某航海酒店自由曲面數值仿真與施工技術研究

高術森,張龍生,陸日超,張兆龍

(1.廣州市設計院集團有限公司,廣東 廣州 510620;2.南方鼎元資產運營有限責任公司,廣東 廣州 510623)

自由曲面空間結構具有豐富的建筑表現力和強烈的視覺沖擊效果,越來越受到建筑師的青睞,近年來得到飛速發展和廣泛應用[1]。此類結構設計及施工難度較大,目前主要存在以下三個關鍵問題:一是難以根據幾何特征對自由曲面進行歸類,基于幾何特征的參數化建模方式難以實現,影響設計效率;二是自由曲面結構的穩定性,應力分析及設計存在個體特殊性;三是自由曲面施工模板不規則,深化難度極大,實際完成效果不如預期,還存在因曲面應力集中及清水混凝土養護等問題引起開裂的風險[2-3],以上是工程建設者們必須要面對和思考的實際問題。

以某超限航海酒店的入口異形海螺雨棚及自由曲面象牙屋面為例,進行數值仿真分析,著重對傳力路徑進行分析,進而找出控制截面進行截面設計,并進行相關變形分析,同時針對自由曲面的表達提出采用數字化技術,打通軟件之間的壁壘,連通Rhino-Revit-PKPM/YJK-CAD,實現BIM的正向設計,同時針對施工模板的深化以及清水混凝土施工的關鍵問題提出要求,為今后類似工程建設積累一定的實踐經驗。

1 項目概況

某航海酒店總建筑面積20.4萬m2,地上建筑面積為15.5萬m2。項目由一棟高層酒店塔樓和下部3層酒店附屬配套設施裙樓組成,地下1層,地上26層,裙樓3層。地下1層層高6 m、局部4.5 m,首層6.5 m,2層7.35 m,3層5.3 m,4層及以上客房層3.5 m。地下室主要為停車庫,首層主要功能為酒店后勤、廚房區域和美食廣場、餐廳,2層主要功能為游客接待大堂和餐廳,4層主要功能為客房和餐廳及屋頂游樂平臺,5層～26層功能為客房。本項目存在兩處自由曲面結構:入口處雨棚為自由曲面異形海螺造型,屋面為自由曲面象牙造型。建筑效果和剖面分別見圖1、圖2。

圖1 建筑效果圖

圖2 建筑剖面圖

本建筑設計使用年限為50年,結構安全等級為二級,抗震設防類別丙類。

2 結構情況

根據結構平面布置及使用功能要求,采用部分框支混凝土剪力墻結構體系。為滿足下部大堂大空間使用功能要求,4層樓面以下局部取消剪力墻,并于4層樓面采用混凝土框架托墻轉換,以滿足上下兩個功能區的使用要求。4層樓面以上于客房之間布置徑向剪力墻。在電梯井以及走廊西側布置落地剪力墻,提高結構的抗側和抗扭剛度。剪力墻厚600 mm～250 mm,柱截面1100 mm×1100 mm～800 mm×800 mm,混凝土強度等級C60～C35;轉換梁截面900 mm×1200 mm。

結構屬于不超100 m的A級高度的部分框支剪力墻結構高層建筑,存在6項不規則[4]:扭轉不規則及偏心布置,凹凸不規則,樓板不連續,尺寸突變,構件間斷和局部穿層柱的其他不規則。針對不規則項進行的分析及對策在相關文獻[5]已有專門介紹,本文不再贅述,重點就自由曲面海螺雨棚,象牙屋面的數值仿真分析與施工關鍵技術進行研究。

3 入口異形海螺雨棚的數值仿真分析與施工

3.1 異形海螺雨棚基本情況

入口海螺雨棚位于二層酒店入口處,上部支座與三層梁相連,呈海螺狀,為自由曲面空間殼體,為本項目的標志性建筑造型之一。平面呈橢圓形,中部設置采光井。海螺雨棚平面尺寸約為47 m×43 m,海螺示意圖如圖2及圖3(a)所示。入口雨棚擬采用兩種可行的結構方案:

