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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(wǎng)    
時(shí)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(diǎn)，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(guān)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(guò)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(shí)也說(shuō)明一個(gè)優(yōu)秀的建筑作品離不開(kāi)建筑和結構的有機結合。
    關(guān)鍵詞：天津博物館；結構設計；建筑設計
    中圖分類(lèi)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(wàn)?，總建筑面積約3.5萬(wàn)?，建筑物總高度約為33m, 主體部分結構形式為鋼筋混凝土框架--剪力墻鋼支撐結構,屋蓋為鋼網(wǎng)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(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、藏品庫房區、圖書(shū)資料中心、辦公與技術(shù)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(diǎn)
    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(fēng)格，追求作為建筑自身所具有的技術(shù)先進(jìn)、功能合理的設計理念，而且要反映天津的城市特點(diǎn)和風(fēng)貌，展現現代都市的魅力，體現天津博物館館藏實(shí)力，為天津增添一份獨特的文化氣息，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具特色。天津博物館是通過(guò)國際公開(kāi)的設計招投標確定的方案，由日本川口衛設計事務(wù)所和高松伸設計事務(wù)所中標，初步設計和施工圖設計由川口衛設計事務(wù)所總負責，聯(lián)合高松伸設計事務(wù)所和天津市建筑設計院等共同完成，天津大學(xué)建工學(xué)院負責了天津博物館的科研、試驗和關(guān)鍵技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)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(guò)，到達風(fēng)除室后再接著(zhù)進(jìn)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(gè)“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(xiàn)對稱(chēng)。
    3.1 總體規劃
    在天鵝湖東西兩側湖岸和長(cháng)189m的天鵝頸范圍內，共設有三個(gè)參觀(guān)主入口,在與來(lái)賓入口相對的一側（南側）設有四個(gè)工作人員出入口、一個(gè)文物出入口。
    汽車(chē)停車(chē)場(chǎng)、自行車(chē)存車(chē)場(chǎng)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(xiàn)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?chē)O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(lái)防止冰凍所造成的花崗巖脫落。
    在網(wǎng)殼的外圍設7m寬防水防盜溝，既能防止突發(fā)洪水進(jìn)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(wǎng)為7mX7m，二層為鋼筋混凝土結構，柱網(wǎng)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(wú)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(wèn)詢(xún)處、售票處、貴賓室、多功能廳、圖書(shū)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(shí)現自然采光和通風(fēng)。
    前廳的東西兩端各設置一個(gè)圓廳，圓廳的外形為獨特的組合圓頂，以反光板來(lái)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(guān)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置藏品庫，它距外墻的位置適中，內部不受外部環(huán)境干擾。藏品庫的各個(gè)出入口均安裝防盜門(mén)，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(xiàn)，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(kāi)。
    （3）內部路線(xiàn)設計
    參觀(guān)人員的參觀(guān)路線(xiàn)與工作人員的工作路線(xiàn)明確分開(kāi)。參觀(guān)路線(xiàn)設在北側（前廳一側），工作人員路線(xiàn)設在南側。前廳中央的自動(dòng)扶梯為主參觀(guān)路線(xiàn)。
    3.3 剖面設計
    首層為序廳、多功能廳、貴賓廳、圖書(shū)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(gè)層次構成。
    屋頂網(wǎng)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(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(wǎng)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(gè)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(jìn)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(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，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(cháng)2900mm的鍍瓷鋁板現場(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(xiàn)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(xué)的形狀后將全部材料在平面狀態(tài)下進(jìn)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(kāi)合式采光窗，在作為前廳和三層展室自然通風(fēng)用開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guān)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(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(wǎng)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(fēng)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(zhì)概況
    本工程場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)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,地下水對混凝土及鋼材均無(wú)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(chǎng)地地震基本烈度為7度，設防烈度為7度，乙類(lèi)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(wǎng): 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(cháng)度約為180m,為避免澆注混凝土時(shí)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(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(jìn)行混凝土部分計算,計算中考慮耦聯(lián)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(mǎn)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(wǎng)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(diǎn)的焊接連接及螺栓連接分別以國內相關(guān)規范為依據。
    2）荷載：基本風(fēng)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(wǎng)殼結構
    天津博物館的屋頂為雙層網(wǎng)殼結構，節點(diǎn)形式為螺栓球節點(diǎn)。網(wǎng)架厚度為2米，網(wǎng)格尺寸為2.5米～4.1米。
    ①屋頂的支承體系
    屋頂的支承體系分為以下3類(lèi)。
    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(wǎng)架結構的節點(diǎn)連接，柱腳由鋼管變形的鉸接柱來(lái)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(lái)共同支承大屋頂。
    柱頂直接與屋頂節點(diǎn)連接。柱腳為利用鋼板作成的鉸接節點(diǎn)。該節點(diǎn)形式約束斜撐結構面內的轉動(dòng)，允許結構面外轉動(dòng)。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(guò)面外轉動(dòng)可以釋放由于溫度變化在網(wǎng)架結構在徑向產(chǎn)生的伸張或收縮的變形，從而避免產(chǎn)生溫度應力。
    c.正立面頂部的拱
    正立面的鋼管拱也支承著(zhù)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(wǎng)架結構的經(jīng)濟性的同時(shí)也解決了拱結構的屈曲穩定問(wèn)題。
    ②大屋頂抵抗水平力
    作用在大屋頂上的水平力（風(fēng)荷載、地震時(shí)力等）通過(guò)屋頂結構可以直接傳給地基。也就是說(shuō)，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(shí)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(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的表面和斜撐結構面有高差，在外力和反力之間產(chǎn)生力偶。，內部的鉸接柱中的軸力，能有效地進(jìn)行抵抗此力偶。
    當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構的施工，接著(zhù)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(wǎng)架拼裝成結構單元，按順序進(jìn)行施工。所有屋頂結構全部施工完成后，進(jìn)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(xiàn)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(xiàn)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(jīng)過(guò)天鵝湖進(jìn)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(lái)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 基礎設計
    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，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(wǎng)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(gè)標志性建筑。本文通過(guò)介紹其建筑和結構的設計，說(shuō)明一個(gè)完美的建筑作品，既離不開(kāi)建筑，也離不開(kāi)結構，要通過(guò)建筑和結構的有機統一協(xié)調才能實(shí)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(xué)術(shù)研討會(huì ). 2002年7月. 馬鞍山. PP.138
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