世博軸及地下綜合體工程索膜頂棚和陽光谷鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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汪大綏：各位領(lǐng)導(dǎo)、各位同仁，剛才丁院長的報(bào)告非常精彩，我現(xiàn)在講的內(nèi)容是我們所承擔(dān)的在世博園里的另外一個(gè)項(xiàng)目，叫“世博軸”，下面對(duì)我們團(tuán)隊(duì)所做的設(shè)計(jì)情況做一個(gè)簡單的介紹。

這里有一個(gè)跟丁院長相類似的內(nèi)容，世博軸在整個(gè)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(jìn)入的部分。圍欄區(qū)所有的場館在這里有5個(gè)是永久性的場館，剛才丁院長講了其中一個(gè)，5個(gè)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?nèi)A東院現(xiàn)在承擔(dān)三個(gè)館的設(shè)計(jì)：演藝中心、世博中心和世博軸。這5個(gè)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(shè)計(jì)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(gè)軸就是把整個(gè)場館串起來了，它的主要功能是參觀的觀眾到達(dá)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(gè)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(bào)也是主要講它的地面部分，索膜結(jié)構(gòu)，它是南端的一個(gè)廣場，由地面通過各種交通方式進(jìn)入世博園區(qū)里面，從這個(gè)廣場進(jìn)入到世博軸的10米平臺(tái)，人民在10米平臺(tái)上進(jìn)行排隊(duì)和安全檢查，所以這個(gè)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(fù)10米的地下室在這里進(jìn)行排隊(duì)、安檢，然后到達(dá)這里。可以看到整個(gè)世博軸兩邊有長長的綠坡，因?yàn)檫@個(gè)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(tái)是10米平臺(tái)。10米平臺(tái)上面是一個(gè)索膜結(jié)構(gòu)，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(gè)覆蓋的面積是63000平方米。這個(gè)是10米平臺(tái)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(duì)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(gè)上面覆蓋部分我剛才說了880米覆蓋部分，由6個(gè)陽光谷和陽光谷之間的索膜結(jié)構(gòu)組成。造型是非常生動(dòng)的！這可能也是當(dāng)今世界上比較大的一個(gè)索膜結(jié)構(gòu)，它的單片膜面積達(dá)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(jié)構(gòu)的拉節(jié)點(diǎn)和支點(diǎn)。

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(biāo)高和4米5標(biāo)高，最上面是10米標(biāo)高，這都有良好的通風(fēng)條件。索膜結(jié)構(gòu)的組成是由桅桿、谷索和脊索，以及其他一些輔助的索所構(gòu)成的。大體的數(shù)字大家可以看一下，整個(gè)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(jié)構(gòu)體系，索膜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)現(xiàn)在是最緊張的階段，陽光谷已經(jīng)看到了，索的部分膜已經(jīng)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(jié)構(gòu)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(gè)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(gè)陽光谷間距是不規(guī)則的，每個(gè)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(shí)際上這個(gè)彩色標(biāo)明了桿件的規(guī)格，它的變化很有規(guī)律的，形成一個(gè)滿好玩的圖形。

六面陽光谷的尺寸都不一樣，最大一個(gè)陽光谷上口的直徑大概是90米，90米X70米。單純的三角型網(wǎng)和鋼結(jié)構(gòu)。我們的膜結(jié)構(gòu)用的現(xiàn)在國際上強(qiáng)度最高的PTFE膜材，按照我們國家規(guī)范分類是A級(jí)，它按照每3厘米寬膜材的條抗拉強(qiáng)度，這個(gè)抗拉強(qiáng)度是略有差別的，因?yàn)閺椥粤恳彩怯胁顒e的。在膜的應(yīng)力分析結(jié)果當(dāng)中，所有的膜應(yīng)力都必須要滿足這個(gè)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)。

從這張圖可以更清楚地看到膜結(jié)構(gòu)的組成。左邊的圖三角形是我們一個(gè)基本單元，大家可以看一下，這是一個(gè)曲邊三角形，三角形有三個(gè)定點(diǎn)，還有三個(gè)桅桿，每個(gè)桅桿之間有兩個(gè)背索，一個(gè)拉，一個(gè)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(diǎn)就在脊索上，大體上相當(dāng)于三角型平分線的索是谷索，是往當(dāng)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(nèi)桅桿，大家看一下，在膜的這個(gè)地方、形成喇叭口的地方有一個(gè)內(nèi)桅桿，內(nèi)桅桿的作用是在設(shè)計(jì)深化過程當(dāng)中提出來的，剛開始的方案還沒有內(nèi)桅桿，沒有內(nèi)桅桿的話膜在風(fēng)作用下的變形非常非常大，控制不住，主要是因?yàn)槟さ某叨忍罅恕?/p>

