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天津博物馆的建筑设计和结构体系

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    陈志华 王小盾 严定中 陈勇 张
    摘要：介绍了天津博物馆的工程概况，分析了天津博物馆的设计思想和特点，研究了总体规划、建筑的平面设计、立面设计、剖面设计和外观照明设计，分析了结构体系、上部钢和混凝土结构设计以及下部结构设计，并通过对天津博物馆建筑设计和结构设计的分析论述，展现了天津博物馆作为标志性建筑的所独具的特色，同时也说明一个优秀的建筑作品离不开建筑和结构的有机结合。
    关键词：天津博物馆；结构设计；建筑设计
    中图分类号：TU 文献标识码：

    1 工程概况
    天津博物馆位于天津市友谊路与平江道交口处, 用地南至平江道，西至友谊路，东至四号路，占地面积约5万?，总建筑面积约3.5万?，建筑物总高度约为33m, 主体部分结构形式为钢筋混凝土框架--剪力墙钢支撑结构,屋盖为钢网壳，建筑平面呈半圆形,直径达186m,基础形式为桩--承台基础。
    天津博物馆是天津市历史、艺术综合博物馆,建筑物外形为仿天鹅造型建筑。天津博物馆由陈列展览区、藏品库房区、图书资料中心、办公与技术用房和设备用房等五大部分组成，建筑层数为三层，在室外设有容积为6500m3天鹅湖（分为两部分）。
    2 天津博物馆设计思想和方案特点
    作为新天津的标志性建筑，天津博物馆的设计不仅要具有鲜明的现代风格，追求作为建筑自身所具有的技术先进、功能合理的设计理念，而且要反映天津的城市特点和风貌，展现现代都市的魅力，体现天津博物馆馆藏实力，为天津增添一份独特的文化气息，同时还要保证天津博物馆与文化艺术中心、行政中心及天鹅湖的整体和谐并各自独具特色。天津博物馆是通过国际公开的设计招投标确定的方案，由日本川口卫设计事务所和高松伸设计事务所中标，初步设计和施工图设计由川口卫设计事务所总负责，联合高松伸设计事务所和天津市建筑设计院等共同完成，天津大学建工学院负责了天津博物馆的科研、试验和关键技术的研究、开发和设计等工作。
    天津博物馆的通道是从天鹅颈部走廊中穿过，到达风除室后再接着进入结构主体。该方案中，壳面和幕墙曲面光滑、浑圆，与地面自然连接，整体装修以白色为基调，形成一个“展翅飞翔的天鹅”的造型。
    3 天津博物馆建筑设计
    天津博物馆由天鹅湖、天鹅颈和绿色项链构成，整体布局沿占地的西北向轴线对称。
    3.1 总体规划
    在天鹅湖东西两侧湖岸和长189m的天鹅颈范围内，共设有三个参观主入口,在与来宾入口相对的一侧（南侧）设有四个工作人员出入口、一个文物出入口。
    汽车停车场、自行车存车场设在从东侧主入口看不到的地方，并将冷却塔和卫星接收天线也设在该区域。
    天鹅湖直径130m，水深从300mm到800mm逐渐加深，湖岸可供儿童嬉戏。天鹅湖周围设有广场，采用花岗岩铺地，并在石材下铺两层砂和灰土的来防止冰冻所造成的花岗岩脱落。
    在网壳的外围设7m宽防水防盗沟，既能防止突发洪水进入藏品库，也可以防盗。
    3.2 平面设计
    天津博物馆首层为钢筋混凝土结构，柱网为7mX7m，二层为钢筋混凝土结构，柱网为14m×14m，三层为钢结构，只在展室的隔墙部分设置柱，展室为跨度28m×45m的无柱大空间。
    （1）首层平面设计
    首层平面图如图1所示。在北侧设置前厅，其中包括序厅、问询处、售票处、贵宾室、多功能厅、图书阅览区域等；在南侧设置有收藏室、设备室、办公室等。

    设在壳面的边缘部分的办公室可以实现自然采光和通风。
    前厅的东西两端各设置一个圆厅，圆厅的外形为独特的组合圆顶，以反光板来装饰，衬托出前厅漂亮的空间。 东端的圆厅为多功能厅，是前厅的休息空间。西端的圆厅为贵宾厅。在前厅内设置茶座，参观人员可以在休息的同时欣赏天鹅湖的景色。
