【第一会所综合社区】四川华西建筑设计院有限公司《观筑》:混凝土壳体结构设计

华西DESIGN

——华西设计《观筑》 ——

随着混凝土技术及施工技术的发展，清水混凝土建筑越来越普遍，越来越多的人接受并喜欢这种建筑风格。本文将以美丽的金刀营地项目为例，从一体化设计、结构优化、结构计算分析、现场施工等方面探讨混凝土壳体结构设计。

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Project Background

项目背景

美丽的金都营北京路9号项目A5地块位于昆明市盘龙区，规划建设用地面积52781.32(约79.17亩)。项目东林北京路延长线、南联津兴立交桥、西溪盘龙江、北接金川区、用地区位建设优越，周边已形成较好的交通网络，交通条件非常便利。

该项目销售部采用新颖的结构形式，创造营销中心、综合社区会馆、社区活动场所融为一体的复合功能空间，艺术和生活的沉浸式融合，使质感生活不在表面流动，作为拥有无形生活边界的场所，以建筑、自然、生活、技术、艺术的共生为设计原则，实现呼吸的审美体验。

摄影版权：建筑翻译家姚莉

图片来源：gad jeddy设计

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集成设计of building structures

建筑结构一体化设计

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屋顶清水混凝土内外没有面层，结构作为建筑表现形式的一部分充分展示，因此在设计中应充分考虑建筑结构的一体化设计。建筑师使用Rhino执行屋顶的表面造型，因此可以快速响应建筑形状，在情景阶段结构中，可以使用Rhino的插件Grasshopper执行结构参数化分析计算。

参数化计算模型

Grasshopper是Rhinoceros开发的插件，以可视化节点编程为特征。“可视化”的优点是设计师可以利用软件本身提供的各种控件。例如，产品样本生成器等，可以最大限度地提高计算机软件开发专业出身的结构设计师的效率。“节点”是将各种程序命令封装到具有固定功能的节点中，通过节点之间的关联操作形成逻辑脚本过程。这种模块化编程强调程序部分之间的数据关联，使结构设计者清楚地了解复杂结构模型各部分之间的相互关系。

壳体mises应力分布

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壳主应力线分布

计算过程中对结构形态、薄壳厚度、支承条件等进行参数化分析，给建筑师以形态建议，建筑师再以此为基准进行形态优化，从而实现建筑师与结构工程师的交互设计。需要指出的是，此过程由于建筑师和结构师在同一软件平台进行交互，没有数据导入和导出的过程，因此在逻辑编写完成后，结构可以随着建筑变动自动改变模型计算并得出结果，大大提高了双方的沟通效率。

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Structural Optimization

结构优化

根据建筑方案初步计算结果，屋面薄壳中部大跨度部分及端部悬挑部分应力较大，如不对建筑方案进行优化，混凝土壳厚度大且配筋面积大。因此结合建筑功能布置和室内效果，对相应部分支承点进行了优化。优化后壳体应力水平分明显减小，大应力主要集中于竖向构件顶部，此部分可通过局部加厚和加密钢筋解决。

支撑点位优化前 支撑点位优化后

优化前顶面应力分布 优化后顶面应力分布

同时根据计算结果，对异形柱形态和壳体厚度给出合理化建议，建筑根据结构建议对形态进行微调，以达到建筑效果和结构效率的均衡。

Structural Calculation Assumptions

结构计算假定

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结构屋面厚度中部区域厚檐口区域薄，其中最厚处约1m最薄处0.2m。考虑到施工便易性，檐口处小于0.3m的部分采用实心混凝土板；为契合建筑形态，并减轻混凝土结构的重量，对于大于0.3m区域采用双层中空肋板形式，肋板形似“华夫饼”，上下层板厚均为150mm，中部为十字交叉形肋板，肋板间距1m，既能满足大跨度、大悬挑的受力需求，又能利用楼板的空腔敷设设备管线，填充建筑保温材料。

对于竖向构件顶部及支座等受力较为集中的部位，采用实心混凝土加强。计算中采用连续单层壳单元，对于双层中空肋板分区域进行质量和刚度的折减，使其可以利用单层壳准确模拟双层中空壳的刚度和质量。

结构计算模型

结构设计使用年限为50年，建筑安全等级为二级，抗震设防烈度8度，设计地震加速度0.20g，抗震设防类别为丙类。建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期值为0.45s。混凝土壳体计算中未带下部结构，考虑下部结构对于屋面混凝土壳的地震放大作用，计算中将上部屋面地震力放大2倍。基本风压为0.3kN/m2( 重现期为50年)，地面粗糙度类别为B类。考虑混凝土壳合拢温度为10℃~20℃，温度作用为升温18℃降温21℃。

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Structural Computational Analysisite

