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天津博物館的建筑設計和結構體系

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    陳志華 王小盾 嚴定中 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計思想和特點，研究了總體規劃、建筑的平面設計、立面設計、剖面設計和外觀照明設計，分析了結構體系、上部鋼和混凝土結構設計以及下部結構設計，并通過對天津博物館建筑設計和結構設計的分析論述，展現了天津博物館作為標志性建筑的所獨具的特色，同時也說明一個優秀的建筑作品離不開建筑和結構的有機結合。
    關鍵詞：天津博物館；結構設計；建筑設計
    中圖分類號：TU 文獻標識碼：

    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，東至四號路，占地面積約5萬?，總建筑面積約3.5萬?，建筑物總高度約為33m, 主體部分結構形式為鋼筋混凝土框架--剪力墻鋼支撐結構,屋蓋為鋼網殼，建筑平面呈半圓形,直徑達186m,基礎形式為樁--承臺基礎。
    天津博物館是天津市歷史、藝術綜合博物館,建筑物外形為仿天鵝造型建筑。天津博物館由陳列展覽區、藏品庫房區、圖書資料中心、辦公與技術用房和設備用房等五大部分組成，建筑層數為三層，在室外設有容積為6500m3天鵝湖（分為兩部分）。
    2 天津博物館設計思想和方案特點
    作為新天津的標志性建筑，天津博物館的設計不僅要具有鮮明的現代風格，追求作為建筑自身所具有的技術先進、功能合理的設計理念，而且要反映天津的城市特點和風貌，展現現代都市的魅力，體現天津博物館館藏實力，為天津增添一份獨特的文化氣息，同時還要保證天津博物館與文化藝術中心、行政中心及天鵝湖的整體和諧并各自獨具特色。天津博物館是通過國際公開的設計招投標確定的方案，由日本川口衛設計事務所和高松伸設計事務所中標，初步設計和施工圖設計由川口衛設計事務所總負責，聯合高松伸設計事務所和天津市建筑設計院等共同完成，天津大學建工學院負責了天津博物館的科研、試驗和關鍵技術的研究、開發和設計等工作。
    天津博物館的通道是從天鵝頸部走廊中穿過，到達風除室后再接著進入結構主體。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，形成一個“展翅飛翔的天鵝”的造型。
    3 天津博物館建筑設計
    天津博物館由天鵝湖、天鵝頸和綠色項鏈構成，整體布局沿占地的西北向軸線對稱。
    3.1 總體規劃
    在天鵝湖東西兩側湖岸和長189m的天鵝頸范圍內，共設有三個參觀主入口,在與來賓入口相對的一側（南側）設有四個工作人員出入口、一個文物出入口。
    汽車停車場、自行車存車場設在從東側主入口看不到的地方，并將冷卻塔和衛星接收天線也設在該區域。
    天鵝湖直徑130m，水深從300mm到800mm逐漸加深，湖岸可供兒童嬉戲。天鵝湖周圍設有廣場，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。
    在網殼的外圍設7m寬防水防盜溝，既能防止突發洪水進入藏品庫，也可以防盜。
    3.2 平面設計
    天津博物館首層為鋼筋混凝土結構，柱網為7mX7m，二層為鋼筋混凝土結構，柱網為14m×14m，三層為鋼結構，只在展室的隔墻部分設置柱，展室為跨度28m×45m的無柱大空間。
    （1）首層平面設計
    首層平面圖如圖1所示。在北側設置前廳，其中包括序廳、問詢處、售票處、貴賓室、多功能廳、圖書閱覽區域等；在南側設置有收藏室、設備室、辦公室等。

