世博軸及地下綜合體工程索膜頂棚和陽光谷鋼結構設計

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汪大綏：各位領導、各位同仁，剛才丁院長的報告非常精彩，我現(xiàn)在講的內容是我們所承擔的在世博園里的另外一個項目，叫“世博軸”，下面對我們團隊所做的設計情況做一個簡單的介紹。

這里有一個跟丁院長相類似的內容，世博軸在整個世博園區(qū)里所處的位置是這里，這是世博園區(qū)圍欄區(qū)的中心部分，所謂的圍欄區(qū)是觀眾要買票才能進入的部分。圍欄區(qū)所有的場館在這里有5個是永久性的場館，剛才丁院長講了其中一個，5個場館成為一軸四館，左邊的是世博軸中心，右邊的是演藝中心，后面的是中國館和主題館，我們華東院現(xiàn)在承擔三個館的設計：演藝中心、世博中心和世博軸。這5個里面只有世博軸的建筑方案是外國的，其他都是我們中國建筑設計師的原創(chuàng)。

世博軸在園區(qū)里的位置非常重要，它所謂一個軸就是把整個場館串起來了，它的主要功能是參觀的觀眾到達了以后到園區(qū)安檢的地方，建筑創(chuàng)意非常有特色！它整個的長度是1公里左右。大家所看到的是它的地面部分，今天匯報也是主要講它的地面部分，索膜結構，它是南端的一個廣場，由地面通過各種交通方式進入世博園區(qū)里面，從這個廣場進入到世博軸的10米平臺，人民在10米平臺上進行排隊和安全檢查，所以這個地方人流量是非常大的！到世博園區(qū)有很多條地鐵，從地鐵來到園區(qū)的參觀者，從負10米的地下室在這里進行排隊、安檢，然后到達這里。可以看到整個世博軸兩邊有長長的綠坡，因為這個可以把陽光、空氣引入地下室，這樣在地下室里也不感覺是在地下室里。

上面的平臺是10米平臺。10米平臺上面是一個索膜結構，把它覆蓋起來，覆蓋總的長度大概是880米左右，寬度大概是80米，整個覆蓋的面積是63000平方米。這個是10米平臺的平面圖，這里大家可以簡單地看一下它的流向，從地面上有排隊區(qū)，也有安檢區(qū)。

這是VIP入口的流向。從這里可以看一下建筑效果。整個上面覆蓋部分我剛才說了880米覆蓋部分，由6個陽光谷和陽光谷之間的索膜結構組成。造型是非常生動的！這可能也是當今世界上比較大的一個索膜結構，它的單片膜面積達到1800平方米，可能是目前現(xiàn)在最大的單片膜，從這里大家可以看到陽光谷，陽光谷從建筑概念上來講它是把陽光和空氣引入地下室的概念。陽光谷也部分成為了索膜結構的拉節(jié)點和支點。

這是它的橫剖面，大家可以看一下它有一層地下室，上面兩層是1米標高和4米5標高，最上面是10米標高，這都有良好的通風條件。索膜結構的組成是由桅桿、谷索和脊索，以及其他一些輔助的索所構成的。大體的數(shù)字大家可以看一下，整個建筑面積是24萬平米，有覆蓋的建筑面積是24萬平米。

下面給大家介紹一下索膜結構體系，索膜結構體系的話在這里有一些數(shù)據(jù)，我剛才基本上都講過了。這張照片是昨天才趕出來的，大家能看懂意思就行了，這張照片是最近的，世博軸工程主體結構現(xiàn)在是最緊張的階段，陽光谷已經看到了，索的部分膜已經開始拉了，但是還沒有拉到規(guī)定的狀態(tài)。

這里可以看一下它的結構情況。還是先看這一張吧，索膜是靠兩邊的桅桿，兩邊的桅桿是一樣的，這個桅桿是用谷索拉在錨箍上，桅桿與桅桿之間有脊索和谷索，膜就是張拉在索上的。

再回到上面。上面的平面圖上可以看到6個陽光谷間距是不規(guī)則的，每個陽光谷的大小尺寸也是不一樣的，在這里出現(xiàn)很好看的彩色，好像是圖案一樣，實際上這個彩色標明了桿件的規(guī)格，它的變化很有規(guī)律的，形成一個滿好玩的圖形。

六面陽光谷的尺寸都不一樣，最大一個陽光谷上口的直徑大概是90米，90米X70米。單純的三角型網和鋼結構。我們的膜結構用的現(xiàn)在國際上強度最高的PTFE膜材，按照我們國家規(guī)范分類是A級，它按照每3厘米寬膜材的條抗拉強度，這個抗拉強度是略有差別的，因為彈性量也是有差別的。在膜的應力分析結果當中，所有的膜應力都必須要滿足這個強度的標準。

