罗源湾5D飞行影院结构设计

赖传芳

(福建省建盟工程设计集团有限公司 福建福州 350019)

罗源湾5D飞行影院结构设计

赖传芳

(福建省建盟工程设计集团有限公司 福建福州 350019)

结合罗源湾5D飞行影院工程实例，介绍了当前正在各地兴起的一类特种影院的主体结构设计。针对该建筑主体结构平面内大开洞、跃层柱、柱间支撑、钢筋混凝土结构与钢结构穹顶相结合、少墙框架结构等设计过程中遇到的难点问题进行分析，提出解决方案。

平面内大开洞；跃层柱；柱间支撑；钢筋混凝土结构与钢结构穹顶相结合；少墙框架结构

0 引言

5D影院，特别是球幕影院，与传统影院在建筑格局及造型上有所不同，有其独特的一些特点。

本文通过罗源湾5D飞行影院工程实例的设计，归纳总结这一类型建筑结构设计过程中可能碰到的难点，供工程设计参考。

1 工程概况

图1 5D飞行影院实景图一

该工程项目位于福州市罗源湾滨海新城，如图1～图2所示。影院单体层数为4层，屋面以上为一个直径达27.4m的钢结构半球形穹顶，建筑高度为23.73m(室外地面至外装饰钢结构桁架高度的一半)。总建筑面积为3 300m2。标准层的结构板面积约为1 180m2。其中一层(含夹层)主要为大厅，二至四层为观众观影区。标准层平面主要由观众区与球幕安放区构成，球幕为一个直径为23m的半球体，半球竖向径切面自一层竖立至屋面，因此，球幕安放区平面位置自二层楼面至屋面均需做大开洞处理。

图2 5D飞行影院实景图二

2 结构体系

影院单体结构为地上4层框架结构，屋面为钢结构桁架穹顶。由于影院球幕放映设备安装需要，建筑平面内在东侧一跨范围内楼板须大开洞(开洞面积已超过该层平面面积的30%)，东侧一跨框架仅有南北两侧几跑Z字形斜坡道板与框架柱连接，造成平面刚度削弱和分布不均匀。又由于洞口自二层楼面直通屋面，如图3所示，导致平面东侧7轴线上的一排框架柱成为在X轴方向上无楼板及梁约束的悬臂柱，如图4所示，对结构安全不利。影院一层层高7.2m，二层层高3.6m，一层空间仅在半层高处设置了局部小开间夹层，实际上造成了竖向刚度分布不均匀。

图3 飞行影院剖面图

图4 飞行影院平面图一

图5 飞行影院平面图二

为尽量减小大开洞及悬臂柱对结构刚度、规则性及安全的影响，在不影响影院使用功能前提下，通过调整柱网，紧贴放映球幕外侧，在平面东北、东南角逐层加设直角边长为9.5m×8.5m的三角形结构板与斜边梁，如图5所示。这样既有效增强了框架间水平连接，增加水平力通过楼板传递与分配的路径，避免了此处形成悬臂柱。同时，增设结构板也减少了平面的开洞面积，使洞口面积占比降低至30%以内，避免造成楼板局部不连续结构平面不规则。结构板设置也为今后球幕设备安装及检修提供了平台。

图6 飞行影院结构布置图

3 设计要点分析

3.1 少量剪力墙框架结构

针对平面大开洞和层高突变引起的结构刚度削弱及不规则，采取了如下措施：洞口周边及坡道板设置为弹性板，并加大板厚，采用双层双向拉通的钢筋网，如图6所示。

通过初步计算，结构仍存在位移比偏大及侧向刚度突变造成的薄弱层问题。同时，因平面大开洞造成的东西两侧刚度分布不均匀的问题仍未有效解决。为满足规范对位移、刚度的要求，需大幅增加梁柱截面才能实现对结构指标的控制。因此，围绕平面刚度被削弱的洞口周边，在合适的位置布置了4片剪力墙，经计算对比，剪力墙的设置减小了结构的位移，同时也增强了结构的抗侧刚度，降低了结构的扭转效应。

3.2 柱间支撑

该工程一层层高达7.2m(仅局部半层高处设夹层)，为了增加该层的侧向刚度，减小一二层之间的竖向刚度突变，在一层柱间适当位置设置了X型和V型钢筋混凝土支撑，如图7所示。经计算，增加支撑后的结构模型仅有位移比超1.2一项不规则类型，指标对比如表1所示。

因支撑首尾连接了相邻两根框架柱的柱底与柱顶，客观上形成了多个以支撑为斜边的大型直角三角形。当两柱之间跨度较大时，支撑的构件长度也随之加大。当结构发生位移变形时，一对支撑中必然有一个受拉一个受压，此时受压的支撑因杆件长细比较大，有必要补充其在该三角形结构平面外的稳定性验算。该工程设置的支撑，当支撑构件受轴向压力时，通过《混凝土结构设计规范》6.2.15条以及细长压杆的临界压力计算的欧拉公式对其进行正截面受压承载力验算[1]，均有较大的安全储备。

