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天津博物館的建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)體系

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    陳志華 王小盾 嚴(yán)定中 陳勇 張
    摘要：介紹了天津博物館的工程概況，分析了天津博物館的設(shè)計(jì)思想和特點(diǎn)，研究了總體規(guī)劃、建筑的平面設(shè)計(jì)、立面設(shè)計(jì)、剖面設(shè)計(jì)和外觀照明設(shè)計(jì)，分析了結(jié)構(gòu)體系、上部鋼和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過對(duì)天津博物館建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析論述，展現(xiàn)了天津博物館作為標(biāo)志性建筑的所獨(dú)具的特色，同時(shí)也說明一個(gè)優(yōu)秀的建筑作品離不開建筑和結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合。
    關(guān)鍵詞：天津博物館；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；建筑設(shè)計(jì)
    中圖分類號(hào)：TU 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：

    1 工程概況
    天津博物館位于天津市友誼路與平江道交口處, 用地南至平江道，西至友誼路，東至四號(hào)路，占地面積約5萬(wàn)?，總建筑面積約3.5萬(wàn)?，建筑物總高度約為33m, 主體部分結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架--剪力墻鋼支撐結(jié)構(gòu),屋蓋為鋼網(wǎng)殼，建筑平面呈半圓形,直徑達(dá)186m,基礎(chǔ)形式為樁--承臺(tái)基礎(chǔ)。
    天津博物館是天津市歷史、藝術(shù)綜合博物館,建筑物外形為仿天鵝造型建筑。天津博物館由陳列展覽區(qū)、藏品庫(kù)房區(qū)、圖書資料中心、辦公與技術(shù)用房和設(shè)備用房等五大部分組成，建筑層數(shù)為三層，在室外設(shè)有容積為6500m3天鵝湖（分為兩部分）。
    2 天津博物館設(shè)計(jì)思想和方案特點(diǎn)
    作為新天津的標(biāo)志性建筑，天津博物館的設(shè)計(jì)不僅要具有鮮明的現(xiàn)代風(fēng)格，追求作為建筑自身所具有的技術(shù)先進(jìn)、功能合理的設(shè)計(jì)理念，而且要反映天津的城市特點(diǎn)和風(fēng)貌，展現(xiàn)現(xiàn)代都市的魅力，體現(xiàn)天津博物館館藏實(shí)力，為天津增添一份獨(dú)特的文化氣息，同時(shí)還要保證天津博物館與文化藝術(shù)中心、行政中心及天鵝湖的整體和諧并各自獨(dú)具特色。天津博物館是通過國(guó)際公開的設(shè)計(jì)招投標(biāo)確定的方案，由日本川口衛(wèi)設(shè)計(jì)事務(wù)所和高松伸設(shè)計(jì)事務(wù)所中標(biāo)，初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)由川口衛(wèi)設(shè)計(jì)事務(wù)所總負(fù)責(zé)，聯(lián)合高松伸設(shè)計(jì)事務(wù)所和天津市建筑設(shè)計(jì)院等共同完成，天津大學(xué)建工學(xué)院負(fù)責(zé)了天津博物館的科研、試驗(yàn)和關(guān)鍵技術(shù)的研究、開發(fā)和設(shè)計(jì)等工作。
    天津博物館的通道是從天鵝頸部走廊中穿過，到達(dá)風(fēng)除室后再接著進(jìn)入結(jié)構(gòu)主體。該方案中，殼面和幕墻曲面光滑、渾圓，與地面自然連接，整體裝修以白色為基調(diào)，形成一個(gè)“展翅飛翔的天鵝”的造型。
    3 天津博物館建筑設(shè)計(jì)