    在防盗措施良好的首层的中央部位设置藏品库，它距外墙的位置适中，内部不受外部环境干扰。藏品库的各个出入口均安装防盗门，内部设置消毒装置。搬运口设在藏品库的中间，具有足够的操作空间。
    （2） 二层、三层平面设计
    前厅北侧的通道是通向展室的主要路线，展室设在中央，沿壳的南侧一边设置工作人员用通道，前厅与展室之间由斜墙分开。
    （3）内部路线设计
    参观人员的参观路线与工作人员的工作路线明确分开。参观路线设在北侧（前厅一侧），工作人员路线设在南侧。前厅中央的自动扶梯为主参观路线。
    3.3 剖面设计
    首层为序厅、多功能厅、贵宾厅、图书资料中心、藏品库和办公室，二层为博物馆及民族展展室，三层为天津历史展室。
    一至二层的层高为5m，二至三层的层高为8.7m，层高设定留有较大余量，可确保足够的设备检修空间。首层前厅地面高度可比藏品库高1000mm，因此可充分利用壳面端部空间。在三层展室，吊顶的高度从3m到13.1m分7个层次构成。
    屋顶网壳矢高为2m，可作为敷设设备管道空间使用。
    分隔前厅和展室的斜墙由倾斜角为78度的6块曲面构成。从首层到网架下弦的5个墙面，加上首层中央局部的1个墙面，仿佛6扇屏风，具有现代化的象征意义。装修选用白色石材，赋予整个建筑一种高雅的品位。
    3.4立面装修设计
    建筑物立面装修设计主要包括壳面和玻璃幕墙、采光窗、落地窗。
    “天鹅”外形由面积为15539平方米的壳面和面积为5764平方米的幕墙构成。
    壳面是半径158m球面的一部分，表面积为15539平方米。壳面由网壳、檩材、保温层、折板及镀瓷铝面板构成。保温层厚100mm，包覆整个壳面。 折板层采用相互独立的折板，将一片片板材交错叠压进行施工，做出球面的效果。在球的水平方向设四道横管，将雨水沿网壳排走。这样既保证屋面不漏水，又便于壳面施工。壳面采用镀瓷铝板包覆，这种板厚为2mm，表面为纯白色陶瓷涂层，它和陶瓷一样不需要维护，比涂氟产品更具耐久性。施工方法是把铝型材按照从600mm到900mm的间距呈扇形布置，再把宽600mm到900mm，长2900mm的镀瓷铝板现场拼接施工。壳面的防水处理是在镀瓷铝板层和折板层上做两遍防水，可完全防止漏水。
    玻璃幕墙由天鹅两翼的侧幕墙和与天鹅颈连接的中央幕墙构成。侧幕墙曲面是圆锥面的一部分，由钢桁架支承。中央幕墙是将轴线上的标准曲面旋转后形成的形状，由分为两支的钢梁组成，并由椭圆形的中空的群柱支承。侧幕墙或中央幕墙都能够在调整了几何学的形状后将全部材料在平面状态下进行施工。侧幕墙和中央幕墙的铝制窗框主要沿垂直方向布置，水平方向的窗框只是部分设置。
    在壳面设置的可控制的开合式采光窗，在作为前厅和三层展室自然通风用开口部的同时，还具有排烟、换气等排气功能。
    壳面的端部是悬臂梁，在壳面与基地之间就形成了高2m的接缝状的开口即落地窗。落地窗做成玻璃或百叶的，其倾斜角为69度，每隔约20m设置一开口面积为2平方米的百叶窗，具有进风、排气的功能。
    3.5 建筑外观照明设计
    在采光窗下设置照明装置，与壳面端部的灯带一起突出“天鹅”的造型。设在天鹅湖和天鹅颈处的灯光，增强了整个建筑的亮度，美化了天津的夜景。夜景效果如图2所示。

    4 天津博物馆结构设计
    4.1 工程概况
    天津博物馆地上共3层,总高度约33m,主体部分结构形式为钢筋混凝土框架--剪力墙钢支撑结构,屋盖为钢网壳，该建筑平面呈半圆形，直径达186m。
    （1）荷载取值
    天津博物馆工程所处地区的基本风压Wk=0.48kN/?，基本雪压0.25kN/ ?；展厅部分: 5.0kN/?，办公室:2.0kN/?， 卫生间:2.5kN/?，楼梯:3.5kN/?，走道:3.5kN/?，机房:6kN/?
