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2010上海EXPO主要场馆结构设计综述汪大绥华东建筑设计研究院有限公司2010.07.31一、概述1851年，伦敦世博会，水晶宫，开创了建筑工业化；1880年，墨尔本世博会，皇家展览馆，成为澳大利亚第一例世界文化遗产1889年，巴黎世博会，埃菲尔铁塔，巴黎的标志和象征；1967年，蒙特利尔世博会，栖居67，住宅设计理念的突破；德国馆，张拉结构的先驱；1970年，大阪世博会，富士馆、美国馆，开创充气膜结构时代；2000年，汉诺威世博会，日本馆，一座36000平米的纸房子；8/9号馆，索结构使用的极致案例；2010年，上海世博会。。。。。。世博会是汇聚着人类物质文明与精神文明成果的全球性盛会，从某种意义上讲也是一次建筑博览会，其建筑往往汇集了当时最先进的设计理念、建筑材料、建造技术等。一、概述上海世博会选址在市中心黄浦江两岸，南浦大桥和卢浦大桥之间的滨江地区，势必对上海新一轮的城市发展特别是黄浦江两岸的开发也会有极大的推动作用。一、概述本届世博的主题是：城市，让生活更美好。本届世博会的主要目标：会期184天（2010.5.1—2010.10.31）；预期参展国和组织200个；预期参观人数7000万；为实现这一目标，确定的工程建设任务是：规划用地面积5.28平方公里（按人均8平米）；围栏区（即凭票入内的区域）面积3.28平方公里；总建筑面积125万平方米，其中展馆面积85万平方米；原有建筑利用约35万平方米(用于联合馆，企业馆，物流仓库等)；高架平台面积51万平方米。一、概述园区旧貌（卫星照片）。根据2006年调查情况，原区域内主要土地利用类型：从事各类重型机械、化工原料生产企业和物流企业的工业用地，主要包含江南造船集团、港机重工集团、浦东钢铁集团、南码头港区、溶剂厂、助剂厂等；居住、文教、商业用地组成的居住用地，以半淞园路街道、雪野新村街道、南码头街道以及作为浦钢集团家属区的后滩地区为主。一、概述总体规划图。大的展馆建筑包括：一轴四馆、11个联合馆、42个租赁馆、42个国家自建馆。一、概述园区交通图。为向世博会提供高效便捷的交通保障，园区及周边进行了的规模宏大交通系统建设，包括地铁、隧道、相关城市道路和水上交通设施。共有5条地铁线路为园区服务，成为世博园区与城市其他部分联系的主要方式。二、主要场馆概况世博园区极为突出的区位优势决定了它必将成为上海新一轮发展的重要增长极。这一地区的规划确定了世博建筑中有一部分需按永久性建筑来设计，俗称一轴四馆。即中国馆、主题馆、世博中心、世博文化中心和世博轴。二、主要场馆概况中国馆：由国家馆和地区馆组成。除港澳台外的31个省市自治区都在地区馆内设置展厅。世博后作为永久性展馆。建筑面积16万平米。二、主要场馆概况主题馆：在世博期间是“地球、城市、人”主题的核心展示区，世博后是永久性展馆。建筑面积13万平米。二、主要场馆概况世博中心：世博期间是会议、接待、庆典、新闻和管理等重要活动的场所，世博后是大型会议中心。建筑面积14万平方米。二、主要场馆概况世博文化中心：世博期间用于开幕式等主要庆典及文艺演出，并有大面积的餐饮购物休闲区域供参观者使用。世博后将是综合性的时尚文化的地标，永不落幕的城市舞台。建筑面积13万平方米。二、主要场馆概况世博轴：位于浦东园区中轴线上，是整个园区的交通枢纽，世博期间主要用于人流集散、安检、商业、餐饮服务，世博后改建为商业设施。总建筑面积25万平方米，其上盖由大面积索膜结构和六个单层网格体系的阳光谷组成，是园区内最大的单体建筑。三、技术特点及新技术应用概述以上五个永久性建筑，均为规模宏大，功能复杂大型公共建筑。且多为大跨度（大悬挑），要求大荷载，或体形新颖奇特，其结构设计充满挑战。