    天津博物館由天鵝湖、天鵝頸和綠色項(xiàng)鏈構(gòu)成，整體布局沿占地的西北向軸線對(duì)稱。
    3.1 總體規(guī)劃
    在天鵝湖東西兩側(cè)湖岸和長(zhǎng)189m的天鵝頸范圍內(nèi)，共設(shè)有三個(gè)參觀主入口,在與來賓入口相對(duì)的一側(cè)（南側(cè)）設(shè)有四個(gè)工作人員出入口、一個(gè)文物出入口。
    汽車停車場(chǎng)、自行車存車場(chǎng)設(shè)在從東側(cè)主入口看不到的地方，并將冷卻塔和衛(wèi)星接收天線也設(shè)在該區(qū)域。
    天鵝湖直徑130m，水深從300mm到800mm逐漸加深，湖岸可供兒童嬉戲。天鵝湖周圍設(shè)有廣場(chǎng)，采用花崗巖鋪地，并在石材下鋪兩層砂和灰土的來防止冰凍所造成的花崗巖脫落。
    在網(wǎng)殼的外圍設(shè)7m寬防水防盜溝，既能防止突發(fā)洪水進(jìn)入藏品庫(kù)，也可以防盜。
    3.2 平面設(shè)計(jì)
    天津博物館首層為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)為7mX7m，二層為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)為14m×14m，三層為鋼結(jié)構(gòu)，只在展室的隔墻部分設(shè)置柱，展室為跨度28m×45m的無柱大空間。
    （1）首層平面設(shè)計(jì)
    首層平面圖如圖1所示。在北側(cè)設(shè)置前廳，其中包括序廳、問詢處、售票處、貴賓室、多功能廳、圖書閱覽區(qū)域等；在南側(cè)設(shè)置有收藏室、設(shè)備室、辦公室等。

    設(shè)在殼面的邊緣部分的辦公室可以實(shí)現(xiàn)自然采光和通風(fēng)。
    前廳的東西兩端各設(shè)置一個(gè)圓廳，圓廳的外形為獨(dú)特的組合圓頂，以反光板來裝飾，襯托出前廳漂亮的空間。 東端的圓廳為多功能廳，是前廳的休息空間。西端的圓廳為貴賓廳。在前廳內(nèi)設(shè)置茶座，參觀人員可以在休息的同時(shí)欣賞天鵝湖的景色。
    在防盜措施良好的首層的中央部位設(shè)置藏品庫(kù)，它距外墻的位置適中，內(nèi)部不受外部環(huán)境干擾。藏品庫(kù)的各個(gè)出入口均安裝防盜門，內(nèi)部設(shè)置消毒裝置。搬運(yùn)口設(shè)在藏品庫(kù)的中間，具有足夠的操作空間。
    （2） 二層、三層平面設(shè)計(jì)
    前廳北側(cè)的通道是通向展室的主要路線，展室設(shè)在中央，沿殼的南側(cè)一邊設(shè)置工作人員用通道，前廳與展室之間由斜墻分開。
    （3）內(nèi)部路線設(shè)計(jì)
    參觀人員的參觀路線與工作人員的工作路線明確分開。參觀路線設(shè)在北側(cè)（前廳一側(cè)），工作人員路線設(shè)在南側(cè)。前廳中央的自動(dòng)扶梯為主參觀路線。
    3.3 剖面設(shè)計(jì)
    首層為序廳、多功能廳、貴賓廳、圖書資料中心、藏品庫(kù)和辦公室，二層為博物館及民族展展室，三層為天津歷史展室。
    一至二層的層高為5m，二至三層的層高為8.7m，層高設(shè)定留有較大余量，可確保足夠的設(shè)備檢修空間。首層前廳地面高度可比藏品庫(kù)高1000mm，因此可充分利用殼面端部空間。在三層展室，吊頂?shù)母叨葟?m到13.1m分7個(gè)層次構(gòu)成。
    屋頂網(wǎng)殼矢高為2m，可作為敷設(shè)設(shè)備管道空間使用。
    分隔前廳和展室的斜墻由傾斜角為78度的6塊曲面構(gòu)成。從首層到網(wǎng)架下弦的5個(gè)墻面，加上首層中央局部的1個(gè)墻面，仿佛6扇屏風(fēng)，具有現(xiàn)代化的象征意義。裝修選用白色石材，賦予整個(gè)建筑一種高雅的品位。
    3.4立面裝修設(shè)計(jì)
    建筑物立面裝修設(shè)計(jì)主要包括殼面和玻璃幕墻、采光窗、落地窗。
    “天鵝”外形由面積為15539平方米的殼面和面積為5764平方米的幕墻構(gòu)成。