從這張圖可以更清楚地看到膜結構的組成。左邊的圖三角形是我們一個基本單元，大家可以看一下，這是一個曲邊三角形，三角形有三個定點，還有三個桅桿，每個桅桿之間有兩個背索，一個拉，一個壓來平衡，在同一邊的稱之為邊索，靠地面那邊的稱之為脊索，膜的位置最高點就在脊索上，大體上相當于三角型平分線的索是谷索，是往當中聚集的。從這兩邊的圖大家可以看一下右上的橫剖面，這里是桅桿、背索，以及水平索，還有內桅桿，大家看一下，在膜的這個地方、形成喇叭口的地方有一個內桅桿，內桅桿的作用是在設計深化過程當中提出來的，剛開始的方案還沒有內桅桿，沒有內桅桿的話膜在風作用下的變形非常非常大，控制不住，主要是因為膜的尺度太大了。

從中可以看到在內桅桿和外桅桿之間有水平的索，整個索膜結構體系還是相當復雜的。這是外桅桿的布局，外桅桿是由三個圓桿組成的，鋼是100的厚鋼板，上面有一個柱頭，所有的索是通過這個頭來連接，因為所有的索之間有一定夾角的要求，因為要保證梢子能插進去，這個索跟柱軸要穿梢子，所以使得它有一定的空間。

這是桅桿的制作。桅桿是以抗壓為主，但是考慮到結構性能要求，對它保留了一定量的抗壓能力，它的抗壓是在球角上做的隔板，它有一定的轉動能力，這個轉動能夠保證在地震作用下發(fā)生側移而不會被破壞。

這是一根內桅桿。內桅桿的作用是防止膜組織錐體有過大的向下的的傾斜，因為膜的尺度非常大，8、90米的膜，風吹的時候整個膜在風向作用下會向下，這樣就有很大的變形，這樣人在里面會很不舒服，因為不能定位，所以我們插了一個內桅桿，因為內桅桿的存在使得它可以擺動。同時對索整個張拉這里有一個環(huán)，我們的膜通過這個環(huán)往下拉，這樣膜就張開了。

這是桅桿的細部。大家看一下由于我們的雨水都會匯集到喇叭口底部，喇叭口底部雨水要通過內桅桿來排到排水系統(tǒng)去，所以這個是相當復雜的。可以看一下虛線所標識的就是排水管，如果我們的雨水不能夠順利地排出，在膜里產生積水的話那就會出現(xiàn)災難性的后果，所以要充分地保證雨水及時地排出來。這是排水管，很大的，而且要保證暢通。由于膜是受拉力的，所以內桅桿基本上是處于受壓的狀態(tài)。它下面做成一個水平條，要保證一定量抗壓的能力。

下面是陽光谷。這張背景照片是最近陽光谷已經基本完工的形狀，上面玻璃已經裝好了。陽光谷的結構是單層的單軸體系，它并不是一個旋轉面，是一個曲面，并不是旋轉面，因為半徑是變化的，造型確實是滿難的，要做成一個很流暢的表達，要有網格劃分，不是一件很容易的事情。即使是網格劃分好了以后，它下面的工作復雜性也是相當大的。

陽光谷的基本構建是巨型方管，它的基本尺度寬度是65，或者是80，高度是180，它特別采用了方管，而并不是過去經常使用的圓管，這個可能是建筑師的追求，因為近年來方管確實用得不太多，它的復雜性比圓管要大得多，我們經過這次的探索覺得這確實是非常難的。由于我們有部分的索膜結構要張拉在陽光谷上，所以在受力大地方有一些大的斷面，甚至是個別的地方要實行實心的斷面。

我們陽光谷總共有6個，6個有三家公司在做。上海、浙江、江蘇的三家公司分別在做。最大的是90米，在左上方這個，但是它不是對稱的，兩邊橢圓的，因此兩個方向是不一樣的?？梢钥匆幌逻@是一個不對稱的東西。由于有一部分的索要拉在陽光谷上，所以出現(xiàn)拉索的節(jié)點，如果這個角度很合適的話，大家可以看一下右邊，右邊的索通過一個耳桿，通過一個插銷連在陽光谷上，但是有的時候很難一直達到節(jié)點，這時候我們要對陽光谷的部分構建進行設計，大家看一下左邊的都插了鋼板，這樣就變成了實體的網格，而且索的中心線要對著這個中心，連接的方式通過這個鋼板來做。陽光谷的變化有很多，索的方位和高度角度變化也很多。

