復雜空間結構建筑造型越來越復雜，結構形式多樣，空間結構不僅追求自重輕，還需結構與建筑的協(xié)調統(tǒng)一，只有合適的結構才能很好地適應和表現(xiàn)各類建筑效果。中國是空間結構應用大國，建成的空間結構項目眾多，跨度之大也居世界前列，許多復雜空間結構突破了我國現(xiàn)行相關技術標準與規(guī)范的規(guī)定，如何保證復雜空間結構建筑的安全性、經濟性、施工可行性和安裝精度等，逐漸引起科研工作者和工程技術人員的廣泛關注。
本書以上海天文館工程案例為背景，對復雜空間結構設計關鍵技術進行梳理和提煉，對復雜空間結構的發(fā)展進行總結，針對復雜空間結構建模及計算方法、結構控制指標、抗震性能設計、抗風設計、結構人致振動及舒適度控制、復雜節(jié)點設計、混凝土薄殼結構設計進行詳細剖析提煉，重點突出設計難點和解決方法。
上海天文館作為上�？萍拣^分館，2021年7月開館，是上海市政府投資興建的大型科普場館，建筑面積3.8萬平方米，上海天文館是全球最大的天文館。上海天文館由美國Ennead國際建筑事務所 (Ennead Architects)和上海建筑設計院聯(lián)合體中標，總投資約5.3億元。主建筑以優(yōu)美的螺旋形態(tài)構成天體運行軌道，獨具特色的圓洞天窗、倒轉穹頂和球幕影院這三個圓形元素構成三體結構，共同詮釋天體運行的基本規(guī)律。室外綠化勾勒出星系的旋臂形態(tài)，與星空之境公園自然銜接，充分體現(xiàn)了建筑與生態(tài)的有機融合。
當前，我國已將建設重點轉向城鎮(zhèn)化發(fā)展和城市結構調整之需建設，對建筑結構設計在功能、造型、技術經濟性等方面提出了更高的要求，更提出了注重保護環(huán)境要求，迫切需要發(fā)展新型高性能建筑結構及其設計技術，以提高結構性能，降低結構材料�？臻g結構是以高效、高性能和美觀、靈活為特征的現(xiàn)代結構�？臻g結構建造及其所采用的技術往往反映了一個國家建筑技術的水平，一些規(guī)模宏大、形式新穎、技術先進的大型空間結構也成為一個國家經濟實力與建筑技術水平的重要標志。
空間結構也稱現(xiàn)代建筑結構，其特征為通過結構內力自平衡手段來減少結構用材、減輕結構自重，改變結構或構件的受力狀態(tài)，從而大大減少結構用材，這種特殊的結構方法在大跨度、大懸挑的建筑中被廣泛使用�？臻g結構不僅追求結構自重輕，同時結構形式多樣、美觀的特點，能很好地適應和表現(xiàn)各類建筑。大型復雜空間結構在我國的應用越來越多，同時我國學者對于各類空間結構的試驗和理論研究越來越深入和廣泛并已經取得了較大進展，但目前仍存在下面5個不足之處值得進一步研究。
(1)試驗研究方面：一是試驗數(shù)量匱乏，無論是整體模型試驗還是節(jié)點試驗均沒有形成系統(tǒng)的成果；二是部分試驗模型未能與時俱進，早年試驗研究的節(jié)點通常較為常規(guī)，不能反映現(xiàn)行復雜節(jié)點的力學特性，指導意義有限；三是節(jié)點試驗僅關注承載力方面，針對結構穩(wěn)定有重大影響的節(jié)點剛度研究尚不足。
(2)理論研究方面：一是由于缺乏足夠的試驗支持，相當數(shù)量的數(shù)值模擬結果難以得到驗證；二是節(jié)點有限元模型的計算分析中所做的部分假定的合理性有待研究；三是在結構整體模型的分析中，對節(jié)點剛度及構件初始缺陷的考慮不足。
(3)設計應用方面：一是設計中的抗震驗算均未考慮節(jié)點連接形式的實際耗能能力而僅將構件簡單假定為剛接；二是結構設計對施工過程的模擬計算與實際施工過程存在一定的不匹配。
(4)混凝土曲面殼體的設計要同時考慮施工方案并核算施工荷載。設計與施工有著互相依賴的關系，因此，只有兩者密切配合，經過多方案比較，才能求得最佳的設計與施工方案。
(5)數(shù)值模擬與風洞試驗結果的整體規(guī)律性是趨于一致的，且不同風向角下的極值相差不大，說明數(shù)值風洞模擬結果可以應用于復雜空間結構的抗風荷載設計工作當中。尤其是在項目方案確定階段，可以借助數(shù)值風洞模擬工作來進一步優(yōu)化空間結構的外形布置。
本書由賈水鐘組織和編寫，李瑞雄參與全書1~5章的編寫工作，孫悅參與本書部分章節(jié)的校對、修改工作。
本書的完成離不開相關領域專家學者的支持和鼓勵，部分內容應用了國內外專家學者和設計同行的設計思路或研究成果，在此致以衷心的感謝。由于空間結構理論和技術發(fā)展迅速，書中難免存在不當和疏漏之處，敬請各位同仁批評指正。
賈水鐘2022年12月10日，上海