圖3 入口海螺雨棚示意圖

方案一:采用鋼筋清水混凝土殼,殼厚600 mm,混凝土材料強度為C35,如圖3(b)。

方案二:采用型鋼主結構梁混凝土板方案,沿雨棚周邊以及內部布置型鋼構件,殼厚600 mm,混凝土材料強度為C35,鋼梁材料強度為Q345,鋼梁截面為箱形300 mm×300 mm×30 mm×30 mm,如圖3(c)。

雨棚分析采用SAP2000 V19進行分析,整體采用殼模型,上下支座采用剛接節點。

地面粗糙度類別為A類,基本風壓0.85 kN/m2,風荷載體型系數為1.5,附加恒載1.3 kN/m2,不上人屋面活載0.5 kN/m2,分析結果表明,本項目樓板內力控制工況為1.35D(恒)+0.98L(活)+0.84(W)。

3.2 異形海螺雨棚的成形

主要是采用以“形”為主的基于仿生思想和幾何變換構造出一種海螺形的自由曲面結構,結構設計師與方案設計師充分溝通,協商調整,確定滿足方案要求的最終形狀。

該自由曲面的成形和網格劃分是基于Rhino軟件的Grasshopper插件實現。采用的非均勻有理B樣條曲線(Non-Uniform Rational B-Splines簡稱NURBS),NURBS曲線是在B樣條曲線的基礎上形成一個p次的B樣條曲線[6],即:

(1)

式中:C(u)為以u為參數的曲線上的點的直角坐標;Ni,p(u)為定義在u方向的p次樣條基函數;Pi為曲線上的控制點;u為方向節點矢量。

通過B樣條基函數和控制點可以生成B樣條曲面,一張p×q次的B樣條曲面表達式如下:

(2)

式中:S(u,v)為以u,v為參數的曲面上的點的直角坐標,S(u,v)=[x(u,v),y(u,v),z(u,v)]T;Ni,p(u),Nj,q(v)為定義在u、v方向上的p次和q次B樣條基函數;Pi,j為曲面上的控制點;u,v為方向節點矢量。

NURBS方法是在B樣條方法基礎上引入權因子,可通過B樣條方法以有理分式的形式表示,得到的NURBS曲面和NURBS曲線公式如下:

(3)

(4)

式中:wi、wi,j分別為與控制點i,ij對應的權因子。

該自由曲面是先在Rhino中根據海螺的外形利用NURBS曲線建立出其外形,然后抓取到Grasshopper形成NURBS曲面,通過調控u,v方向節點矢量參數控制網格大小來實現參數化建模,然后烘焙到Rhino中,最后導出到CAD中進行邊界的處理形成一種海螺形狀的自由曲面[7-12],詳見圖4。

圖4 海螺自由曲面圖

3.3 海螺雨棚方案一分析

在控制工況下,空間殼傳力路徑如圖5所示,空間板殼主要受壓力,壓力傳力路徑主要由兩肩部分別向下沿內環傳遞,直至終于支座處;其中A、B、C及D區為復雜拉剪扭受力區,為該空間曲面薄弱部位。

圖5 入口雨棚應力跡線圖

控制工況下,板殼分別采用厚200 mm～600 mm進行對比分析,拉壓應力最大值、最大豎向變形及屈曲因子計算結果見表1;隨著板厚的增加,板殼拉壓應力逐漸減小,且結構整體穩定增強;考慮荷載長期作用影響,根據混凝土規范式(7.2.2.1)[13]可知,長期撓度限值43240/300=144 mm;長期撓度計算結果表明(見圖6,點1為變形最大部位):600 mm厚殼變形可滿足規范限值要求,同時整體屈曲因子為30,大于2.0的安全儲備,因此最小殼厚取600 mm。

圖6 雨棚變形示意圖

在控制工況下,雨棚混凝土殼樓板應力最大值分布如圖7所示,應力以受拉為正,受壓為負;雨棚拉應力沿著整個表面均有分布,在支座處有較大的應力集中,該處需增大配筋率,防止混凝土開裂。

圖7 入口雨棚最大應力圖(單位:10-3MPa)

控制工況下雨棚樓板配筋結果見表2,配筋大樣圖見圖8。

表2 控制工況下樓板配筋表

圖8 配筋大樣圖

3.4 海螺雨棚方案二分析

采用鋼筋混凝土殼并沿雨棚周邊以及內部布置型鋼構件,殼厚600 mm;控制工況下該方案雨棚混凝土殼樓板應力最大值分布如圖9所示,應力跡線圖如圖10所示。

圖9 入口雨棚最大應力圖(單位:10-3MPa)

