2010上海EXPO主要場館結(jié)構(gòu)設(shè)計綜述

1、2010上海EXPO主要場館結(jié)構(gòu)設(shè)計綜述 汪大綏華東建筑設(shè)計研究院有限公司2010.07.31一、概述1851年，倫敦世博會，水晶宮，開創(chuàng)了建筑工業(yè)化；1880年，墨爾本世博會，皇家展覽館，成為澳大利亞第一例世界文化遺產(chǎn)1889年，巴黎世博會，埃菲爾鐵塔， 巴黎的標(biāo)志和象征；1967年，蒙特利爾世博會，棲居67，住宅設(shè)計理念的突破；德國館，張拉結(jié)構(gòu)的先驅(qū)；1970年，大阪世博會 ，富士館、美國館，開創(chuàng)充氣膜結(jié)構(gòu)時代；2000年，漢諾威世博會，日本館，一座36000平米的紙房子； 8/9號館，索結(jié)構(gòu)使用的極致案例；2010年，上海世博會。世博會是匯聚著人類物質(zhì)文明與精神文明成果的全球性盛會，從某

2、種意義上講也是一次建筑博覽會，其建筑往往匯集了當(dāng)時最先進(jìn)的設(shè)計理念、建筑材料、建造技術(shù)等。 一、概述上海世博會選址在市中心黃浦江兩岸，南浦大橋和盧浦大橋之間的濱江地區(qū)，勢必對上海新一輪的城市發(fā)展特別是黃浦江兩岸的開發(fā)也會有極大的推動作用。一、概述本屆世博的主題是：城市，讓生活更美好。本屆世博會的主要目標(biāo)：會期184天（2010.5.12010.10.31）；預(yù)期參展國和組織 200個；預(yù)期參觀人數(shù) 7000萬；為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，確定的工程建設(shè)任務(wù)是：規(guī)劃用地面積5.28平方公里（按人均8平米）；圍欄區(qū)（即憑票入內(nèi)的區(qū)域）面積3.28平方公里；總建筑面積125萬平方米，其中展館面積85萬平方米；原

3、有建筑利用約35萬平方米(用于聯(lián)合館，企業(yè)館，物流倉庫等)；高架平臺面積51萬平方米。一、概述園區(qū)舊貌（衛(wèi)星照片）。根據(jù)2006 年調(diào)查情況，原區(qū)域內(nèi)主要土地利用類型：從事各類重型機(jī)械、化工原料生產(chǎn)企業(yè)和物流企業(yè)的工業(yè)用地，主要包含江南造船集團(tuán)、港機(jī)重工集團(tuán)、浦東鋼鐵集團(tuán)、南碼頭港區(qū)、溶劑廠、助劑廠等；居住、文教、商業(yè)用地組成的居住用地，以半淞園路街道、雪野新村街道、南碼頭街道以及作為浦鋼集團(tuán)家屬區(qū)的后灘地區(qū)為主。一、概述總體規(guī)劃圖。大的展館建筑包括：一軸四館、11個聯(lián)合館、42個租賃館、42個國家自建館。一、概述園區(qū)交通圖。為向世博會提供高效便捷的交通保障，園區(qū)及周邊進(jìn)行了的規(guī)模宏大交通系統(tǒng)

4、建設(shè)，包括地鐵、隧道、相關(guān)城市道路和水上交通設(shè)施。共有5條地鐵線路為園區(qū)服務(wù)，成為世博園區(qū)與城市其他部分聯(lián)系的主要方式。 二、主要場館概況世博園區(qū)極為突出的區(qū)位優(yōu)勢決定了它必將成為上海新一輪發(fā)展的重要增長極。這一地區(qū)的規(guī)劃確定了世博建筑中有一部分需按永久性建筑來設(shè)計，俗稱一軸四館。即中國館、主題館、世博中心、世博文化中心和世博軸。 二、主要場館概況中國館：由國家館和地區(qū)館組成。除港澳臺外的31個省市自治區(qū)都在地區(qū)館內(nèi)設(shè)置展廳。世博后作為永久性展館。建筑面積16萬平米。 二、主要場館概況主題館：在世博期間是“地球、城市、人”主題的核心展示區(qū)，世博后是永久性展館。建筑面積13萬平米。二、主要場館概