賈水鐘，華建集團上海建筑設計研究院結構專業(yè)總工程師，教授級高工，國家一級注冊結構工程師，國家注冊投資咨詢工程師，英國結構工程師學會正會員，上海市空間結構工程技術研究中心副主任。兼任上海土木工程理事、工程結構專業(yè)委員會主任、中國工程建設標準化協(xié)會空間結構專業(yè)委員會委員、上海市超限高層建筑工程抗震設防審查專家委員會委員。主持或負責完成近30余項國家與上海市級重點工程設計和科研工作，獲得30多項國家與上海市級設計與科技進步獎項。其中獲得建設部獎兩項，中國勘察設計協(xié)會優(yōu)秀設計獎七項，中國建筑學會優(yōu)秀結構設計四項，中國鋼結構協(xié)會設計金獎四項，上海市科技進步獎兩項，上海市土木工程科技進步獎三項，上海市優(yōu)秀設計十項。
第 1 章 緒論 ………………………………………………………………… 1
1.1 復雜空間結構發(fā)展概況 …………………………………………………… 1
1.2 上海天文館項目 …………………………………………………………… 3
1.2.1 項目背景 …………………………………………………………… 3
1.2.2 設計思路及建筑要求 ……………………………………………… 4
1.3 本書主要研究內容 ………………………………………………………… 10
1.3.1 結構整體設計研究 ………………………………………………… 10
1.3.2 結構舒適度的控制技術研究 ……………………………………… 10
1.3.3 混凝土殼體結構的設計與施工技術研究 ………………………… 10
1.3.4 節(jié)點構造設計研究 ………………………………………………… 10
1.3.5 結構風荷載研究 …………………………………………………… 11
第 2 章 復雜空間結構技術研究與工程實踐 ……………………………… 12
2.1 結構整體設計研究 ………………………………………………………… 12
2.1.1 上部結構體系 ……………………………………………………… 12
2.1.2 主要部位結構布置 ………………………………………………… 14
2.2 結構計算分析 ……………………………………………………………… 20
2.2.1 設計計算方法 ……………………………………………………… 20
2.2.2 結構控制指標 ……………………………………………………… 22
2.2.3 結構靜力計算分析結果 …………………………………………… 22
2.2.4 結構抗震性能分析 ………………………………………………… 43
2.3 結構舒適度控制技術研究 ………………………………………………… 50
2.3.1 結構振動控制研究現(xiàn)狀 …………………………………………… 50
2.3.2 TMD 振動控制的研究現(xiàn)狀 ……………………………………… 52
2.3.3 人行荷載的研究現(xiàn)狀 ……………………………………………… 54
2.3.4 人致振動舒適度評價方法 ………………………………………… 56
2.4 天文館結構關鍵部位舒適度計算 ………………………………………… 63
2.4.1 結構在步行激勵下的響應 ………………………………………… 64
2.4.2 TMD 參數(shù)設計 …………………………………………………… 67
2.4.3 設置 TMD 后的減震效果 ………………………………………… 68
2.5 本章小結 …………………………………………………………………… 69
第 3 章 混凝土殼體結構設計與施工技術研究 …………………………… 71
3.1 混凝土殼體結構的發(fā)展和應用 …………………………………………… 71
3.1.1 混凝土殼體結構的發(fā)展 …………………………………………… 71
3.1.2 鋼筋混凝土殼體結構發(fā)展的主要障礙 …………………………… 73
3.2 曲面混凝土結構的施工 …………………………………………………… 74
3.2.1 曲面混凝土施工中的難題 ………………………………………… 74
3.2.2 曲面混凝土施工的施工方法 ……………………………………… 74
3.2.3 曲面混凝土施工的分項工程控制 ………………………………… 75
3.3 天文館混凝土殼體結構設計 ……………………………………………… 77
3.3.1 球幕影院區(qū)域結構布置 …………………………………………… 77
3.3.2 球幕影院區(qū)域結構靜力分析 ……………………………………… 78
3.3.3 球體與混凝土殼體節(jié)點連接構造 ………………………………… 82