另外，设置支撑的区域构件较多，相互交叉，荷载传递路径较为复杂。为达到框架结构体系简单直接的传力特点，支撑构件不宜直接承担竖向荷载，才能更好地发挥其抵抗水平力作用的效能。因此，在计算时人为指定支撑构件的施工次序在所有构件施工次序的最后一步，且在施工图中注明：支撑构件应做好钢筋的预埋，待主体结构施工完成后再浇注支撑混凝土。支撑连接的框架柱按无支撑的计算模型的配筋结果包络设计。

表1 结构指标对比

图7 一层结构模型示意图

3.3 钢结构穹顶的整体计算

由于屋面上部连接了一个半径为13.7m的空间网架穹顶结构，风荷载对于该结构的作用较大，不可忽略不计。因此，在进行整体结构分析时，有必要考虑该空间结构承受的风荷载[2]。

该工程采用盈建科结构软件进行建模和计算。软件提供空间结构(主要为空间桁架、网架壳体等)参与建模计算的模块，整体计算模型组装如图8所示。由于空间层体型复杂多变，软件目前尚不能自动算出该层的风荷载，需人工补充输入。该工程采用蒙皮导荷的方式补充空间层风荷载，由软件自动在空间结构外生成蒙皮，人工输入作用在蒙皮外的风压或者体形系数，软件自动导算风荷载。蒙皮导荷在各个工况下分批选择不同的荷载方向进行输入[3]。比如对+X向风导荷时，选择结构左侧的构件并选择+X荷载方向生成左侧蒙皮，并在左侧蒙皮上输入正值的风荷载体形系数。再选择结构右侧的构件并选择-X荷载方向生成右侧的蒙皮，并在右侧蒙皮上输入负值的风荷载体形系数。当未区分左右(上下)侧分别输入蒙皮及相应正负值风荷载体形系数时，结构生成的风荷载会相互抵消，计算得到的风荷载很小，与实际不符(如表2中第7层)。

因为该工程结构由钢筋混凝土主体结构与钢结构穹顶组成，两种结构的主体材料不同，因此，采用按材料取阻尼比的方式设置计算参数，使程序更准确计算地震作用[4]，计算结果如表2所示。

图8 飞行影院模型组装示意图

表2 风荷载信息计算结果

3.4 跃层柱的计算

在建筑平面南北两侧的坡道中段位置的框架柱，为满足坡道的净高要求，该框架柱在Y轴方向无法与内跨柱通过框架梁连接，由此形成自一层楼面至屋面南北向无约束的跃层柱。而软件建模中，因支撑坡道板需要，在坡道板标高设置悬挑梁，如图9所示，由此形成模型中挑梁对该柱的逐层分割，软件无法识别该柱实际不受挑梁的约束。因此，通过人工指定该柱的长度系数补充计算。按各层柱计算长度系数=18m(一层柱底至屋面柱顶的总高度)×1.25/各层输入层高，计算各层长度系数并补充定义该特殊柱。该柱配筋按各层计算值最大者按柱全高通长配筋。

图9 局部剖面图

4 结论

(1)由于影院特种设备的安装需要，不可避免地要在建筑平面内形成大开洞、层高突变等，由此造成的结构平面及竖向的不规则，可通过加强洞口周边楼板厚度及配筋来加强，也可在适当位置设置少量剪力墙或支撑，主体结构仍然是框架结构，但此时结构的整体刚度都将有所提高[6]。

(2)随着结构计算软件的升级与优化，建筑中存在钢桁架、钢网架结构等空间结构时，可以将空间结构在软件中进行建模、组装、导荷及计算，无需通过各种等价代换的假定以考虑空间结构对主体结构计算的影响，结果也更为接近实际结构。

(3)结构计算软件一般都能自动识别跃层柱，但当柱子一对边仅一侧或两侧均为悬挑梁时，需人工定义该特殊柱柱长系数，软件才能按实际柱高计算。

[1] GB 50010-2010 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4] YJK建筑结构模型及荷载输入用户手册[Z].北京：北京盈科软件股份有限公司，2015：176-183.

[5] YJK常见对比问题分析(上部结构)[Z].北京：北京盈科软件股份有限公司，2014：102-120.

[6] 朱炳寅.建筑结构设计问答与分析[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.

The structure design of the 5D flight theater in Luoyuan Bay

LAIChuanfang

(JianMeng Design Group, Fuzhou 350019)

Regarding the 5D flight theater project in Luoyuan Bay, this paper introduced the main structural design of a kind of special theater which is emerging in many parts of the world.In view of the analysis of important and difficult problems such as the main structure floor with large openings, thermocline columns, column bracing, and reinforced concrete roofing combined with steel dome and less wall frame structure encountered in the design process of the main structure, this paper proposed a solution.

The main structure floor with large openings; Thermocline column; Column bracing; Combination of reinforced concrete roofing and steel dome; Less wall frame structure

赖传芳(1988.8- ),男，助理工程师。

E-mail:303229556@qq.com

2017-03-20

TU318

A

1004-6135(2017)07-0090-04