我想通過剛才的介紹大家對陽光谷大體情況有一個了解了，到底是怎么回事也有所了解了。下面我想講一下對于設計和研究方面做的一些工作。我們現(xiàn)在基本上是這樣的過程，就是我們首先要通過風洞實驗來得到風壓分布和風壓的時程。這個模型不是用膜做的模型，而是用有機玻璃來做的，所以稱之為一個物理模型，樣子是一樣的，但是性能是不一樣的。這部分做了之后我們就要在計算機里建立一個索膜的模型，在這個模型上施加預應力，然后再把風洞實驗所得到風的壓力分布加上去，在計算機進行一個時程的分析，這樣就可以得到索和膜的內力支撐，然后根據(jù)索和膜的內力來進行索和膜強度的組合。索膜的定律跟前面所講的索膜的時程進行比較，風振系數(shù)不能作為一個指定的量。

索膜的位移控制是按照一種等待跨度的十分之一吧，有這么一個公式，其中一條邊的三分之二對于膜結構本身是一個大變形的東西，跟我們一般性鋼鐵的彈性體結構完全不是一回事，但是對它的變形還是可以控制的，通過控制可以防止這個膜振動太厲害。

因為膜結構現(xiàn)在是受拉狀態(tài)，希望能夠保持初始的應力，膜應力不能出現(xiàn)松馳，常規(guī)狀態(tài)下膜不能松馳，松馳的應力為零，短期荷載下可能會出現(xiàn)部分松馳，但是要控制松馳面的面積，我們基本上是滿足要求的。一張膜局部的圖，在膜的下拉點附近可以看到藍色的數(shù)字是0，0就是松馳，它所占的面積跟膜相比是小于10%的。

膜面最大應力是大家最關心的。就是膜的強度不能超過它，如果超過它，你首先要把應力算準，現(xiàn)在膜的幾何形狀比較復雜，從我們這里來看，達到22000以內的膜是沒有問題的，超過22000的我們要用雙層膜來控制它，要做雙層膜，但是因為超過這個應力有沒有呢，有是有的，但是很少，從大體上黃綠色看不到，只有個別是黃綠色的，在下拉點附近黃綠色還是有一些的。這個是喇叭口，也有一些像花一樣的，這些是雙層膜的位置，是往下拉的地方，我們稱之為下拉點，會超過單層膜的強度，做出來是這樣的。另外還有從內桅桿底部這里還有一些斜的索，是防止風壓過大位移的，是吊住它的，這樣的話應力顯然會大一些，在局部也有些加強。

接下來我們做索膜結構局部倒塌分析，圓圈出來的桅桿把它弄斷了，它斷了以后有什么結果，會不會出現(xiàn)連續(xù)倒塌，這個索一斷，背索不算，這個桅桿上拉了7根索，假設恐怖分子來了，把這個索炸斷以后，這7根索里有5根松馳了，5根索只有一個數(shù)字，那就是背索斷掉以后，相應的索松掉了，但是有兩根是繃緊的，邊索是封起來的，它不會倒，為此我們也做過實驗，大家可以看一下這個實驗照片。左邊的照片是完好的，右邊的照片有意識地來切斷，這個破壞現(xiàn)象跟破壞理論分析還是相吻合的。

另外我們對索膜也做了一些健康的監(jiān)測，主要是兩個方面的內容，一個是對索力的監(jiān)測，還有一個是膜邊力的監(jiān)測。索力監(jiān)測是在索外面用一個雙層線圈組成的繞軸，刺激的話就會感應出來電壓，會感應出來，電壓大小和電流大小跟索的應力水平相關，同時測出感應出來的電流和電壓，然后就可以知道索力的變化了。下面還有一個簡單的例圖和實物，這個東西是放在露天的，我們是用不銹鋼做的，需要測的時候可以接上電線，不需要測的話就拆掉，什么時候測都可以，這個跟我們過去相比它的可靠性更高，技術上更先進，水平索和背索都做了應力監(jiān)測。

另外這是膜的應力監(jiān)測，它是采用真空的辦法，有一個空心的容器來壓在膜面上，四周密封，一抽真空以后，大家看一下頂上去了，頂上去的位移跟膜的應力是相關的，如果是膜繃得很緊就頂不上去，如果是膜松的話就頂上去了。

我們的計算分析這里就不去說了，主要是用兩個軟件。它的振動特性簡單地來說一下，這么大的尺度，它的基本原理就是振型非常地密集，它是這樣抖的，這是很不容易做的，因為抖的話平面尺度比較大。