從中可以看到在內(nèi)桅桿和外桅桿之間有水平的索，整個(gè)索膜結(jié)構(gòu)體系還是相當(dāng)復(fù)雜的。這是外桅桿的布局，外桅桿是由三個(gè)圓桿組成的，鋼是100的厚鋼板，上面有一個(gè)柱頭，所有的索是通過這個(gè)頭來連接，因?yàn)樗械乃髦g有一定夾角的要求，因?yàn)橐ＷC梢子能插進(jìn)去，這個(gè)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(jié)構(gòu)性能要求，對(duì)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(zhuǎn)動(dòng)能力，這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)能夠保證在地震作用下發(fā)生側(cè)移而不會(huì)被破壞。

這是一根內(nèi)桅桿。內(nèi)桅桿的作用是防止膜組織錐體有過大的向下的的傾斜，因?yàn)槟さ某叨确浅４螅?、90米的膜，風(fēng)吹的時(shí)候整個(gè)膜在風(fēng)向作用下會(huì)向下，這樣就有很大的變形，這樣人在里面會(huì)很不舒服，因?yàn)椴荒芏ㄎ唬晕覀儾辶艘粋€(gè)內(nèi)桅桿，因?yàn)閮?nèi)桅桿的存在使得它可以擺動(dòng)。同時(shí)對(duì)索整個(gè)張拉這里有一個(gè)環(huán)，我們的膜通過這個(gè)環(huán)往下拉，這樣膜就張開了。

這是桅桿的細(xì)部。大家看一下由于我們的雨水都會(huì)匯集到喇叭口底部，喇叭口底部雨水要通過內(nèi)桅桿來排到排水系統(tǒng)去，所以這個(gè)是相當(dāng)復(fù)雜的。可以看一下虛線所標(biāo)識(shí)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(chǎn)生積水的話那就會(huì)出現(xiàn)災(zāi)難性的后果，所以要充分地保證雨水及時(shí)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(nèi)桅桿基本上是處于受壓的狀態(tài)。它下面做成一個(gè)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(jīng)基本完工的形狀，上面玻璃已經(jīng)裝好了。陽光谷的結(jié)構(gòu)是單層的單軸體系，它并不是一個(gè)旋轉(zhuǎn)面，是一個(gè)曲面，并不是旋轉(zhuǎn)面，因?yàn)榘霃绞亲兓?，造型確實(shí)是滿難的，要做成一個(gè)很流暢的表達(dá)，要有網(wǎng)格劃分，不是一件很容易的事情。即使是網(wǎng)格劃分好了以后，它下面的工作復(fù)雜性也是相當(dāng)大的。

陽光谷的基本構(gòu)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(jīng)常使用的圓管，這個(gè)可能是建筑師的追求，因?yàn)榻陙矸焦艽_實(shí)用得不太多，它的復(fù)雜性比圓管要大得多，我們經(jīng)過這次的探索覺得這確實(shí)是非常難的。由于我們有部分的索膜結(jié)構(gòu)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(gè)別的地方要實(shí)行實(shí)心的斷面。

