，每个柱下浮力很大，为减少抗拔桩数量，降低工程造价，采用底板与地梁下平，底板上覆土至建筑设计标高。3.3主体结构设计博物馆主展厅为二跨（最大跨26.1m+17.4m）单层斜框架，上部有较厚的覆土及较大的绿化荷载。工程工期非常紧，如果采用预应力混凝土结构，需要二次张拉预应力，施工顺序复杂、控制较难；如果采用钢结构，直接与土接触，防腐、消防及耐久性要求较难满足，而且用钢量较大。经优化比选确定采用型钢混凝土框架结构，具有较高的可靠性、较大的结构刚度、较好的耐久性、施工相对简单、进度较快的特点，较好地满足建筑功能要求。框架抗震等级为三级。典型型钢混凝土框架如图3所示。图3典型型钢混凝土框架详图由计算结果可知，梁端部最大负弯矩约为7880kN·m，梁中部最大正弯矩为4420kN·m，最大剪力为2965kN。梁断面采用700×1800，型钢钢骨采用焊接工字钢1500×400×25×30×30，如图4所示。框架柱端部最大弯矩约为3224kN·m，最大剪力为739kN，最大轴力约为2500kN。框架柱断面采用800×1400，型钢钢骨采用焊接工字钢400×900×25×30×30，见图5。柱脚的设计见图6。4钢结构设计博物馆主展厅内局部设置了钢结构平台，形成主41展厅与其余配套部分的连接通道，并增加了展览的面积。该钢结构平台造型独特，较为复杂，展厅中部通过框架柱单边悬挑而成，其余部分采用底板上设置钢柱两边悬挑而成，钢柱脚采用埋入式。由计算结果可知，钢梁采用焊接工字钢，主要断面250×500×15×18。钢梁采用圆钢管245×10。钢结构走廊的楼板采用4mm厚花纹钢板。钢材采用Q345B。图4型钢梁详图图5型钢柱详图图6型钢柱脚详图5幕墙设计为满足建筑造型新颖、弱化幕墙结构构件、达到通透、明亮、现代的效果，结合工程结构的特点，博物馆大厅外墙采用全拉索点式空间扭面幕墙，幕墙最高处净高约15m，为目前国内较为新颖的幕墙结构形式。幕墙的受力体系由两根交叉的14不锈钢钢绞线和50不锈钢连系杆组成，间距约2.25m。钢绞线上部连接在变截面焊接工字钢上，通过钢梁将力传至主体混凝土结构；下部直接连接在混凝土地梁上。外围采用8+9A+8双钢化中空玻璃的无空点式玻璃幕墙。其剖面如图10所示。图10幕墙剖面详图展厅屋面上有较厚的覆土及绿化，中间随意地分布有5个水滴，最大的直径约为14.0m，最小的直径约为3.0m。这些水滴通过在混凝土结施上开设洞口，上部覆盖弧形点式采光幕墙，幕墙采用6+9A+6+1.14+6双钢化中空夹胶玻璃。6结论（1）该结构造型新颖，体系较为复杂，有针对性地采用不同的计算程序进行计算，满足结构设计要求，较好地实现了建筑方案的构思。（2）超长地下室结构不设缝，采用设置施工后浇带、混凝土内掺新型聚丙乙烯抗裂纤维（杜拉纤维）、优化混凝土配比、外侧设置柔性防水层及加强养护等综合措施，较好地解决超长地下室结构抗裂防渗难题。（3）展厅为二跨单层斜框架，跨度大、荷载大，采用型钢混凝土框架结构，可靠性高，结构刚度大，耐久性好，施工相对简单，进度较快，较好地满足建筑功能要求。（4）展厅外墙采用全拉索点式空间扭面幕墙，通透、明亮、现代，幕墙最高处净高约15m，为目前国内较为新颖的幕墙结构形式。参考文献[1]GB50010—2002混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.[2]GB50011—2001建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.[3]GB50017—2003钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.作者简介：金振奋，硕士，工程师，Email：[e-mail]。