    殼面是半徑158m球面的一部分，表面積為15539平方米。殼面由網(wǎng)殼、檁材、保溫層、折板及鍍瓷鋁面板構(gòu)成。保溫層厚100mm，包覆整個(gè)殼面。 折板層采用相互獨(dú)立的折板，將一片片板材交錯(cuò)疊壓進(jìn)行施工，做出球面的效果。在球的水平方向設(shè)四道橫管，將雨水沿網(wǎng)殼排走。這樣既保證屋面不漏水，又便于殼面施工。殼面采用鍍瓷鋁板包覆，這種板厚為2mm，表面為純白色陶瓷涂層，它和陶瓷一樣不需要維護(hù)，比涂氟產(chǎn)品更具耐久性。施工方法是把鋁型材按照從600mm到900mm的間距呈扇形布置，再把寬600mm到900mm，長(zhǎng)2900mm的鍍瓷鋁板現(xiàn)場(chǎng)拼接施工。殼面的防水處理是在鍍瓷鋁板層和折板層上做兩遍防水，可完全防止漏水。
    玻璃幕墻由天鵝兩翼的側(cè)幕墻和與天鵝頸連接的中央幕墻構(gòu)成。側(cè)幕墻曲面是圓錐面的一部分，由鋼桁架支承。中央幕墻是將軸線上的標(biāo)準(zhǔn)曲面旋轉(zhuǎn)后形成的形狀，由分為兩支的鋼梁組成，并由橢圓形的中空的群柱支承。側(cè)幕墻或中央幕墻都能夠在調(diào)整了幾何學(xué)的形狀后將全部材料在平面狀態(tài)下進(jìn)行施工。側(cè)幕墻和中央幕墻的鋁制窗框主要沿垂直方向布置，水平方向的窗框只是部分設(shè)置。
    在殼面設(shè)置的可控制的開合式采光窗，在作為前廳和三層展室自然通風(fēng)用開口部的同時(shí)，還具有排煙、換氣等排氣功能。
    殼面的端部是懸臂梁，在殼面與基地之間就形成了高2m的接縫狀的開口即落地窗。落地窗做成玻璃或百葉的，其傾斜角為69度，每隔約20m設(shè)置一開口面積為2平方米的百葉窗，具有進(jìn)風(fēng)、排氣的功能。
    3.5 建筑外觀照明設(shè)計(jì)
    在采光窗下設(shè)置照明裝置，與殼面端部的燈帶一起突出“天鵝”的造型。設(shè)在天鵝湖和天鵝頸處的燈光，增強(qiáng)了整個(gè)建筑的亮度，美化了天津的夜景。夜景效果如圖2所示。

    4 天津博物館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    4.1 工程概況
    天津博物館地上共3層,總高度約33m,主體部分結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架--剪力墻鋼支撐結(jié)構(gòu),屋蓋為鋼網(wǎng)殼，該建筑平面呈半圓形，直徑達(dá)186m。
    （1）荷載取值
    天津博物館工程所處地區(qū)的基本風(fēng)壓Wk=0.48kN/?，基本雪壓0.25kN/ ?；展廳部分: 5.0kN/?，辦公室:2.0kN/?， 衛(wèi)生間:2.5kN/?，樓梯:3.5kN/?，走道:3.5kN/?，機(jī)房:6kN/?
    （2）工程地質(zhì)概況
    本工程場(chǎng)地類別為Ⅲ類場(chǎng)地,屬中軟場(chǎng)地土,地下水靜止水位埋深在1.0～1.5m左右,地下水對(duì)混凝土及鋼材均無腐蝕性,在埋深15m以上土層均屬非液化土層。
    （3）抗震設(shè)計(jì)
    本工程場(chǎng)地地震基本烈度為7度，設(shè)防烈度為7度，乙類建筑,設(shè)計(jì)采用設(shè)防烈度計(jì)算,按8度采取抗震措施。結(jié)構(gòu)抗震等級(jí):框架三級(jí),剪力墻二級(jí)。
    4.2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    天津博物館上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括混凝土和鋼結(jié)構(gòu)兩部分的設(shè)計(jì)
    （1）混凝土部分
    1）結(jié)構(gòu)選型
    本工程混凝土部分為三層結(jié)構(gòu),首層層高5m,二層8.7m；柱網(wǎng): 首層為7×7m,二層14×14m、7×14m 。三層部分局部設(shè)置支承屋蓋的鋼管柱。本工程不設(shè)任何縫,混凝土部分結(jié)構(gòu)最大長(zhǎng)度約為180m,為避免澆注混凝土?xí)r溫度變化引起收縮應(yīng)力,采用設(shè)置后澆帶方式解決。后澆帶沿x向設(shè)置4道,沿y向設(shè)置2道,主體結(jié)構(gòu)完成2個(gè)月后封閉。另外考慮此建筑物二層層高較高,柱網(wǎng)跨度較大,且二層上部還有支撐鋼屋蓋柱子,在地震作用下,為避免位移較大,在樓梯間處設(shè)置了350mm厚剪力墻,在建筑隔墻處局部設(shè)交叉鋼桿支撐。