我們陽光谷總共有6個(gè)，6個(gè)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(gè)，但是它不是對(duì)稱的，兩邊橢圓的，因此兩個(gè)方向是不一樣的?？梢钥匆幌逻@是一個(gè)不對(duì)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(diǎn)，如果這個(gè)角度很合適的話，大家可以看一下右邊，右邊的索通過一個(gè)耳桿，通過一個(gè)插銷連在陽光谷上，但是有的時(shí)候很難一直達(dá)到節(jié)點(diǎn)，這時(shí)候我們要對(duì)陽光谷的部分構(gòu)建進(jìn)行設(shè)計(jì)，大家看一下左邊的都插了鋼板，這樣就變成了實(shí)體的網(wǎng)格，而且索的中心線要對(duì)著這個(gè)中心，連接的方式通過這個(gè)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(duì)陽光谷大體情況有一個(gè)了解了，到底是怎么回事也有所了解了。下面我想講一下對(duì)于設(shè)計(jì)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(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來得到風(fēng)壓分布和風(fēng)壓的時(shí)程。這個(gè)模型不是用膜做的模型，而是用有機(jī)玻璃來做的，所以稱之為一個(gè)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(jì)算機(jī)里建立一個(gè)索膜的模型，在這個(gè)模型上施加預(yù)應(yīng)力，然后再把風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)所得到風(fēng)的壓力分布加上去，在計(jì)算機(jī)進(jìn)行一個(gè)時(shí)程的分析，這樣就可以得到索和膜的內(nèi)力支撐，然后根據(jù)索和膜的內(nèi)力來進(jìn)行索和膜強(qiáng)度的組合。索膜的定律跟前面所講的索膜的時(shí)程進(jìn)行比較，風(fēng)振系數(shù)不能作為一個(gè)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(gè)公式，其中一條邊的三分之二對(duì)于膜結(jié)構(gòu)本身是一個(gè)大變形的東西，跟我們一般性鋼鐵的彈性體結(jié)構(gòu)完全不是一回事，但是對(duì)它的變形還是可以控制的，通過控制可以防止這個(gè)膜振動(dòng)太厲害。

因?yàn)槟そY(jié)構(gòu)現(xiàn)在是受拉狀態(tài)，希望能夠保持初始的應(yīng)力，膜應(yīng)力不能出現(xiàn)松馳，常規(guī)狀態(tài)下膜不能松馳，松馳的應(yīng)力為零，短期荷載下可能會(huì)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(diǎn)附近可以看到藍(lán)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(yīng)力是大家最關(guān)心的。就是膜的強(qiáng)度不能超過它，如果超過它，你首先要把應(yīng)力算準(zhǔn)，現(xiàn)在膜的幾何形狀比較復(fù)雜，從我們這里來看，達(dá)到22000以內(nèi)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?yàn)槌^這個(gè)應(yīng)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(gè)別是黃綠色的，在下拉點(diǎn)附近黃綠色還是有一些的。這個(gè)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(diǎn)，會(huì)超過單層膜的強(qiáng)度，做出來是這樣的。另外還有從內(nèi)桅桿底部這里還有一些斜的索，是防止風(fēng)壓過大位移的，是吊住它的，這樣的話應(yīng)力顯然會(huì)大一些，在局部也有些加強(qiáng)。

接下來我們做索膜結(jié)構(gòu)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(jié)果，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)連續(xù)倒塌，這個(gè)索一斷，背索不算，這個(gè)桅桿上拉了7根索，假設(shè)恐怖分子來了，把這個(gè)索炸斷以后，這7根索里有5根松馳了，5根索只有一個(gè)數(shù)字，那就是背索斷掉以后，相應(yīng)的索松掉了，但是有兩根是繃緊的，邊索是封起來的，它不會(huì)倒，為此我們也做過實(shí)驗(yàn)，大家可以看一下這個(gè)實(shí)驗(yàn)照片。左邊的照片是完好的，右邊的照片有意識(shí)地來切斷，這個(gè)破壞現(xiàn)象跟破壞理論分析還是相吻合的。

另外我們對(duì)索膜也做了一些健康的監(jiān)測，主要是兩個(gè)方面的內(nèi)容，一個(gè)是對(duì)索力的監(jiān)測，還有一個(gè)是膜邊力的監(jiān)測。索力監(jiān)測是在索外面用一個(gè)雙層線圈組成的繞軸，刺激的話就會(huì)感應(yīng)出來電壓，會(huì)感應(yīng)出來，電壓大小和電流大小跟索的應(yīng)力水平相關(guān)，同時(shí)測出感應(yīng)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(gè)簡單的例圖和實(shí)物，這個(gè)東西是放在露天的，我們是用不銹鋼做的，需要測的時(shí)候可以接上電線，不需要測的話就拆掉，什么時(shí)候測都可以，這個(gè)跟我們過去相比它的可靠性更高，技術(shù)上更先進(jìn)，水平索和背索都做了應(yīng)力監(jiān)測。

另外這是膜的應(yīng)力監(jiān)測，它是采用真空的辦法，有一個(gè)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(yīng)力是相關(guān)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(jì)算分析這里就不去說了，主要是用兩個(gè)軟件。它的振動(dòng)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?yàn)槎兜脑捚矫娉叨缺容^大。