结构计算分析

屋面混凝土壳采用SAP2000软件进行计算，抗震分析时考虑了扭转耦联效应及双向地震。模型建立时首先在Rhino中对建筑屋面表皮和竖向结构表皮进行网格划分；而后将划分好的网格导入SAP2000中定义其为壳单元，并对竖向结构与屋面结构相交处的网格进行耦合；最后对壳单元赋予截面属性，并施加荷载和约束，最终形成计算模型。

经过结构动力特性分析，结构前两阶均为大悬挑与大跨度部分的竖向振动，周期分别为0.18s与0.14s，结构刚度较大。

结构动力特性第一阶

结构动力特性第二阶

地震力作用下结构X向侧向位移1.1mm，位移角约1/4800；Y向侧向位移0.63mm，位移角约1/7600。屋面混凝土壳部分落地形成拱支撑，并有较多剪力墙支撑，因此结构侧向刚度大抗震性能良好。

屋面在恒活组合工况下的最大位移为14.3mm，位于中部屋面悬挑部位，挠跨比1/1045，结构竖向刚度较强。

屋面在恒活组合工况下的最大位移为14.3mm，位于中部屋面悬挑部位，挠跨比1/1045，结构竖向刚度较强。

对于薄壳结构，整体稳定性是需重点考量的问题，因此采用SAP2000软件对其进行特征值分析。结构第一阶屈曲模态为长悬挑部分及相关异形柱屈曲，第一阶模态特征值（屈曲荷载系数）为112，满足稳定性要求。

后处理采用SAP2000混凝土壳体钢筋计算模块，得出混凝土壳顶面与底面在X和Y方向的钢筋面积，并根据此进行配筋。从配筋云图中可见，顶部钢筋除竖向构件顶部较大外，其余部分均为构造配筋；底部钢筋除局部大跨度跨中区域较大外，其余均为构造配筋。

Construction on Site

现场施工

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结构表达采用三维模型+二维图纸的方式，三维模型用于施工方的空间定位，二维图纸用于表达加肋空心板区域、板面和墙面配筋、节点做法等内容。同时沿X向和Y向每隔1m剖切一道剖面，共形成94张剖面详图，方便设计人员判断形态薄弱点的同时也方便施工单位进行形态校核。

施工模板铺设

结构表达采用三维模型+二维图纸的方式，三维模型用于施工方的空间定位，二维图纸用于表达加肋空心板区域、板面和墙面配筋、节点做法等内容。同时沿X向和Y向每隔1m剖切一道剖面，共形成94张剖面详图，方便设计人员判断形态薄弱点的同时也方便施工单位进行形态校核。

建筑主体通过数字三维建模和数控机床制作木模板，用木模板搭建异形的模块，组装成型后进行表面处理，预埋钢筋和管线，浇筑清水混凝土，最后进行拆模，整体效果结合数字模型，木模版及混凝土三种方式建造而成。

混凝土浇筑前的航拍图

施工深化中以设计模型为基准，在Rhino软件平台中运用Grasshopper、lunchbox等相关插件直接分析点位坐标后导出CAD图及Excel文档，由二维平面坐标轴网定位点对定位辅助模板即背楞放样及定位。

定型背楞深化设计完成后通过相关软件编辑完成深化排版及编号，并出具模板加工任务单。而后把图纸线条转换CNC全数控自动加工机床加工代码，利用CNC全数控自动加工机床进行加工，以满足模板使用精度。

钢筋绑扎方面，由于墙体竖向钢筋空间轨迹无法定位，需待模板安装完后随模板轨迹进行主筋弯曲，故需模板安装完后进行钢筋绑扎。箍筋的尺寸随暗柱截面的变化而变化，这样钢筋绑扎的操作空间极小，且墙体截面不断变化，箍筋下料只能现场实量，墙体钢筋绑扎难度大。楼板下层钢筋需根据模板形态变化而变化，需人工弯曲。

现场钢筋绑扎

清水配合比方面，施工方根据其他清水项目经验，结合当地混凝土原材，前期在商品砼搅拌站多次试配清水混凝土配合比，检验混凝土性能，确定粗骨料的大致用量。

清水混凝土配合比必须经过多次试配，各参建方确定，确保混凝土的和易性（流动性）良好、色泽均匀，无离析泌水现象，初凝时间控制在初凝时间控制在8-10小时。同时其外观质感，颜色、工作性能、力学性能、耐久性能等必须达到设计及业主的要求。

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Epilogue

结语

清水混凝土浇筑构造的独特、强力、清洁感、素材感等出色的美学表现备受民众青睐。此外，由于清水混凝土缺乏拆除模板后的装修工程，因此在组模的阶段就大致决定其效果好坏，清水混泥土的模板则用小块板组合而成，也正因为这种小尺度模板不规则拼接，会在建筑表面留下痕迹，看上去别有滋味，也被建筑师们所喜爱。但因浇筑后不会再有其他涂装，对于风雨的抵抗力要严格按照施工规范中关于钢筋混凝土保护层的规定执行，一般表面会喷上一层防水保护膜，施工阶段需要非常细心的管理。