建筑结构丨青岛世界博览城荣获世界结构大奖全靠这些“绝技”！

北京时间2019年11月16日，The Structural Awards 揭晓2019世界结构大奖获奖名单，由中国建筑设计研究院原创设计的“青岛世界博览城”项目在经过“结构艺术奖”、“大跨度结构奖”两项提名后，最终荣获“结构艺术奖（建筑物类）”。

获奖奖牌

颁奖现场

Judge's comment（评委评价）:

Arranged in a cruciform plan with a 500m long, 47m high primary gallery intersected by a 300m long 32m high cross gallery: the structure creates a magnificent light-filled circulation area between large exhibition halls. The primary gallery height is dictated by the surrounding buildings and being in a coastal area it experiences high wind loading.

设计采用了十字形平面，500米长、47米宽的主展廊与300米长、32米宽的展廊相交；其结构设计在巨大的展厅之间，营造了宏伟而明亮的交通空间。主展廊的高度由周边建筑以及所处沿海地区的风荷载共同决定。

To maintain the lightest of structures a novel prestressed cable arch was developed, with a fabricated box section of just 500mm depth to span 48m.

It is estimated that the use of the cables has permitted a steel weight saving of up to half compared to a traditional arch structure.

为了呈现出最为轻盈的结构形式，设计采用了一种新型的预应力索拱，其截面高度仅为500毫米，可实现长达48米的跨度。据估计，这种索拱与传统拱形结构相比，能够节省一半以上的用钢量。

Cast steel components, from cable clamps to arch base pins have been skilfully pared down for the most compact of connections and have enabled quick and safe construction on-site.

索夹、拱脚等铸钢构件都进行了巧妙的精简，实现了最为紧凑的连接，保证了现场施工的快速与安全。

The judges particularly admired the simple elegance at the intersection of the crossing galleries and the visual coherency of the structure.

评委们尤为欣赏十字展廊交接处的简洁优雅，以及结构在视觉上呈现的一致性。

建筑概况

青岛中铁世界博览城位于青岛市黄岛区，建筑内在的空间结构形成了外部形态的美学韵律和视觉冲击力，使建筑形象真实而动人。

高雅、轻巧的结构构件，勾勒出整个中央展廊的宏大的场所空间，均匀布置的结构杆件体现出强烈的韵律感，巧妙优化的结构节点，充分融入了整个建筑空间，丰富而不杂乱，同时轻盈的结构系统也减少了对空间的压抑感。

结构艺术

设计概况

青岛世界博览城项目位于青岛西海岸新区核心区南侧，紧邻滨海大道，总占地约3000亩，以会展会议为核心引擎，打造集商务、商业、居住、休闲度假等于一体的多功能的综合博览新城。

本地块总建筑面积约27万平米，包括12栋展馆、1个十字展廊、2栋停车楼。长度为560m，宽度为352m，每个展馆长度为135m，跨度72m。展馆屋面檐口高度（建筑高度）为23.85m，东西向展廊跨度48m，长度508m，高度为35.795m，南北向展廊跨度32m，长度287m，高度为25.358m。

展廊结构设计

展廊结构由主拱、次拱、交叉拱、拱间的联系杆和斜拉杆组成，主次拱端设置端拱；每榀索拱结构由钢拱、弦索和两者之间的钢拉杆组成，索拱结构是索和拱组成的一种杂交结构。利用索的拉力或撑杆提供的支承作用以调整结构内力分布并限制其变形的发展，进而有效提高结构的刚度和稳定性。拉索与撑杆相比于传统的桁架杆件，截面更为纤细轻盈，从而营造出通透美观的室内观感，展现结构的自身美。

十字展廊屋盖结构体系为预应力索拱结构，索拱平面外顺柱面网壳沿纵向利用高强钢拉杆通长设置交叉支撑，以保障索拱面外的稳定。

主拱上弦截面口500x300x20x25，次拱上弦截面口400X250X20X25l主次拱下弦均为高钒索，直径分别为68mm和56mml腹索采用高强钢拉杆，底部设置刚性撑杆，截面为Φ50x4.5。

主拱方向跨度为47.46m，矢高为28.75m，矢跨比为1:1.6。次拱方向跨度为31.56m，矢高为19.15m，矢跨比为1:1.6，均属高矢跨比拱形。主次拱沿其纵向，每隔4.5m布置一榀。

主次展廊交汇的位置设置两榀相互交叉的十字交叉索拱，有效的了减少交叉拱范围内构件的跨度，十字交叉索拱与相贯拱共同分担该区域的荷载。

展廊端部帽檐采用纯拱结构，拱脚埋入混凝土柱内形成刚接。主拱帽檐截面为箱形800~500X400X30X30拱面内依靠自身的刚度抵抗，面外靠支撑拉接。

经过多种典型体系对比，最后采用新型的三角形柔性撑杆的弦撑式索拱结构，为钢拱（上弦）+拉杆+拉索（下弦）的空间结构体系。下弦拉索采用高钒索，采用热铸的索头和调节套筒，钢拱和弦索之间拉杆采用等强钢拉杆。