    （2）工程地质概况
    本工程场地类别为Ⅲ类场地,属中软场地土,地下水静止水位埋深在1.0～1.5m左右,地下水对混凝土及钢材均无腐蚀性,在埋深15m以上土层均属非液化土层。
    （3）抗震设计
    本工程场地地震基本烈度为7度，设防烈度为7度，乙类建筑,设计采用设防烈度计算,按8度采取抗震措施。结构抗震等级:框架三级,剪力墙二级。
    4.2 上部结构设计
    天津博物馆上部结构设计包括混凝土和钢结构两部分的设计
    （1）混凝土部分
    1）结构选型
    本工程混凝土部分为三层结构,首层层高5m,二层8.7m；柱网: 首层为7×7m,二层14×14m、7×14m 。三层部分局部设置支承屋盖的钢管柱。本工程不设任何缝,混凝土部分结构最大长度约为180m,为避免浇注混凝土时温度变化引起收缩应力,采用设置后浇带方式解决。后浇带沿x向设置4道,沿y向设置2道,主体结构完成2个月后封闭。另外考虑此建筑物二层层高较高,柱网跨度较大,且二层上部还有支撑钢屋盖柱子,在地震作用下,为避免位移较大,在楼梯间处设置了350mm厚剪力墙,在建筑隔墙处局部设交叉钢杆支撑。
    2）主要结构截面尺寸
    柱子:600?×600mm，800?×800mm，40?0×600mm(斜柱)
    框架梁:首层350?×700 mm，层400×1200 mm
    楼盖梁:首层250?×500mm井字梁，二层350?×800mm井字梁
    楼板:采用12cm厚钢筋混凝土楼板
    砼标号:基础采用C30钢筋及混凝土，首层采用C30钢筋砼，二层采用C40钢筋砼
    3）结构分析
    本工程采用建研院PKPM系列, TAT结构分析软件进行混凝土部分计算,计算中考虑耦联影响。建筑物总重310000kN(混凝土部分)，结构重心与形心基本重合，计算结果如下：

    根据结构分析，本工程柱子轴压比均能满足规范要求限值。
    （2）钢结构部分
    天津博物馆的钢结构部分包括屋顶网壳、幕墙结构和天鹅颈三部分，如图3所示。

    1）材料:钢材以Q235b为主，结构计算及节点的焊接连接及螺栓连接分别以国内相关规范为依据。
    2）荷载：基本风压0.4KN/?，重要性系数1.2，基本雪压0.25 KN/?，活荷载0.5 KN/?。
    3）屋顶网壳结构
    天津博物馆的屋顶为双层网壳结构，节点形式为螺栓球节点。网架厚度为2米，网格尺寸为2.5米～4.1米。
    ①屋顶的支承体系
    屋顶的支承体系分为以下3类。
    a.下部结构支承
    在天津博物馆内部展厅的墙壁设置柱，柱顶直接与网架结构的节点连接，柱脚由钢管变形的铰接柱来支承，这种柱不能承担水平力，只能在垂直方向支承大屋顶竖向荷载。
    b.外周圈的钢结构柱
    在外圈柱之间设置斜撑的来共同支承大屋顶。
    柱顶直接与屋顶节点连接。柱脚为利用钢板作成的铰接节点。该节点形式约束斜撑结构面内的转动，允许结构面外转动。这样由斜撑所负担的水平力可以很好的传递给基础。
    另外，该支座通过面外转动可以释放由于温度变化在网架结构在径向产生的伸张或收缩的变形，从而避免产生温度应力。
    c.正立面顶部的拱
    正立面的钢管拱也支承着屋盖结构，而拱又由连接天鹅颈的杆件所支承，这在保证提高网架结构的经济性的同时也解决了拱结构的屈曲稳定问题。