這些是靜力分析，這個(gè)就不說了。這里還想講一個(gè)事情，就是穩(wěn)定性的分析。大家比較關(guān)心穩(wěn)定性，這個(gè)在表上會(huì)有，最小值是紅字，這是雙線性分析。下面要講的是什么呢，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在達(dá)到4點(diǎn)幾，甚至是8點(diǎn)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(jīng)超過穩(wěn)定線路的話，一定要把這個(gè)桿件去掉，要把這個(gè)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(huì)導(dǎo)致承載力的降低，當(dāng)部分桿件失效的時(shí)候，我們強(qiáng)度大概還剩下70%左右的效果。

最后還有幾分鐘來講一下關(guān)于節(jié)點(diǎn)的事情。我們這次設(shè)計(jì)過程當(dāng)中花的時(shí)間最多的是節(jié)點(diǎn)怎么樣來做出來，怎么樣來制造節(jié)點(diǎn)，我們也走出了一條很有意思的道路，基本上可以實(shí)現(xiàn)了從CAD到CAM的銜接。就是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)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(diǎn)，你怎么樣確定方管的方向呢，因?yàn)榉焦芾碛幸粋€(gè)強(qiáng)軸，有一個(gè)弱軸，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)法向，另外一端是另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)，我又不能把鋼管擰成一個(gè)麻花，所以我們必須要有一個(gè)辦法來找到正確的方向。現(xiàn)在有這么一個(gè)定義，比如說6根桿分成6個(gè)小平面，6個(gè)小平方兩兩之間有一個(gè)夾角，另一個(gè)桿件的方向是夾角的平衡線，這個(gè)法向就是我們一個(gè)等待的該節(jié)點(diǎn)的法向，每根桿件都有很痛苦的三個(gè)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(gè)陽光谷大概有3千個(gè)節(jié)點(diǎn)，3千個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有一個(gè)是畫出來的，如果沒有計(jì)算機(jī)來實(shí)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(gè)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩種，一個(gè)是鑄鋼節(jié)點(diǎn)，一個(gè)是焊接節(jié)點(diǎn)。大家現(xiàn)在看到鑄鋼節(jié)點(diǎn)的加工過程，看到這個(gè)圖，是一個(gè)機(jī)器人在切割一個(gè)泡沫塑料，大家可以看到，這個(gè)泡沫塑料那邊有一個(gè)小圓弧，這個(gè)邊上有一個(gè)切割邊，這個(gè)切割邊上頭小，下頭大，它這里有一個(gè)扭角，這個(gè)扭角是電腦算出來的，然后告訴機(jī)器人，在這邊這個(gè)圖，按照這種方法切割出來的模具可以組裝成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，因?yàn)槟闱懈畹梅浅＞埽z水一涂就粘在一塊了，所有的定位都是非常準(zhǔn)確的，組裝好了以后表面上有很多編號(hào)，那是每個(gè)桿件的編號(hào)，如果是模具和桿件的編號(hào)編錯(cuò)了是裝不上去的，絕對(duì)不能換地方，也就是說找不到兩根相同的桿件和兩個(gè)相同的節(jié)點(diǎn)，如果沒有計(jì)算機(jī)輔助制造的話我們是做不到這一點(diǎn)的。

然后用這個(gè)模具來做出來了鑄鋼節(jié)點(diǎn)。最后一個(gè)圖是用非常先進(jìn)的控制設(shè)備來檢測經(jīng)過加工以后的面，它的空間角度都是符合我們的設(shè)計(jì)要求。這是我們一個(gè)從CAD到CAM轉(zhuǎn)變的過程。外面的世界很精彩，不知道機(jī)械制造還有這個(gè)本事，當(dāng)時(shí)我們?cè)瓉淼姆桨甘堑聡姆桨?，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(diào)一下，還有一個(gè)是如果是按照德國人的方法來做的話，技術(shù)費(fèi)用就是9千多萬，我們還不需要花這個(gè)錢，所以自己來做。我們同濟(jì)大學(xué)、浙江大學(xué)與相關(guān)的工廠一起大家共同經(jīng)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(gè)焊接節(jié)點(diǎn)，焊接節(jié)點(diǎn)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(gè)電熱絲切割的，是等離子來切割出來的。整個(gè)結(jié)構(gòu)很難很難，這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)刻，還需要靠各方的共同努力！

好的。謝謝大家！