项目信息
建设地点：浙江省绍兴市柯桥区
建设单位：绍兴金沙旅游开发有限公司
设计单位：同济设计集团（建筑设计第四院+工程技术研究院）
建设单位：上海宝业集团有限公司
结构类型：混凝土框架+巨型钢桁架组合弦支网壳结构
最大跨度：山亭160米，水亭228米
建筑面积：54.7万平方米
荣誉：2018年度中国建筑学会建筑设计奖·结构一等奖
中国建筑学会科技进步一等奖
上海市建筑学会科技进步二等奖
前文我们介绍了山水亭（）的设计理念与结构方案的思考与演进，巨大的体量与通透的造型给设计与建造带来了不小的难度，本文我们来回顾一下山水亭在结构设计与建造技术方面的研究与内容。
结构设计
01
静态属性
1）结构变形
屋盖中心弦穹顶结构上方材料为玻璃，设计采用挠度跨度比限值[1/500]。屋盖中心节点最大挠度跨度比为1/610，满足限值要求；径向主桁架最大挠度跨度比为1/610，满足限值要求；屋盖最大相对挠度跨度比为1/670，满足限值要求。
2）典型结构单元内力
在垂直荷载作用下，在落点处径向主桁下弦受拉、上弦受压，说明径向主桁在垂直荷载作用下有向外膨胀的趋势。在其他位置径向主桁下弦受压、上弦受拉。这是因为径向主桁为拱形立面，中部为平整，当其受到垂直荷载时，在距地面第五个节间附近产生负弯矩，使下弦压缩弯曲，上弦拉伸。拱在弦杆上形成的压力叠加在一起，因此下弦所受的压力远大于其他构件。
环形桁架的上弦杆均处于压缩状态，这是因为屋盖钢结构整体呈椭球形，环形桁架位于屋盖顶部，在竖向荷载作用下，有向下弯曲的趋势，并承受径向主桁架和屋盖单层网壳向内的挤压。
环桁架短跨方向下弦受到拉伸，长跨方向下弦受到压缩。这是因为环桁架下弦在平面内只受到径向主桁下弦的约束，而平面是椭圆形的。在径向主桁的挤压下，环桁架下弦不会像正圆一样受到均匀压缩，而是长跨方向下弦受到向内挤压，短跨方向下弦受到相对拉伸。
在竖向荷载作用下，连屋方形单层网壳受到压缩和弯曲，但弯矩很小，说明结构主要以轴向刚度抵抗外荷载，结构空间传力和壳体效应明显。
屋盖内两环梁呈压缩状态并向外逐渐过渡为拉伸状态，与径向主桁架及悬挑穹顶结构的变形趋势一致，内两环梁位于屋盖中央，承受着悬挑穹顶挠度引起的向内压缩。
在竖向荷载作用下，径向主桁架有向外膨胀的趋势，屋面圈梁也随之有向外膨胀的趋势，承受拉力，越往外拉力越大。因此，外圈梁受到拉力，越往外拉力越大，起到箍圈的作用。
02
电源特性
从屋盖钢结构自振特性可以看出，前三阶均为整体竖向振动，不存在扭转振动，表明屋盖结构整体扭转刚度良好。
03
温度效应分析
1）对变形的影响
温度对屋盖结构的挠度有显著影响，且结构壳的影响更为明显。
当温度升高时，结构趋向于向外膨胀；当温度下降时，结构趋向于向内收缩，各测点处挠度增大。
2）对结构应力的影响
单纯在温度作用下，钢结构构件应力比大于0.2的构件仅占10.1%，而应力比小于0.1的构件则占总数的64.5%，可见大部分构件的应力比受温度影响较小。
应力比大于0.4的构件为环桁架上弦杆和中心弦支承的穹顶环梁，这是因为这些构件位于屋盖中心，面内刚度较大，产生的温度内应力较大。
3）对支撑反力的影响
在温度作用下，长轴方向上弦竖向反力变化120%，下弦竖向反力变化60%；短轴方向上弦竖向反力变化30%，下弦竖向反力变化8%。
温度对支撑竖向反力的影响十分明显，对主桁架长轴方向的影响则更大。
04
中央悬挂穹顶研究
1）子结构单独分析
上部悬挂穹顶结构可以增强下部钢屋盖的竖向刚度，减小结构的竖向挠度，且对大跨方向构件的约束作用大于对短跨方向构件的约束。
2）中央悬索穹顶分析
整体模型中A点的相对挠度满足[1/500]的挠度要求，说明下部结构能够为上部悬吊穹顶结构提供足够的竖向弹性支撑，单独对上部悬吊穹顶模型进行分析也是有效的，且刚度良好。
05
弹塑性极限承载力分析
当仅考虑结构整体的初始缺陷时，弹塑性临界荷载系数为3.75；若单个构件发生破坏，并考虑构件级的初始缺陷，则弹塑性临界荷载系数为3.02，表明结构的极限承载能力相对较强。
材料非线性控制着结构的整体极限承载力，结构最终会因为很多杆件的塑性而无法继续承受荷载，属于强度破坏。在结构强度破坏前，结构没有出现整体失稳或局部失稳，说明结构稳定性良好。
当荷载系数达到3.1时，荷载-位移曲线出现转折点，表明此时结构刚度大大减弱，因为一些关键构件进入塑性。
当结构达到限值系数3.75时，结构的中心挠度达到1320mm，按小跨度计算的挠跨比约为1/90，远远超出了正常使用极限状态的限值（1/400）。
1）塑料发展机理