5、況世博中心：世博期間是會議、接待、慶典、新聞和管理等重要活動的場所，世博后是大型會議中心。建筑面積14萬平方米。 二、主要場館概況世博文化中心：世博期間用于開幕式等主要慶典及文藝演出，并有大面積的餐飲購物休閑區(qū)域供參觀者使用。世博后將是綜合性的時尚文化的地標(biāo)，永不落幕的城市舞臺。建筑面積13萬平方米。二、主要場館概況世博軸：位于浦東園區(qū)中軸線上，是整個園區(qū)的交通樞紐，世博期間主要用于人流集散、安檢、商業(yè)、餐飲服務(wù)，世博后改建為商業(yè)設(shè)施?？偨ㄖ娣e25萬平方米，其上蓋由大面積索膜結(jié)構(gòu)和六個單層網(wǎng)格體系的陽光谷組成，是園區(qū)內(nèi)最大的單體建筑。三、技術(shù)特點(diǎn)及新技術(shù)應(yīng)用概述以上五個永久性建筑，均為規(guī)模宏

6、大，功能復(fù)雜大型公共建筑。且多為大跨度（大懸挑），要求大荷載，或體形新穎奇特，其結(jié)構(gòu)設(shè)計充滿挑戰(zhàn)。這些建筑中除個別是由國外建筑師創(chuàng)意外，絕大部分由我國工程技術(shù)人員完成。 （一）結(jié)構(gòu)形式豐富多樣，具有創(chuàng)新性中國館建筑創(chuàng)意為“東方之冠”，結(jié)構(gòu)設(shè)計采用四個規(guī)整的鋼筋混凝土筒體為主要承重和抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，從約30米高度開始向四個方向挑出帶有拉梁的巨型斜撐，作為樓層的支承結(jié)構(gòu)。受力明確，傳力可靠。以簡潔的手法恰當(dāng)?shù)貙?shí)現(xiàn)了建筑創(chuàng)意，自然天成，可謂建筑結(jié)構(gòu)相得益彰。 三、技術(shù)特點(diǎn)及新技術(shù)應(yīng)用概述（一）結(jié)構(gòu)形式豐富多樣，具有創(chuàng)新性主題館首次采用總長 270 米的多跨桁架來覆蓋整個屋面，其中V形支撐張弦桁架跨越12

7、6米的大空間，滿足了主題館對展覽空間的多種要求，大跨部分用鋼量指標(biāo)100kg/m*m亦較合理。 三、技術(shù)特點(diǎn)及新技術(shù)應(yīng)用概述（一）結(jié)構(gòu)形式豐富多樣，具有創(chuàng)新性世博軸地上地下各2層，其上蓋由6個陽光谷和其間的連續(xù)張拉膜結(jié)構(gòu)組成。陽光谷為單層三角形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，體量巨大，高達(dá)40米，最大的一個陽光谷上口長軸達(dá)90米。而網(wǎng)格構(gòu)件采用矩形鋼管，基本斷面僅65*180，其找形、網(wǎng)格生成、穩(wěn)定分析、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造均有創(chuàng)新。帶有內(nèi)外桅桿的總長達(dá)840米的超大型連續(xù)張拉膜結(jié)構(gòu)也是也是為本項(xiàng)目度身設(shè)計而為世界所僅見。 三、技術(shù)特點(diǎn)及新技術(shù)應(yīng)用概述（一）結(jié)構(gòu)形式豐富多樣，具有創(chuàng)新性飛碟造型的世博文化中心，核心部分是1800

8、0座大型演出空間。建筑立面要求有凌空欲飛的感覺，為此必須有大懸挑，最大達(dá)40米。場內(nèi)空間要求的限制使得懸挑結(jié)構(gòu)的錨固成為難題，設(shè)計中采用內(nèi)框架與拉環(huán)協(xié)同的方式來解決，也很有創(chuàng)意。三、技術(shù)特點(diǎn)及新技術(shù)應(yīng)用概述（二）結(jié)構(gòu)設(shè)計為園區(qū)建設(shè)實(shí)現(xiàn)低碳減排創(chuàng)造條件 努力實(shí)現(xiàn)低碳減排，是世博園建設(shè)中的一個重要指導(dǎo)思想。五大主體結(jié)構(gòu)地上部分基本上均采用了鋼結(jié)構(gòu)，相對于混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)可回收利用，在減少二氧化碳排方面有突出的優(yōu)勢。主題館的屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計積極配合了太陽能光伏電池的安裝，形成了面積達(dá)20000平米、2.8MW的發(fā)電容量。主題館的外墻框架設(shè)計配合了大面積綠墻安裝的需要，形成了6000平方米的世界最大綠墻