圖10 入口雨棚最大應力跡線圖

該方案混凝土殼應力分布與方案一相似,且板殼應力數值大小與方案一相近;壓力傳力路徑主要由兩肩部分別向下沿內環傳遞,直至終于支座處;板厚取600 mm,該方案整體穩定性及長期撓度滿足規范要求,拉壓主應力主要有板內型鋼承擔。

控制工況下雨棚樓板配筋結果見表3,配筋大樣圖見圖11。

表3 控制工況下樓板配筋表

圖11 配筋大樣圖

3.5 方案優缺點對比

針對自由曲面分析存在個體特殊性的解決思路,上述著重對傳力路徑進行分析,進而找出控制截面進行截面設計,并進行了相關變形分析。

兩種結構方案(方案一混凝土殼方案;方案二型鋼主結構梁混凝土板方案)在受力形式,施工難度,完成效果及經濟性角度有明顯不同。

方案一混凝土殼方案為厚板空間受力體系,板為主要受力構件,板的設計為重點解決問題;施工難點為自由曲面板殼的施工,采用清水混凝土,需特殊模板及施工工藝,成本高,但完成視覺效果好,不需要二次裝飾,可滿足建筑師設計要求。

方案二型鋼主結構梁混凝土板方案,鋼梁為主要受力構件,板內應力仍較大,板厚仍需600 mm,結構自重并未減小;自由曲鋼梁為施工難點,需工廠預制生產,需考慮型鋼與混凝土界面處理,且增加型鋼后造型凸出板面,視覺效果難以滿足建筑師設計要求。

綜上所述,兩種方案從結構角度來說都是可行的方案,但海螺雨棚作為本項目的主入口標志性建筑,造型效果要求高,且體量小對經濟性影響不大,各方綜合考慮最終選擇了無梁的清水混凝土殼方案。

3.6 清水混凝土自由曲面海螺雨棚的施工

經過與方案建筑師的充分溝通,為保證完成效果,本雨棚決定采用清水混凝土施工。飾面清水混凝土,要求表面顏色基本一致,由有規律排列的對拉螺栓孔眼、明縫、蟬縫、假眼等組合形成的,以自然質感為飾面效果。

清水混凝土的施工效果主要取決于以下四個方面[14]:

(1) 材料選取的嚴格控制。采用普通硅酸鹽水泥,強度等級不小于 42.5級,同一單位工程的水泥應為同一廠家生產、同一品種、同強度等級且宜采用同一熟料磨制,顏色均勻的水泥;本項目位于海邊潮濕環境,采用非堿性骨料。粗骨料選用強度高、粒徑5 mm～25 mm、連續級配好、顏色均勻、表面潔凈的碎石,細骨料選用中砂,細度模數2.5～3.4。

(2) 模板制作的精細要求。影響清水混凝土完成效果最重要的是縫的大小及位置,嚴控模板施工質量,模板與模板之間(蟬縫)采用1 mm厚海綿雙面膠條;與建筑設計師充分溝通,盡量滿足模板的標準化和模數化,對拉螺栓眼開設應嚴格按照設計圖紙及方案要求排列,不允許隨意變更螺眼位置。

(3) 高標準要求混凝土的澆筑質量?；炷翝仓馁|量和混凝土透明保護噴漆為清水混凝土施工的關鍵環節,這兩個工序的好壞直接決定了最終清水混凝土墻面的裝飾效果,據有效統計,最終效果60%取決于混凝土澆筑的質量,40%取決于后期的透明保護噴涂施工。因此,對于施工方而言,以高標準、嚴要求澆筑混凝土,達到清水混凝土施工質量要求是極大的挑戰。