2）活荷载布置不当的影响
半跨活载对结构弹塑性极限承载力影响不大，这是因为主桁架在结构中呈放射状布置，是主要承重结构，而单层网壳的稳定性并不控制结构的极限承载力，最终由于主桁架上、下弦杆大面积塑性变形，结构失去承载能力。
06
电缆夹节点
索夹是悬挑穹顶结构中竖向撑杆、径向钢杆和环向拉索的交汇处，是下弦环向拉索将预应力转化为对上部网壳支撑力的关键节点。椭圆悬挑穹顶受力时，索夹节点斜角处两侧拉索的不平衡力较大，索夹节点的抗滑移性能将直接影响结构承载力。
通过专项试验研究发现，椭圆弦杆穹顶受力时，角形索夹节点两侧索的不平衡力较大，试验索夹为最外侧角形索夹，节点两侧最大不平衡索力为203kN，索夹最小抗滑承载力为350kN，大于索夹节点两端最大不平衡力203kN，安全系数为1.75，索夹抗滑性能满足工程要求。
1）电缆夹抗滑移性能试验研究
真实照片
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07
支持节点
抗震球型钢支座是巨型钢桁架结构的重要组成部分，它不仅影响巨型钢桁架结构的实际受力性能，还影响建筑物的实际效果。巨型桁架结构底部与下部混凝土平台连接，为减少上部结构对下部结构的弯矩，采用释放弯矩的新型抗震球型钢支座。
08
参数化造型与二次开发
本项目参数化建模的难点在于采用椭球面的巨型钢桁架结构，其几何形状及混合结构使得结构十分复杂，难以通过传统方法建立大量模型进行研究。
设计采用APDL编程语言和Grasshopper、GC等新型可视化参数设计平台对结构进行程序逻辑处理钢结构梁挠度限值，并建立可与建筑设计成果对接的参数化模型，通过少量参数即可快速修改模型。同时，为了实现模型导入SAP的便捷性和准确性钢结构梁挠度限值，设计团队在SAP2000软件上自主开发了分析模型转换程序工具Structural Analysis Bridge（SAB），大大提高了工作效率。
09
数值风洞技术的应用
利用数值风洞技术系统研究复杂大跨度空间结构的风压分布，以便在结构概念设计和方案设计过程中快速准确地确定风荷载分布。并开展风洞试验，将风洞试验结果与数值风洞结构进行对比，对风荷载进行修正。
风洞试验模型
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10
3D打印技术的应用
将3D打印技术引入大跨度巨型钢桁架结构设计中，在结构规划阶段即可利用3D打印机打印出多种结构方案，从而可以从外观上比较结构方案的优缺点，进而对结构方案进行改进，提高工作效率。
3D打印模型
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施工技术
01
超大跨度椭球复合材料网壳局部不对称安装技术
技术难点：跨度大、杆件弯曲；四面受水，无法跨外对称提升；淤泥地基承载力差。
解决措施：增强临时支撑体系的抗侧刚度和稳定性；主吊采用跨内行走操作；下部屋盖结构采用非对称施工方法；采取适当的抗变形措施。
02
异形结构拼装吊装技术
技术难点：弯扭杆件及不规则结构多；空间定位困难；高空对接精度要求高。
解决措施：合理确定分块方法及焊接顺序；利用软件分析确定吊点；设置高空匹配调整定位措施。
03
独立支撑柱肋环悬挑穹顶施工技术
技术难点：措施投入大、建设周期长；高空作业多、安全风险大；中央穹顶与主体施工相互重叠、制约。
解决方案：上部刚性网壳采用模块化、对称式吊装；索杆牵引提升施工；预应力索分阶段、逐环张拉。
04
分区对称分层同步卸载技术
技术难点：卸荷点多，同步控制困难；卸荷点反作用力大；火焰切割控制难度大；千斤顶卸荷操作复杂。
解决方案：依次卸载径向桁架、中央穹顶、环形桁架的不同区域；对称卸载环形桁架；分阶段卸载，先小后大。
05
设计施工全过程BIM技术
技术难点：模型较大，需要进行大量的分析和建模工作；杆件数量多，管理困难；精度要求高。
解决方案：结构分析软件二次开发；BIM技术的深度应用；全面的室内协调；自动软件建模与详图转换；构件跟踪系统；数字化预装配技术。
随着大跨度巨型钢桁架结构越来越复杂，BIM技术深度应用于大跨度巨型钢桁架结构设计，使建筑、结构、设备专业能够协同工作，提高工作效率和准确性，并及时发现各专业设计中的冲突和不一致之处。
结论
此项目结构庞大，结构造型亦即建筑造型，设计难度极大。设计师在设计中充分展现了精益求精的工匠精神，遵循建筑结构一体化的高标准，用精湛的工艺支撑起整个穹顶，同时也赋予了这座景观公园更多的韵律与美感。