▲结构体系的整体指标

计算采用YJK和MIDAS整体建模，软件计算结果相互符合。整体稳定计算采用ANSYS，用钢量68kg/㎡。

▲应力比

杆件应力比整体较低，绝大多数都控制在0.5以内，个别位置构件应力比较大，最大值为0.79。

中部十字拱杆件应力比整体较低，绝大多数都控制在0.5以内，个别位置构件应力比较大，最大值为0.6。

典型主拱构件应力比在跨中和顶部最大，最大值为0.4。

主拱帽檐根部构件的应力比最大，最大值为0.79。若考虑根部进入塑性，将根部点铰计算，跨中构件应力比最大为0.7。

▲温度对结构力学性能影响

两个端头同时内收，变形接近52mm，该变形值与自由变形量相当。沿柱面网壳面内布置的交叉斜撑对结构的纵刚度贡献有限。

温度荷载在上弦拱面外引起的弯矩最大值为110kNm，对应于口500x300x20x25的钢梁，温度荷载引起的应力比增大接近0.1。

▲施工过程分析

1、先在胎架上或者滑移法安装上弦屋盖，张紧面外交叉斜索；2、拆除胎架；3、安装斜腹索和主索；4、调整斜腹索至设计索长；5、张拉主索；6、逐根微调腹索至设计索力；7、安装屋面PC板。

张拉思路：主索主动张力，腹索被动受力，最终微调腹索索力。

连桥

问题：桥面跨度接近32m，建筑希望桥面轻盈，最早采用吊桥的方案，施工难度大，对单榀影响大。

解决方案：采用组合梁+MTMD的方式，控制结构舒适度。

展廊屋面

PC板块采用：单层PC板块，四边支承。板块厚度为 12 mm，板块强度为100MPa，弹性模量 E = 0.24x104MPa，泊松比 v = 0.39，PC板块密度ρ = 12kN/m3。

展馆结构设计

单一展馆平面尺寸约135米×72米，建筑高度约23.85米；展馆采用钢筋混凝土剪力墙+空间桁架钢结构，周边设置抗风柱；每个筒体尺寸9×9米，两个中间区域钢结构桁架跨度54米，桁架高度4.0~4.5米，杆件采用Q345圆钢管截面，节点形式采用相贯节点；每个筒体的四个角部作为钢屋盖的支座，单个展馆设置24个支座；靠近拱形展厅的筒体通过设置双柱，和展廊结构分开从而形成独立的结构单元；每个展馆屋顶之间有飞檐造型，边缘展馆外侧采用斜柱钢结构屋顶下弦不设置吊顶，对视觉要求较高；屋顶上弦设置幕墙金属屋面并设有通风窗口。

每个展馆钢结构屋盖下设6个剪力墙筒体作为竖向抗侧支撑结构，每个筒体上设置四个可释放水平位移的成品弹性铰支座。

结构布置：1.各榀主桁架间距4.5米，桁架高度4.0米~4.5米；2.X和Y方向中部各有5榀贯通桁架；3.核心筒之间设置桁架作为54m×54m桁架的支撑体系；桁架水平面内设置斜撑传递水平荷载；4.斜柱两端铰接，斜柱顶部水平系杆截面同斜柱以协同斜柱受力。

▲竖向位移结果(恒+活)

▲风荷载作用下位移

▲设计中的关键问题

桁架的大小跨导致边缘部位支座产生拉力(最大拉力设计值可达1400KN),通过柱内布置型钢抵抗此拉力作用；根据幕墙的定位要求修改边缘桁架的平面位置(偏移量距轴线500mm)，需在柱顶设置牛腿作为弹性支座的下部支撑，产生了单侧牛腿(边线中点)和双侧牛腿(角点)两种情况；

脊线桁架顶部交汇杆件较多，通过增大脊线桁架腹杆管径使其它杆件相贯连接；

▲节点有限元分析(脊线桁架顶部的上弦交点)

▲节点有限元分析(脊线桁架顶部的下弦交点)

施工模拟

整体提升重量约1000吨，在6个核心筒上设置提升支点。

基础设计

采用桩基础，450预制方桩，采用抗拔桩解决抗浮问题。本工程相对标高±0.000相当于绝对标高7.650 m。地勘报告建议拟建建筑物抗浮设防水位标高按6.50m考虑或室外地面-0.500。拟建建筑物基底所对应的岩土层主要以填土层、细砂为主，地基承载力较低，因此建议采用桩基础，以第9层粗砂或基岩作为桩基持力层。

项目信息

STRUCTURAL DESIGNER

China Architecture Design & Research Group

CLIENT NAME

Qingdao Cosmopolitan Exposition International Conference and Exhibition Co., Ltd.

LOCATION

Qingdao, China

PRINCIPAL CONTRACTOR
China Railway Tianfeng Construction Engineering Co., Ltd.

ARCHITECT
China Architecture Design & Research Group

KEY CONTRACTORS
China Railway Heavy Machinery Co., Ltd. - Steel manufacture
China Railway Huatie Supervision Co., Ltd. - Supervision
Shenzhen Qixin Construction Group Co., Ltd. - Curtain wall manufacture

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