(4) 注重細節的處理。對拉螺栓孔眼是清水混凝土表面重要的裝飾效果之一,其封堵處理的效果應符合設計的外觀質量要求,現場制作專用的螺栓作孔器;螺帽的孔眼采用專用工具進行砂漿 (采用與清水混凝土同品牌的水泥砂漿)的填補工作,螺眼內收 5 mm;明顯氣泡及表面微麻面處理宜采用與本工程所用的同品種普通水泥與白色普通水泥調制的水泥漿進行修補,普通水泥∶白水泥=1∶2,摻用水量10%的108膠,攪拌均勻后修補,并應先在樣板墻上做試驗,確認修補方案和材料配合比后施工;模板拼縫處、梁柱接頭等處的錯臺盡量不用砂輪磨,而用鏨刀鏟平,確需要磨的,要用本工程所用的同品種普通水泥與白色普通水泥調制的水泥漿進行修補。

4 自由曲面象牙屋面的設計施工

4.1 異形象牙屋面的成形及設計

異形象牙屋面為不規則自由曲面,屋面投影面積為3 300 m2,展開面積為7 690 m2,總長度為175 m,最高處標高為114.448 m。異形屋面是復雜的、無法用解析函數解析的自由曲面。在方案階段通過建筑給的表皮體量模型,在Rhino中進行分割,提取結構線,得到結構輪廓,Grasshoper進行曲率優化,對圓滑度不足等問題通過GH經過多次模型模擬整合進行修改設計,優化方案階段的造型利用得到結構優化后的模型,將Rhino模型導入到Revit模型與下部結構進行合并,最終導入到YJK或PKPM中進行結構分析與設計[15-16],本象牙屋面近視效果要求相對入口海螺雨棚低,允許梁外露,為減少板厚節省造價,最終各方確認采用梁板結構,故不同于第三部分海螺雨棚空間結構的三維軟件SAP分析,本象牙屋面可采用二維軟件YJK或PKPM進行分析設計,相對常規,限于篇幅,不再贅述。最后主要通過三維模型對施工進行指導,見圖12。

圖12 異形象牙屋面成形圖

4.2 異形象牙屋面的施工

異形屋面是不規則的自由曲面,無法通過常規的模板進行定位支模。通過BIM的三維模型,進行自由曲面的標高定位,借助設計提供的每處典型剖面圖來指導施工,見圖13。

圖13 某軸結構剖面示意圖

本工程頂部屋架及屋面造型為不規則曲面體,采用傳統鋼模板或木模板難以拼裝出圓滑、順暢、弧面自然的效果,且用時長。GFRP玻璃鋼材料作為一種新型模板材料,具有良好的力學性能,接縫少,施工方便,可根據三維模型進行整體澆筑成形,不需要復雜的外部支撐體系,在清水混凝土曲面施工中具有很大的優越性。為此屋架及屋面采用玻璃鋼涂層模板。玻璃鋼涂層模板厚度20 mm～30 mm(玻璃鋼涂層面層+木模板),采用分段定制模板,現場拼裝,之后一體澆筑成型的施工方法。屋架范圍內均存在700 mm×1100 mm～200 mm×700 mm的梁,曲屋面為150 mm的板。模板支設施工時考慮預拱度設置,對于跨度不小于4 m時的梁板結構,其模板要求設置預拱度,本工程起拱度均為0.2%,模板選用曲面板進行布設,見圖14。

圖14 異形屋面現場圖

5 結 語

(1)采用Rhino軟件可以對復雜的自由曲面進行網格劃分,優化曲率,為復雜結構的落地提供可能。BIM正向設計從方案到設計、施工,可以信息共享,減少二維圖紙發現不了的錯誤,降低返工,提高設計和施工的效率。使用數字化技術,打通軟件之間的壁壘,連通Rhino-Revit-PKPM/YJK-CAD,實現BIM的正向設計,做到先有模型后有圖紙。

(2)海螺混凝土殼方案進行數值模擬分析顯示壓力傳力路徑主要由兩肩部分別向下沿內環傳遞,直至終于支座處,分析發現其中A、B、C及D區為復雜拉剪扭受力區,為該空間曲面薄弱部位,進行重點設計。

針對自由曲面分析存在個體特殊性的解決思路,提出著重對傳力路徑進行分析,進而找出控制截面進行截面設計,并進行相關變形分析。

(3)清水混凝土施工應從材料選取,模板深化設計與制作,澆筑質量,細節處理等各方面嚴要求,才能達到預期方案效果;GFRP玻璃鋼模板對于自由曲面的實現具有優越性。