9、，對改善園區(qū)生態(tài)起了巨大的作用。 三、技術(shù)特點(diǎn)及新技術(shù)應(yīng)用概述（二）結(jié)構(gòu)設(shè)計為園區(qū)建設(shè)實(shí)現(xiàn)低碳減排創(chuàng)造條件世博軸的設(shè)計創(chuàng)意是造就一個巨大的生態(tài)調(diào)節(jié)器，而結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)這一功能之載體。陽光和新風(fēng)通過陽光谷引入地下室減少了地下空間空調(diào)和照明的電力負(fù)荷；雨水通過陽光谷和膜結(jié)構(gòu)全部納入供水系統(tǒng)供節(jié)約了寶貴的水資源； 空調(diào)采用地源熱泵，空調(diào)水循環(huán)管路埋設(shè)在灌注樁中，通過樁與地下水進(jìn)行熱交換節(jié)約了能源。三、技術(shù)特點(diǎn)及新技術(shù)應(yīng)用概述（三）多方案比較，精心設(shè)計 優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計必定來自多方案比較。世博五大主體項(xiàng)目在設(shè)計過程中都反復(fù)進(jìn)行了方案比較，從中選擇最適合的方案。主題館：通過三個方案的對比，得出：雙向張弦桁架方

10、案因受矢高限制，長向桁架剛度過弱，不能為短向桁架分載，反成負(fù)擔(dān)，用鋼量不經(jīng)濟(jì)，施工也較復(fù)雜。剛架方案用鋼量低，但對基礎(chǔ)有較大推力，會增加基礎(chǔ)設(shè)計的難度和材料消耗，而且桿件過多建筑空間效果不理想，綜合效果不佳，因而最終確定單向張弦桁架的方案。a. 單向張弦桁架 b. 雙向張弦桁架 c. 剛架體系三、技術(shù)特點(diǎn)及新技術(shù)應(yīng)用概述（三）多方案比較，精心設(shè)計世博軸：世博軸的結(jié)構(gòu)方案更是經(jīng)歷了反復(fù)比選論證的過程。下拉索（無谷索）方案建筑效果最好，簡潔通透，但安全度較低，膜的局部損壞會導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)破壞。重錘方案膜應(yīng)力穩(wěn)定，但錘的位移太大，技術(shù)處理有難度。內(nèi)桅桿方案以其變形小，結(jié)構(gòu)安全性高，施工可控性好而被確定

11、為實(shí)施方案。a. 重錘方案 b. 下拉索方案 c. 內(nèi)桅桿方案 三、技術(shù)特點(diǎn)及新技術(shù)應(yīng)用概述（三）多方案比較，精心設(shè)計世博文化中心：世博文化中心的屋蓋結(jié)構(gòu)也做了三種方案比較，空間桁架方案因桿件布置符合建筑師要求，豎向剛度大，對大懸掛荷載的適應(yīng)性強(qiáng)而入選。a. 空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu) b. 弦支骨架結(jié)構(gòu) c. 空間桁架結(jié)構(gòu) 三、技術(shù)特點(diǎn)及新技術(shù)應(yīng)用概述（四）新技術(shù)研究與應(yīng)用 （1）消能減震技術(shù) 世博中心：世博中心對防屈曲支撐（BRB）的應(yīng)用進(jìn)行了較系統(tǒng)研究，包括結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)的確定，BRB的合理布置，BRB的參數(shù)確定及節(jié)點(diǎn)設(shè)計等，并參照國外資料及本工程特點(diǎn)編制了用于本工程的BRB的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。 -2500