    設在殼面的邊緣部分的辦公室可以實現自然采光和通風。
    前廳的東西兩端各設置一個圓廳，圓廳的外形為獨特的組合圓頂，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。在前廳內設置茶座，參觀人員可以在休息的同時欣賞天鵝湖的景色。
    在防盜措施良好的首層的中央部位設置藏品庫，它距外墻的位置適中，內部不受外部環境干擾。藏品庫的各個出入口均安裝防盜門，內部設置消毒裝置。搬運口設在藏品庫的中間，具有足夠的操作空間。
    （2） 二層、三層平面設計
    前廳北側的通道是通向展室的主要路線，展室設在中央，沿殼的南側一邊設置工作人員用通道，前廳與展室之間由斜墻分開。
    （3）內部路線設計
    參觀人員的參觀路線與工作人員的工作路線明確分開。參觀路線設在北側（前廳一側），工作人員路線設在南側。前廳中央的自動扶梯為主參觀路線。
    3.3 剖面設計
    首層為序廳、多功能廳、貴賓廳、圖書資料中心、藏品庫和辦公室，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，層高設定留有較大余量，可確保足夠的設備檢修空間。首層前廳地面高度可比藏品庫高1000mm，因此可充分利用殼面端部空間。在三層展室，吊頂的高度從3m到13.1m分7個層次構成。
    屋頂網殼矢高為2m，可作為敷設設備管道空間使用。
    分隔前廳和展室的斜墻由傾斜角為78度的6塊曲面構成。從首層到網架下弦的5個墻面，加上首層中央局部的1個墻面，仿佛6扇屏風，具有現代化的象征意義。裝修選用白色石材，賦予整個建筑一種高雅的品位。
    3.4立面裝修設計
    建筑物立面裝修設計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。殼面由網殼、檁材、保溫層、折板及鍍瓷鋁面板構成。保溫層厚100mm，包覆整個殼面。 折板層采用相互獨立的折板，將一片片板材交錯疊壓進行施工，做出球面的效果。在球的水平方向設四道橫管，將雨水沿網殼排走。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，比涂氟產品更具耐久性。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2900mm的鍍瓷鋁板現場拼接施工。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幕墻和與天鵝頸連接的中央幕墻構成。側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準曲面旋轉后形成的形狀，由分為兩支的鋼梁組成，并由橢圓形的中空的群柱支承。側幕墻或中央幕墻都能夠在調整了幾何學的形狀后將全部材料在平面狀態下進行施工。側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置。
    在殼面設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用開口部的同時，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設置一開口面積為2平方米的百葉窗，具有進風、排氣的功能。
    3.5 建筑外觀照明設計
    在采光窗下設置照明裝置，與殼面端部的燈帶一起突出“天鵝”的造型。設在天鵝湖和天鵝頸處的燈光，增強了整個建筑的亮度，美化了天津的夜景。夜景效果如圖2所示。

    4 天津博物館結構設計
    4.1 工程概況
    天津博物館地上共3層,總高度約33m,主體部分結構形式為鋼筋混凝土框架--剪力墻鋼支撐結構,屋蓋為鋼網殼，該建筑平面呈半圓形，直徑達186m。
    （1）荷載取值
    天津博物館工程所處地區的基本風壓Wk=0.48kN/?，基本雪壓0.25kN/ ?；展廳部分: 5.0kN/?，辦公室:2.0kN/?， 衛生間:2.5kN/?，樓梯:3.5kN/?，走道:3.5kN/?，機房:6kN/?
    （2）工程地質概況
    本工程場地類別為Ⅲ類場地,屬中軟場地土,地下水靜止水位埋深在1.0～1.5m左右,地下水對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）抗震設計
    本工程場地地震基本烈度為7度，設防烈度為7度，乙類建筑,設計采用設防烈度計算,按8度采取抗震措施。結構抗震等級:框架三級,剪力墻二級。
    4.2 上部結構設計
    天津博物館上部結構設計包括混凝土和鋼結構兩部分的設計
    （1）混凝土部分
    1）結構選型
    本工程混凝土部分為三層結構,首層層高5m,二層8.7m；柱網: 首層為7×7m,二層14×14m、7×14m 。三層部分局部設置支承屋蓋的鋼管柱。本工程不設任何縫,混凝土部分結構最大長度約為180m,為避免澆注混凝土時溫度變化引起收縮應力,采用設置后澆帶方式解決。后澆帶沿x向設置4道,沿y向設置2道,主體結構完成2個月后封閉。另外考慮此建筑物二層層高較高,柱網跨度較大,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,在樓梯間處設置了350mm厚剪力墻,在建筑隔墻處局部設交叉鋼桿支撐。
    2）主要結構截面尺寸
    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
    砼標號:基礎采用C30鋼筋及混凝土，首層采用C30鋼筋砼，二層采用C40鋼筋砼
    3）結構分析
    本工程采用建研院PKPM系列, TAT結構分析軟件進行混凝土部分計算,計算中考慮耦聯影響。建筑物總重310000kN(混凝土部分)，結構重心與形心基本重合，計算結果如下：