    2）主要結(jié)構(gòu)截面尺寸
    柱子:600?×600mm，800?×800mm，40?0×600mm(斜柱)
    框架梁:首層350?×700 mm，層400×1200 mm
    樓蓋梁:首層250?×500mm井字梁，二層350?×800mm井字梁
    樓板:采用12cm厚鋼筋混凝土樓板
    砼標(biāo)號(hào):基礎(chǔ)采用C30鋼筋及混凝土，首層采用C30鋼筋砼，二層采用C40鋼筋砼
    3）結(jié)構(gòu)分析
    本工程采用建研院PKPM系列, TAT結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行混凝土部分計(jì)算,計(jì)算中考慮耦聯(lián)影響。建筑物總重310000kN(混凝土部分)，結(jié)構(gòu)重心與形心基本重合，計(jì)算結(jié)果如下：

    根據(jù)結(jié)構(gòu)分析，本工程柱子軸壓比均能滿足規(guī)范要求限值。
    （2）鋼結(jié)構(gòu)部分
    天津博物館的鋼結(jié)構(gòu)部分包括屋頂網(wǎng)殼、幕墻結(jié)構(gòu)和天鵝頸三部分，如圖3所示。

    1）材料:鋼材以Q235b為主，結(jié)構(gòu)計(jì)算及節(jié)點(diǎn)的焊接連接及螺栓連接分別以國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范為依據(jù)。
    2）荷載：基本風(fēng)壓0.4KN/?，重要性系數(shù)1.2，基本雪壓0.25 KN/?，活荷載0.5 KN/?。
    3）屋頂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)
    天津博物館的屋頂為雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)形式為螺栓球節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)架厚度為2米，網(wǎng)格尺寸為2.5米～4.1米。
    ①屋頂?shù)闹С畜w系
    屋頂?shù)闹С畜w系分為以下3類。
    a.下部結(jié)構(gòu)支承
    在天津博物館內(nèi)部展廳的墻壁設(shè)置柱，柱頂直接與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接，柱腳由鋼管變形的鉸接柱來支承，這種柱不能承擔(dān)水平力，只能在垂直方向支承大屋頂豎向荷載。
    b.外周圈的鋼結(jié)構(gòu)柱
    在外圈柱之間設(shè)置斜撐的來共同支承大屋頂。
    柱頂直接與屋頂節(jié)點(diǎn)連接。柱腳為利用鋼板作成的鉸接節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)形式約束斜撐結(jié)構(gòu)面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，允許結(jié)構(gòu)面外轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣由斜撐所負(fù)擔(dān)的水平力可以很好的傳遞給基礎(chǔ)。
    另外，該支座通過面外轉(zhuǎn)動(dòng)可以釋放由于溫度變化在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在徑向產(chǎn)生的伸張或收縮的變形，從而避免產(chǎn)生溫度應(yīng)力。
    c.正立面頂部的拱
    正立面的鋼管拱也支承著屋蓋結(jié)構(gòu)，而拱又由連接天鵝頸的桿件所支承，這在保證提高網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)也解決了拱結(jié)構(gòu)的屈曲穩(wěn)定問題。
    ②大屋頂?shù)挚顾搅?br /> 作用在大屋頂上的水平力（風(fēng)荷載、地震時(shí)力等）通過屋頂結(jié)構(gòu)可以直接傳給地基。也就是說，作用在大屋頂上的水平力利用大屋頂傳給下部結(jié)構(gòu)，對(duì)于地震時(shí)的慣性力考慮由下部結(jié)構(gòu)獨(dú)立抵抗。