这些建筑中除个别是由国外建筑师创意外，绝大部分由我国工程技术人员完成。（一）结构形式丰富多样，具有创新性中国馆建筑创意为“东方之冠”，结构设计采用四个规整的钢筋混凝土筒体为主要承重和抗侧力结构，从约30米高度开始向四个方向挑出带有拉梁的巨型斜撑，作为楼层的支承结构。受力明确，传力可靠。以简洁的手法恰当地实现了建筑创意，自然天成，可谓建筑结构相得益彰。三、技术特点及新技术应用概述（一）结构形式丰富多样，具有创新性主题馆首次采用总长270米的多跨桁架来覆盖整个屋面，其中V形支撑张弦桁架跨越126米的大空间，满足了主题馆对展览空间的多种要求，大跨部分用钢量指标100kg/m*m亦较合理。三、技术特点及新技术应用概述（一）结构形式丰富多样，具有创新性世博轴地上地下各2层，其上盖由6个阳光谷和其间的连续张拉膜结构组成。阳光谷为单层三角形网格结构，体量巨大，高达40米，最大的一个阳光谷上口长轴达90米。而网格构件采用矩形钢管，基本断面仅65*180，其找形、网格生成、稳定分析、节点构造均有创新。带有内外桅杆的总长达840米的超大型连续张拉膜结构也是也是为本项目度身设计而为世界所仅见。三、技术特点及新技术应用概述（一）结构形式丰富多样，具有创新性飞碟造型的世博文化中心，核心部分是18000座大型演出空间。建筑立面要求有凌空欲飞的感觉，为此必须有大悬挑，最大达40米。场内空间要求的限制使得悬挑结构的锚固成为难题，设计中采用内框架与拉环协同的方式来解决，也很有创意。三、技术特点及新技术应用概述（二）结构设计为园区建设实现低碳减排创造条件努力实现低碳减排，是世博园建设中的一个重要指导思想。五大主体结构地上部分基本上均采用了钢结构，相对于混凝土结构，钢结构可回收利用，在减少二氧化碳排方面有突出的优势。主题馆的屋面结构设计积极配合了太阳能光伏电池的安装，形成了面积达20000平米、2.8MW的发电容量。主题馆的外墙框架设计配合了大面积绿墙安装的需要，形成了6000平方米的世界最大绿墙，对改善园区生态起了巨大的作用。三、技术特点及新技术应用概述（二）结构设计为园区建设实现低碳减排创造条件世博轴的设计创意是造就一个巨大的生态调节器，而结构是实现这一功能之载体。阳光和新风通过阳光谷引入地下室——减少了地下空间空调和照明的电力负荷；雨水通过阳光谷和膜结构全部纳入供水系统供——节约了宝贵的水资源；空调采用地源热泵，空调水循环管路埋设在灌注桩中，通过桩与地下水进行热交换——节约了能源。三、技术特点及新技术应用概述（三）多方案比较，精心设计优秀的结构设计必定来自多方案比较。世博五大主体项目在设计过程中都反复进行了方案比较，从中选择最适合的方案。主题馆：通过三个方案的对比，得出：双向张弦桁架方案因受矢高限制，长向桁架刚度过弱，不能为短向桁架分载，反成负担，用钢量不经济，施工也较复杂。刚架方案用钢量低，但对基础有较大推力，会增加基础设计的难度和材料消耗，而且杆件过多建筑空间效果不理想，综合效果不佳，因而最终确定单向张弦桁架的方案。a.单向张弦桁架b.双向张弦桁架c.刚架体系三、技术特点及新技术应用概述（三）多方案比较，精心设计世博轴：世博轴的结构方案更是经历了反复比选论证的过程。下拉索（无谷索）方案建筑效果最好，简洁通透，但安全度较低，膜的局部损坏会导致整个结构破坏。重锤方案膜应力稳定，但锤的位移太大，技术处理有难度。内桅杆方案以其变形小，结构安全性高，施工可控性好而被确定为实施方案。a.重锤方案b.下拉索方案c.内桅杆方案三、技术特点及新技术应用概述（三）多方案比较，精心设计世博文化中心：世博文化中心的屋盖结构也做了三种方案比较，空间桁架方案因杆件布置符合建筑师要求，竖向刚度大，对大悬挂荷载的适应性强而入选。a.空间网架结构b.弦支骨架结构c.