    根據結構分析，本工程柱子軸壓比均能滿足規范要求限值。
    （2）鋼結構部分
    天津博物館的鋼結構部分包括屋頂網殼、幕墻結構和天鵝頸三部分，如圖3所示。

    1）材料:鋼材以Q235b為主，結構計算及節點的焊接連接及螺栓連接分別以國內相關規范為依據。
    2）荷載：基本風壓0.4KN/?，重要性系數1.2，基本雪壓0.25 KN/?，活荷載0.5 KN/?。
    3）屋頂網殼結構
    天津博物館的屋頂為雙層網殼結構，節點形式為螺栓球節點。網架厚度為2米，網格尺寸為2.5米～4.1米。
    ①屋頂的支承體系
    屋頂的支承體系分為以下3類。
    a.下部結構支承
    在天津博物館內部展廳的墻壁設置柱，柱頂直接與網架結構的節點連接，柱腳由鋼管變形的鉸接柱來支承，這種柱不能承擔水平力，只能在垂直方向支承大屋頂豎向荷載。
    b.外周圈的鋼結構柱
    在外圈柱之間設置斜撐的來共同支承大屋頂。
    柱頂直接與屋頂節點連接。柱腳為利用鋼板作成的鉸接節點。該節點形式約束斜撐結構面內的轉動，允許結構面外轉動。這樣由斜撐所負擔的水平力可以很好的傳遞給基礎。
    另外，該支座通過面外轉動可以釋放由于溫度變化在網架結構在徑向產生的伸張或收縮的變形，從而避免產生溫度應力。
    c.正立面頂部的拱
    正立面的鋼管拱也支承著屋蓋結構，而拱又由連接天鵝頸的桿件所支承，這在保證提高網架結構的經濟性的同時也解決了拱結構的屈曲穩定問題。
    ②大屋頂抵抗水平力
    作用在大屋頂上的水平力（風荷載、地震時力等）通過屋頂結構可以直接傳給地基。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構，對于地震時的慣性力考慮由下部結構獨立抵抗。
    當X方向的水平力作用在大屋頂上時，在與荷載作用方向接近的角度的柱間斜撐進行最有效的抵抗。由于水平力作用的大屋頂的表面和斜撐結構面有高差，在外力和反力之間產生力偶。，內部的鉸接柱中的軸力，能有效地進行抵抗此力偶。
    當Y方向的水平力作用在大屋頂上時，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
    首先進行鋼筋混凝土下部結構的施工，接著在支承大屋頂的支柱附近為中心設置腳手架，安裝支承大屋頂的支柱、斜支撐、拱狀梁；然后在地面把空間網架拼裝成結構單元，按順序進行施工。所有屋頂結構全部施工完成后，進入裝修工程。
    4）玻璃幕墻結構
    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米設置橫向桿件，并且沿1.25米的間距設置了直接連接玻璃的縱向桿件，以形成玻璃幕支承結構。10根箱形斷面曲線鋼梁在跨中和端部由鋼筋混凝土結構支承，頂端與大屋頂的拱相連接。
    在兩端，沿拱以約5米間距設置了桁架梁，梁高2m～0.88m，在桁架梁上沿高度方向以6米間距設橫向桿件，構成的玻璃幕的支承結構，然后再以1.25米的間距設置直接連接玻璃的縱向構件，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。在支承桁架的外側弦桿直接連接玻璃的位置和內側弦桿均以6米間距設置橫向桿件，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過天鵝湖進入天津博物館內的回廊構成，屋頂用玻璃覆蓋。
    天鵝頸部是由10根箱梁構成，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行有效連接。
    4.3 基礎設計
    由于本工程柱網下荷載的不均勻性,必然產生變形的不均勻性,故本工程采用樁基礎，選用600鉆孔灌注樁或350?×350?預制樁,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,主結構入口剛架采用350?×350?預制樁。
    鉆孔灌注樁單樁承載力Ruk=1710kN，設計值為RD=1000kN
    承臺厚度為1200?，承臺間設拉梁,拉梁尺寸一般為350?×700 ?，局部柱網尺寸較大處為400?×1200?。
    5 結論
    采用仿生性建造的天津博物館是天津一個標志性建筑。本文通過介紹其建筑和結構的設計，說明一個完美的建筑作品，既離不開建筑，也離不開結構，要通過建筑和結構的有機統一協調才能實現。
    參考文獻
    1．陳志華, 王小盾, 劉錫良. 天津博物館的空間鋼結構體系. 第二屆全國現代結構工程學術研討會. 2002年7月. 馬鞍山. PP.138
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