這些是靜力分析，這個就不說了。這里還想講一個事情，就是穩(wěn)定性的分析。大家比較關心穩(wěn)定性，這個在表上會有，最小值是紅字，這是雙線性分析。下面要講的是什么呢，因為我們現(xiàn)在達到4點幾，甚至是8點幾，但是桿件的抗壓穩(wěn)定性沒有這么大，過去很多人提到，但是沒有很深入。這次是這樣的，我們要尋找桿件，如果桿件已經超過穩(wěn)定線路的話，一定要把這個桿件去掉，要把這個桿件的剛度殺死，你桿件壞的話怎么樣還來起到穩(wěn)定的作用呢，所以可以看到這樣的情況，部分的桿停止工作，并不會導致承載力的降低，當部分桿件失效的時候，我們強度大概還剩下70%左右的效果。

最后還有幾分鐘來講一下關于節(jié)點的事情。我們這次設計過程當中花的時間最多的是節(jié)點怎么樣來做出來，怎么樣來制造節(jié)點，我們也走出了一條很有意思的道路，基本上可以實現(xiàn)了從CAD到CAM的銜接。就是計算機輔助設計和計算機輔助制造的銜接。難的是方型的管件，六根方管交匯于同一點，你怎么樣確定方管的方向呢，因為方管理有一個強軸，有一個弱軸，每一個節(jié)點都有一個法向，另外一端是另外一個節(jié)點，我又不能把鋼管擰成一個麻花，所以我們必須要有一個辦法來找到正確的方向?，F(xiàn)在有這么一個定義，比如說6根桿分成6個小平面，6個小平方兩兩之間有一個夾角，另一個桿件的方向是夾角的平衡線，這個法向就是我們一個等待的該節(jié)點的法向，每根桿件都有很痛苦的三個角度，有大量數(shù)據(jù)都是圖沒法畫的，但是可以算得出來，都是算得出來的，但是算得出來畫不出來，一個陽光谷大概有3千個節(jié)點，3千個節(jié)點沒有一個是畫出來的，如果沒有計算機來實現(xiàn)的話，我們沒法知道該怎么樣做，但是現(xiàn)在我們很好地完成了，也做到了。

我們有三家工廠分別用不同的工藝來做，我比較欣賞的是大家現(xiàn)在看到的這個，這個節(jié)點有兩種，一個是鑄鋼節(jié)點，一個是焊接節(jié)點。大家現(xiàn)在看到鑄鋼節(jié)點的加工過程，看到這個圖，是一個機器人在切割一個泡沫塑料，大家可以看到，這個泡沫塑料那邊有一個小圓弧，這個邊上有一個切割邊，這個切割邊上頭小，下頭大，它這里有一個扭角，這個扭角是電腦算出來的，然后告訴機器人，在這邊這個圖，按照這種方法切割出來的模具可以組裝成一個節(jié)點，因為你切割得非常精密，膠水一涂就粘在一塊了，所有的定位都是非常準確的，組裝好了以后表面上有很多編號，那是每個桿件的編號，如果是模具和桿件的編號編錯了是裝不上去的，絕對不能換地方，也就是說找不到兩根相同的桿件和兩個相同的節(jié)點，如果沒有計算機輔助制造的話我們是做不到這一點的。

然后用這個模具來做出來了鑄鋼節(jié)點。最后一個圖是用非常先進的控制設備來檢測經過加工以后的面，它的空間角度都是符合我們的設計要求。這是我們一個從CAD到CAM轉變的過程。外面的世界很精彩，不知道機械制造還有這個本事，當時我們原來的方案是德國的方案，我們不能這樣做，我們中國人喜歡搞焊接，焊接的話有誤差還可以調一下，還有一個是如果是按照德國人的方法來做的話，技術費用就是9千多萬，我們還不需要花這個錢，所以自己來做。我們同濟大學、浙江大學與相關的工廠一起大家共同經過很痛苦的過程，最終這條路算走通了，感到非常高興！

這是一個焊接節(jié)點，焊接節(jié)點是用同樣的工藝，但是它切割出來不是塑料模塊，而就是桿件，它不是用一個電熱絲切割的，是等離子來切割出來的。整個結構很難很難，這個實驗也做了一下。這是我們最近的，本周現(xiàn)場膜的照片。大家看到陽光谷出來了，膜也上去了。但是現(xiàn)在還是很緊張的時刻，還需要靠各方的共同努力！

好的。謝謝大家！