空间桁架结构三、技术特点及新技术应用概述（四）新技术研究与应用（1）消能减震技术世博中心：世博中心对防屈曲支撑（BRB）的应用进行了较系统研究，包括结构抗震性能目标的确定，BRB的合理布置，BRB的参数确定及节点设计等，并参照国外资料及本工程特点编制了用于本工程的BRB的验收标准。-2500-1500-50050015002500-60-40-200204060轴向位移/mm轴力/kN1/3001/2001/100-1/300-1/200-1/100△L/L1/801/150-1/150-1/80加载步三、技术特点及新技术应用概述（四）新技术研究与应用（2）主题馆对粘弹性阻尼器的应用进行了研究。研究表明在超长建筑的柱间支撑中合理布置粘弹性阻尼器可以有效地降低地震作用和温度应力。地震剪力可降低20-23%，柱的温度内力可降低25%。（3）在世博文化中心工程中，采用TMD进行竖向振动控制。对大悬臂部分的竖向刚度及其在人群行动荷载下的竖向加速度反应进行了分析研究和实测，并据此在需要的部位设置了TMD,以保证正常使用条件下的舒适度。三、技术特点及新技术应用概述（四）新技术研究与应用（4）结构健康监测。索膜结构中，索与膜的应力状态是结构是否健康的最重要指标。在世博轴工程中采用了磁通法这一新技术测量索的内力。膜应力的测试则采用真空法（右图）。同样在实验室条件下得到膜内力，真空度和膜出平面变形的关系，即可方便地在现场测得膜内力。三、技术特点及新技术应用概述（五）新设计方法研究（1）自由曲面找形（阳光谷找形）以建立弯曲应力为零、薄膜应力最小的曲面为目标，提出了一种基于计算机辅助几何设计（CAGD）的一体化有限元建模技术与造型优化方法。并建立了一套CAD软件与有限元软件协同建模与造型优化设计系统，该系统可通过调整设计参数（约束条件、空间条件）得到多种合理曲面形态。初始状态第3迭代步第8迭代步最终状态三、技术特点及新技术应用概述（五）新设计方法研究（2）智能网格布置（阳光谷网格布置）为满足自由曲面单层网格杆件长度尽量一致、分布尽量均匀、过渡尽量流畅的要求，以自由曲面优化找形为前提，基于网格形状和单元长度的网格质量衡量标准，编制了智能化网格设计程序。平面网格空间网格优化网格三、技术特点及新技术应用概述（五）新设计方法研究（3）CAD与CAM相结合的先进制造技术世博轴阳光谷为单层网格曲面，杆件采用矩形断面，交汇于同一节点的各杆件主轴方向与节点法向的关系的确定是一个难题。最终以“节点相邻面法线合矢量”为原则提出了矩形截面钢管在自由空间曲面上的合理定位方法，并将该方法通过计算机程序实现三维实体模型的自动生成与测评功能。进而将CAD与CAM作为前后工序连接起来，借助机器人加工技术，实现了阳光谷这一高难度结构制造的国产化。b.组装消失模a.机器人切割c.节点铸件成品d.节点与杆件现场焊接三、技术特点及新技术应用概述（五）新设计方法研究（4）阳光谷玻璃的裁剪阳光谷幕墙面与结构面并非同一面，即每一条玻璃的交线和其对应的梁上表面中心线属于异面直线，采用的玻璃切割方法为：切割线为梁上表面中心线向每个三角形内部平移之后再投影到玻璃表面的线条，由这种方式形成的切割线既保证了平行与梁上表面中心线，又保证了在玻璃表面围合成封闭的三角形。玻璃交线切割线平行于梁表面中心线梁上表面中线三、技术特点及新技术应用概述（五）新设计方法研究（5）膜面积水模拟研究了两项数值模拟技术：CFD技术对降雨的模拟和FEM技术对膜面积水的模拟。其中降水模拟利用了CFD计算中的多项流模型。FEM计算则分别探讨了两类积水状况，提出了膜面分步迭代更新的积水荷载施加办法，模拟了真实的积水荷载。（6）Ansys软件在膜结构分析中的应用致谢：本文蒙同济大学建筑设计总院丁洁民院长、上海建工集团吴欣之总工程师以及我院参加世博主体工程各设计组的同仁们提供资料，特此致谢！谢谢！