摘  要：本文秉承“复杂问题简单化”的设计理念，结合“复杂建筑简单结构，复杂结构简单加工”的工程实例，简要介绍了三铰刚架交叉结构的概念设计。最后指出了案例体会以及这类结构体系的探讨研究方向。
关键词：三铰刚架 交叉结构  屋脊落差铰  平面铰 弯扭 焊接节点

 1. 工程概况
      深圳市体育中心游泳训练馆（图1、图2）属于市中心高标准场馆，设有一个室内标准泳池，平时高阶训练用，赛时与相邻的原有游泳跳水馆配套使用。
 

 
图1  深圳游泳训练馆效果图



图2  深圳游泳训练馆照片

该馆由池厅单层空旷建筑及端部辅房三层建筑组成，建筑面积5,000m2。池厅为矩形平面（图3），长60m，柱距10m，跨度31.2m，檐高7.6m和8.4m，脊高12.9m，屋脊处有落差2.3 m（图4）。
       该馆建筑造型别致，池厅空间结构裸露，宛如泳将组团，束腰并脚，躬背伸臂，或者拉手列姿（图1、图6），抑或反身跃池（图2）。
      池厅采用带有屋脊落差的三铰刚架交叉结构（图6），辅房采用框架钢结构。总用钢量约400t，单位用钢约80kg/m2。
      该馆2006年设计，在2011深圳世界大学生运动会新建场馆项目中，首个建成，于2009年投入使用，荣获“中国钢结构金奖（国家优质工程）”，成为该奖项设立以来“最小”规模钢结构。
      2. 结构设计

2.1 结构体系与传力路线
      本工程建筑效果要求采用三铰刚架交叉结构（图1）。除两个端榀可以正放布置外，所有相邻中榀斜放斜交（图3），三次交叉，且屋脊落差（图4）。
      将平面门式刚架交叉，形成门式刚架交叉结构，很容易理解。但将三铰刚架交叉后，又在跨中铰处形成屋脊落差，使得三铰刚架有些抽象，其结构可行性在竞标之初受到质疑是正常的。
      建筑同时要求不设置纵向柱间支撑，又遭质疑，主要在于纵向传力路线打破了常规。实际上，这种结构的空间稳定性良好，纵横空间传力路线顺畅。对此，有三种设计理念。
      理念一，由于刚架梁交叉，梁柱刚接，加上屋面纵向系杆，屋盖不仅是一个稳定体系，交叉刚架的双向 “刚接”性，也就是说，屋盖交叉梁在纵向形成了抽象的纵向钢梁，与纵向列柱“刚接”，实际形成了连续多跨纵向承重框架体系。
      理念二，纵向荷载，通过斜放刚架斜向直接传力，即空间传力。既然纵横，任何方向的水平力均可传递。“空间结构”体系成立，不必再执意按纵横平面承重体系去理解。
      理念三，尽管如此，柱顶增设纵向贯通连梁，与刚架柱刚接，使得纵向刚度加强，结构空间稳定性增强，且纵向传力更为直接。纵向可以理解为“纵向连续多跨固支单层框架”。
      2.2 技术难点与设计目标
      本工程三铰门式刚架，除屋脊跨中铰落差外，门式刚架两两交叉，刚架梁两端及跨中共三次交叉，两端交叉后自刚架节点起双柱汇交至一个柱脚，造成三铰刚架空间弯扭，使设计和加工，尤其是加工难度更大。
因此，“无柱间支撑、弯扭型、跨中铰落差”三方面的特点，使得三铰平面刚架交叉结构比较复杂。
      本工程结构设计理念的最高境界，则是采用最简单的平面刚架交叉（图3），焊接节点，平面铰，组成三铰门式刚架（图4）交叉结构。
      参考深圳会展中心的两铰门式刚架，些许突破，实现新颖别致的建筑造型。设计突破点在于“刚架交叉”、“屋脊落差铰”、“无柱间支撑”，经济性体现在采用“简约式平面铰”及“焊接节点”，规避了“铸钢节点”和“球铰”。对于类似于鸟巢的弯扭焊接节点的加工难点，密切配合建造商，优化深化设计，实现突破：“一次下料一次弯扭成形组装焊接”。
 

     
 图3  交叉刚架结构平面图             图4  屋脊落差铰门式刚架图

2.2  刚架交叉与屋脊落差平面铰
      本工程三铰门式平面刚架虽然斜放交叉，组成了空间结构，但可以虚构理解为类似于“合并排架[1]”的各榀正放“合并刚架”平面结构，满足平面铰的基本“受力”条件。
      一跨中铰为界，将刚架分为两个半跨的两侧。设计利用两榀斜放刚架梁的同侧交汇，在水平面内相应合并为两个同位正放节点“板”，同处一个重力落差铅垂面，满足平面铰的基本“构造”条件。
      设计又应用“刚域”概念，将上位正放节点板设计为三角刚架“刚域板”，实现屋脊落差铰（图5)，消除了结构可行性的疑惑。
      设计还巧妙的将箱形截面下位节点“板”的两块腹板作为平面铰的下夹板，使整宽箱形截面上位节点“刚域板”作为上插板，直插销接，避免了通常的缩宽转换，使得传力更为直接，加工安装更为简便。
  