    當(dāng)X方向的水平力作用在大屋頂上時(shí)，在與荷載作用方向接近的角度的柱間斜撐進(jìn)行最有效的抵抗。由于水平力作用的大屋頂?shù)谋砻婧托睋谓Y(jié)構(gòu)面有高差，在外力和反力之間產(chǎn)生力偶。，內(nèi)部的鉸接柱中的軸力，能有效地進(jìn)行抵抗此力偶。
    當(dāng)Y方向的水平力作用在大屋頂上時(shí)，基本上與X方向是相同的。只是在Y方向水平力的作用下，在拱的支點(diǎn)的近旁的桿件的軸向與荷載方向一致，因此拱也能夠很有效地抵抗水平力。
    ③大屋頂施工程序
    首先進(jìn)行鋼筋混凝土下部結(jié)構(gòu)的施工，接著在支承大屋頂?shù)闹е浇鼮橹行脑O(shè)置腳手架，安裝支承大屋頂?shù)闹е?、斜支撐、拱狀梁；然后在地面把空間網(wǎng)架拼裝成結(jié)構(gòu)單元，按順序進(jìn)行施工。所有屋頂結(jié)構(gòu)全部施工完成后，進(jìn)入裝修工程。
    4）玻璃幕墻結(jié)構(gòu)
    天津博物館的立面是最高約33米的玻璃幕墻，分為兩部分：與天鵝頸部相連的中央幕墻及兩端的側(cè)幕墻。
    在中央部分與天鵝頸相連是10根箱形曲線鋼梁，梁高800?～450?,梁寬400?～250?。沿高度方向每6米設(shè)置橫向桿件，并且沿1.25米的間距設(shè)置了直接連接玻璃的縱向桿件，以形成玻璃幕支承結(jié)構(gòu)。10根箱形斷面曲線鋼梁在跨中和端部由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)支承，頂端與大屋頂?shù)墓跋噙B接。
    在兩端，沿拱以約5米間距設(shè)置了桁架梁，梁高2m～0.88m，在桁架梁上沿高度方向以6米間距設(shè)橫向桿件，構(gòu)成的玻璃幕的支承結(jié)構(gòu)，然后再以1.25米的間距設(shè)置直接連接玻璃的縱向構(gòu)件，形成立面玻璃幕的造型。支承桁架的上部與大屋頂邊界的拱緊密連接。在支承桁架的外側(cè)弦桿直接連接玻璃的位置和內(nèi)側(cè)弦桿均以6米間距設(shè)置橫向桿件，這些橫向桿件可以防止桁架桿件的面外屈曲變形。
    5）天鵝頸
    天鵝頸由從主入口經(jīng)過天鵝湖進(jìn)入天津博物館內(nèi)的回廊構(gòu)成，屋頂用玻璃覆蓋。
    天鵝頸部是由10根箱梁構(gòu)成，箱形梁的尺寸為350?×175?。它的兩端部各有4根鋼管柱列支承，在中間由30米間距的呈橢圓形平面布置的鋼管柱群來支承，每組有8根。這些柱與橢圓形梁剛接。10根箱形梁與橢圓形梁進(jìn)行有效連接。
    4.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
    由于本工程柱網(wǎng)下荷載的不均勻性,必然產(chǎn)生變形的不均勻性,故本工程采用樁基礎(chǔ)，選用600鉆孔灌注樁或350?×350?預(yù)制樁,該建筑物埋深取2.0m, 鉆孔灌注樁樁端埋深21.0m。本工程主要采用600鉆孔灌注樁,主結(jié)構(gòu)入口剛架采用350?×350?預(yù)制樁。
    鉆孔灌注樁單樁承載力Ruk=1710kN，設(shè)計(jì)值為RD=1000kN
    承臺(tái)厚度為1200?，承臺(tái)間設(shè)拉梁,拉梁尺寸一般為350?×700 ?，局部柱網(wǎng)尺寸較大處為400?×1200?。
    5 結(jié)論
    采用仿生性建造的天津博物館是天津一個(gè)標(biāo)志性建筑。本文通過介紹其建筑和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，說明一個(gè)完美的建筑作品，既離不開建筑，也離不開結(jié)構(gòu)，要通過建筑和結(jié)構(gòu)的有機(jī)統(tǒng)一協(xié)調(diào)才能實(shí)現(xiàn)。
    參考文獻(xiàn)
    1．陳志華, 王小盾, 劉錫良. 天津博物館的空間鋼結(jié)構(gòu)體系. 第二屆全國(guó)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì). 2002年7月. 馬鞍山. PP.138
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