3.3.4 球幕結構整體穩(wěn)定性能分析 ……………………………………… 82
3.3.5 多遇地震作用下球幕結構抗震性能分析 ………………………… 82
3.3.6 罕遇地震作用下結構抗震性能分析 ……………………………… 85
3.4 天文館混凝土殼體結構施工技術研究 …………………………………… 91
3.4.1 混凝土曲殼結構設計概況 ………………………………………… 91
3.4.2 工程施工特點和難點 ……………………………………………… 93
3.4.3 殼體結構施工順序 ………………………………………………… 93
3.4.4 殼體施工模板與支撐體系設計 …………………………………… 94
3.4.5 殼體結構施工技術措施 …………………………………………… 96
3.5 本章小結 …………………………………………………………………… 98
第 4 章 節(jié)點構造設計研究 ……………………………………………… 100
4.1 節(jié)點形式 ………………………………………………………………… 100
4.1.1 根據(jù)施工方法劃分 ……………………………………………… 100
4.1.2 復雜空間結構常用節(jié)點形式 …………………………………… 101
4.2 節(jié)點研究方法 …………………………………………………………… 102
4.2.1 試驗研究 ………………………………………………………… 102
4.2.2 數(shù)值模擬 ………………………………………………………… 102
4.2.3 組件法 …………………………………………………………… 103
4.3 節(jié)點設計研究 …………………………………………………………… 103
4.3.1 球幕影院球體與混凝土殼體連接節(jié)點 ………………………… 103
4.3.2 大懸挑區(qū)域弧形桁架相貫節(jié)點 ………………………………… 106
4.3.3 弧形桁架與混凝土筒體之間連接節(jié)點 ………………………… 112
4.3.4 鋁合金網殼結構桿件連接節(jié)點 ………………………………… 116
4.4 本章小結 ………………………………………………………………… 118
第 5 章 復雜結構風荷載研究 …………………………………………… 120
5.1 大跨度屋蓋結構抗風研究概況 ………………………………………… 120
5.1.1 研究思路 ………………………………………………………… 120
5.1.2 研究手段 ………………………………………………………… 120
5.1.3 ANN 在結構抗風領域的應用 ………………………………… 121
5.1.4 主要研究內容 …………………………………………………… 123
5.2 剛性模型風洞測壓試驗 ………………………………………………… 124
5.2.1 風洞試驗 ………………………………………………………… 124
5.2.2 風洞試驗結果分析 ……………………………………………… 132
5.3 天文館表面風壓的 ANN 預測 ………………………………………… 152
5.3.1 人工神經網絡特點及研究意義 ………………………………… 152
5.3.2 BP 神經網絡的基本原理 ……………………………………… 153
5.3.3 天文館表面未知測點的平均風壓系數(shù)預測 …………………… 155
5.3.4 未知風向角下的平均風壓系數(shù)預測 …………………………… 160
5.3.5 神經網絡預測結果分析 ………………………………………… 162
5.4 數(shù)值模擬研究 …………………………………………………………… 163
5.4.1 流場數(shù)值模擬方法 ……………………………………………… 163
5.4.2 邊界條件設置及網格劃分 ……………………………………… 164
5.4.3 天文館風荷載參數(shù)數(shù)值模擬 …………………………………… 165
5.5 數(shù)值模擬與風洞試驗結果對比分析 …………………………………… 171
5.5.1 CFD 方法得到的結構表面風荷載分布特點…………………… 171
5.5.2 數(shù)值模擬與試驗結果對比分析 ………………………………… 174
5.6 本章小結 ………………………………………………………………… 176
參考文獻…………………………………………………………………………………… 177
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