12、-1500-50050015002500-60-40-200204060軸向位移 /mm軸力 /kN 加載步三、技術(shù)特點(diǎn)及新技術(shù)應(yīng)用概述（四）新技術(shù)研究與應(yīng)用（2）主題館對粘彈性阻尼器的應(yīng)用進(jìn)行了研究。 研究表明在超長建筑的柱間支撐中合理布置粘彈性阻尼器可以有效地降低地震作用和溫度應(yīng)力。地震剪力可降低20-23%，柱的溫度內(nèi)力可降低25%。（3）在世博文化中心工程中， 采用TMD進(jìn)行豎向振動控制。對大懸臂部分的豎向剛度及其在人群行動荷載下的豎向加速度反應(yīng)進(jìn)行了分析研究和實(shí)測，并據(jù)此在需要的部位設(shè)置了TMD,以保證正常使用條件下的舒適度。 三、技術(shù)特點(diǎn)及新技術(shù)應(yīng)用概述（四）新技術(shù)研究與應(yīng)用（4）

13、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。索膜結(jié)構(gòu)中，索與膜的應(yīng)力狀態(tài)是結(jié)構(gòu)是否健康的最重要指標(biāo)。在世博軸工程中采用了磁通法這一新技術(shù)測量索的內(nèi)力。 膜應(yīng)力的測試則采用真空法（右圖）。同樣在實(shí)驗(yàn)室條件下得到膜內(nèi)力，真空度和膜出平面變形的關(guān)系，即可方便地在現(xiàn)場測得膜內(nèi)力。三、技術(shù)特點(diǎn)及新技術(shù)應(yīng)用概述（五）新設(shè)計方法研究 （1）自由曲面找形（陽光谷找形） 以建立彎曲應(yīng)力為零、薄膜應(yīng)力最小的曲面為目標(biāo)，提出了一種基于計算機(jī)輔助幾何設(shè)計（CAGD）的一體化有限元建模技術(shù)與造型優(yōu)化方法。并建立了一套CAD軟件與有限元軟件協(xié)同建模與造型優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過調(diào)整設(shè)計參數(shù)（約束條件、空間條件）得到多種合理曲面形態(tài)。 初始狀態(tài)第3迭

14、代步第8迭代步最終狀態(tài)三、技術(shù)特點(diǎn)及新技術(shù)應(yīng)用概述（五）新設(shè)計方法研究 （2）智能網(wǎng)格布置（陽光谷網(wǎng)格布置） 為滿足自由曲面單層網(wǎng)格桿件長度盡量一致、分布盡量均勻、過渡盡量流暢的要求，以自由曲面優(yōu)化找形為前提，基于網(wǎng)格形狀和單元長度的網(wǎng)格質(zhì)量衡量標(biāo)準(zhǔn)，編制了智能化網(wǎng)格設(shè)計程序。平面網(wǎng)格空間網(wǎng)格優(yōu)化網(wǎng)格三、技術(shù)特點(diǎn)及新技術(shù)應(yīng)用概述（五）新設(shè)計方法研究 （3）CAD與 CAM相結(jié)合的先進(jìn)制造技術(shù) 世博軸陽光谷為單層網(wǎng)格曲面，桿件采用矩形斷面，交匯于同一節(jié)點(diǎn)的各桿件主軸方向與節(jié)點(diǎn)法向的關(guān)系的確定是一個難題。最終以“節(jié)點(diǎn)相鄰面法線合矢量”為原則提出了矩形截面鋼管在自由空間曲面上的合理定位方法，并將該方

15、法通過計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)三維實(shí)體模型的自動生成與測評功能。進(jìn)而將CAD 與CAM作為前后工序連接起來，借助機(jī)器人加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了陽光谷這一高難度結(jié)構(gòu)制造的國產(chǎn)化。 b. 組裝消失模 a. 機(jī)器人切割 c. 節(jié)點(diǎn)鑄件成品 d. 節(jié)點(diǎn)與桿件現(xiàn)場焊接 三、技術(shù)特點(diǎn)及新技術(shù)應(yīng)用概述（五）新設(shè)計方法研究 （4）陽光谷玻璃的裁剪 陽光谷幕墻面與結(jié)構(gòu)面并非同一面，即每一條玻璃的交線和其對應(yīng)的梁上表面中心線屬于異面直線，采用的玻璃切割方法為：切割線為梁上表面中心線向每個三角形內(nèi)部平移之后再投影到玻璃表面的線條，由這種方式形成的切割線既保證了平行與梁上表面中心線，又保證了在玻璃表面圍合成封閉的三角形。 玻璃交線切割線平行于梁表面中心線梁上表面中