  
 图6  深圳市体育中心游泳训练馆 屋脊落差铰刚架交叉结构轴侧图


 图7 深圳市体育中心游泳训练馆束腰并脚双柱

2.3 合并柱与平面铰支座
      设计按照建筑效果要求，相邻两榀刚架斜放交叉。
      两榀上位半跨变截面梁在端部“交汇”，合并下弯为变截面柱。对此合并柱，设计采用矩形箱型截面，本想方便加工，但由于刚架节点圆润美观要求，实际上又派生了刚架梁柱翼缘的弯扭，设计与建造商配合，改为梯形箱形截面，虽然截面较为复杂，但规避了弯扭难度，截面形状和梁柱节点也同为美观。
      两榀下位半跨变截面梁在端部“交叉”，分别通过刚架节点向下弯扭成双柱，以小角度相向交汇于同一柱脚，形成变截面“束腰并脚双柱”（图7）。
      设计将合并柱脚正放，满足横向平面铰支座的基本条件。支座铰同样采用跨中铰的箱形截面构造。设计时，采取一定的措施，按照纵向固定支座构造，符合设计分析计算假定条件，保证纵向框架柱脚剪力弯矩传递便捷可靠。
  

 a下位半跨                        b 上位半跨及跨中
图8  深圳市体育中心游泳训练馆屋脊落差铰刚架交叉结构

2.4 梁柱截面
      设计采用钢材Q345B。梁柱均为500mm宽箱形截面。上位半跨梁截面高500—1200mm，下位500—1784mm。单柱截面高500—1200mm，双柱500—1724mm。三铰销轴均为d150mm。

2.5 工程类比与简化设计
       “鸟巢”其实是桁架交叉编织结构，由建筑师模仿自然界创作，结构越乱越自然，越符合建筑设计理念。结构设计师从杂乱无序中找出规律，由24榀桁架沿平面椭圆线放射形阵列交叉布置[2 ]，编织成“鸟巢结构”，实现了突破性的简化。在追求鸟巢自然效果的同时，又要马鞍形体育建筑造型，致使桁架式刚架节点不在一个水平面，而沿马鞍形空间曲线分布。不仅使邻榀桁架不等高，而且每榀桁架本身并非铅垂平面桁架，而是通过立体桁架外柱节点弯扭形成的弯扭形桁架族不等高的空间编织结构。可归纳称之“弯扭桁架轮毂交叉式马鞍面编织结构”。
      深圳市体育中心游泳训练馆取鸟巢交叉刚架之精华，编织结构的极端化，编织点数最少。设计将刚架沿平面矩形长边斜向阵列交叉布置（图3），形成简约的“带有屋脊落差铰的等高弯扭刚架交叉结构”。本工程秉承“复杂问题简单化”的设计理念，实现“复杂建筑简单结构，复杂结构简单加工”，整个工程无一铸钢节点，全部采用焊接工艺实现独特的经典建筑造型。
      3. 小结

深圳市体育中心游泳训练馆建成使用两年多来，除重力荷载外，经历了多次沿海台风侵袭和气温变化的考验，其设计、加工、安装的工程实践体会表明：
      1) 带有屋脊落差的三铰门式刚架是成立的。
      2) 矩形平面布置等柱距弯扭刚架空间交叉结构，采用平面铰是可行的。
      3) 弯扭刚架空间交叉结构，无需柱间支撑（图6、图2），在一定的支座构造技术措施保证下，纵向是几何稳定结构体系。
      4)  “复杂建筑简单结构，复杂结构简单加工”之设计理念的经济与社会效益显著，宜弘扬秉承。
      5) 本文案例矩形平面布置等柱距弯扭刚架交叉结构的设计计算分析结果，具有一定实用参考价值，需要系统总结与探讨研究。
      6) 无柱间支撑的刚架交叉结构体系，属于空间结构体系，简洁美观，深受建筑师推崇和社会鉴赏，具有推广应用价值。建议建立这类结构体系的系列概念、分类、力学分析、杆件选型、节点构造、加工、安装等课题，深入研究。

参考文献
      [1] 天津大学 同济大学 南京工学院  钢筋混凝土结构（下册，p94） 中国建筑工业出版社 1980年12月
      [2] 范重等 国家体育场大跨度钢结构设计[J]  中国大型建筑钢结构工程设计与施工  中国建筑工业出版社  2007
      [3] 周永明,蒋良君,廖功华等. 国家体育场大型空间箱形截面扭曲构件的加工技术[J]  中国大型建筑钢结构工程设计与施工  中国建筑工业出版社  2007
      [4] 虎秉银 郭满良等 交叉弯扭刚架的深化设计与加工  深圳土木建筑  2011.09
作者简介
      郭满良，深圳大运中心建筑方案国际征集竞赛代理主持人、结构专业负责人、第一阶段技术方案评审结构专家，体育场结构设计专业负责人，大运中心建筑结构研究课题组负责人，大运中心钢结构加工安装竞标技术评审专家，中国钢结构协会专家委员会专家，中国建筑金属结构协会专家委员会专家，结构工程师学会资深会员（英国），深圳市建筑设计研究总院副总工程师、深圳大运中心体育场结构专业负责人、华优建筑设计顾问部负责人