    ②大屋顶抵抗水平力
    作用在大屋顶上的水平力（风荷载、地震时力等）通过屋顶结构可以直接传给地基。也就是说，作用在大屋顶上的水平力利用大屋顶传给下部结构，对于地震时的惯性力考虑由下部结构独立抵抗。
    当X方向的水平力作用在大屋顶上时，在与荷载作用方向接近的角度的柱间斜撑进行最有效的抵抗。由于水平力作用的大屋顶的表面和斜撑结构面有高差，在外力和反力之间产生力偶。，内部的铰接柱中的轴力，能有效地进行抵抗此力偶。
    当Y方向的水平力作用在大屋顶上时，基本上与X方向是相同的。只是在Y方向水平力的作用下，在拱的支点的近旁的杆件的轴向与荷载方向一致，因此拱也能够很有效地抵抗水平力。
    ③大屋顶施工程序
    首先进行钢筋混凝土下部结构的施工，接着在支承大屋顶的支柱附近为中心设置脚手架，安装支承大屋顶的支柱、斜支撑、拱状梁；然后在地面把空间网架拼装成结构单元，按顺序进行施工。所有屋顶结构全部施工完成后，进入装修工程。
    4）玻璃幕墙结构
    天津博物馆的立面是最高约33米的玻璃幕墙，分为两部分：与天鹅颈部相连的中央幕墙及两端的侧幕墙。
    在中央部分与天鹅颈相连是10根箱形曲线钢梁，梁高800?～450?,梁宽400?～250?。沿高度方向每6米设置横向杆件，并且沿1.25米的间距设置了直接连接玻璃的纵向杆件，以形成玻璃幕支承结构。10根箱形断面曲线钢梁在跨中和端部由钢筋混凝土结构支承，顶端与大屋顶的拱相连接。
    在两端，沿拱以约5米间距设置了桁架梁，梁高2m～0.88m，在桁架梁上沿高度方向以6米间距设横向杆件，构成的玻璃幕的支承结构，然后再以1.25米的间距设置直接连接玻璃的纵向构件，形成立面玻璃幕的造型。支承桁架的上部与大屋顶边界的拱紧密连接。在支承桁架的外侧弦杆直接连接玻璃的位置和内侧弦杆均以6米间距设置横向杆件，这些横向杆件可以防止桁架杆件的面外屈曲变形。
    5）天鹅颈
    天鹅颈由从主入口经过天鹅湖进入天津博物馆内的回廊构成，屋顶用玻璃覆盖。
    天鹅颈部是由10根箱梁构成，箱形梁的尺寸为350?×175?。它的两端部各有4根钢管柱列支承，在中间由30米间距的呈椭圆形平面布置的钢管柱群来支承，每组有8根。这些柱与椭圆形梁刚接。10根箱形梁与椭圆形梁进行有效连接。
    4.3 基础设计
    由于本工程柱网下荷载的不均匀性,必然产生变形的不均匀性,故本工程采用桩基础，选用600钻孔灌注桩或350?×350?预制桩,该建筑物埋深取2.0m, 钻孔灌注桩桩端埋深21.0m。本工程主要采用600钻孔灌注桩,主结构入口刚架采用350?×350?预制桩。
    钻孔灌注桩单桩承载力Ruk=1710kN，设计值为RD=1000kN
    承台厚度为1200?，承台间设拉梁,拉梁尺寸一般为350?×700 ?，局部柱网尺寸较大处为400?×1200?。
    5 结论
    采用仿生性建造的天津博物馆是天津一个标志性建筑。本文通过介绍其建筑和结构的设计，说明一个完美的建筑作品，既离不开建筑，也离不开结构，要通过建筑和结构的有机统一协调才能实现。
    参考文献
    1．陈志华, 王小盾, 刘锡良. 天津博物馆的空间钢结构体系. 第二届全国现代结构工程学术研讨会. 2002年7月. 马鞍山. PP.138
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